تحسين تغذية المفاعل الحيوي في ثقافة خلايا الثدييات

تحدي مراقبة العمليات الحيوية

في عمليات التصنيع الحيوي التي تستخدم خلايا الثدييات (مثل خلايا مبيض الهامستر الصيني أو خلايا CHO)، يعد الحفاظ على رقابة مشددة على تركيزات العناصر الغذائية أمرًا بالغ الأهمية لصحة الخلايا ونموها وتعبير البروتين. يجب أن يبقى مصدر الكربون الأساسي، الجلوكوز، ضمن نطاق تركيز صارم. يؤدي استنزاف الجلوكوز إلى تجويع الخلايا والحد من الإنتاجية، في حين أن زيادة الجلوكوز تؤدي إلى تحول في التمثيل الغذائي، مما يؤدي إلى تراكم المنتجات الثانوية السامة مثل اللاكتات والأمونيوم، والتي تمنع نمو الخلايا وتؤدي إلى تدهور جودة المنتج.

تقليديا، تعتمد مراقبة ثقافة الخلية على التحليل دون الاتصال بالإنترنت. يقوم المشغلون بسحب العينات يدويًا من وعاء المفاعل الحيوي كل 12 إلى 24 ساعة، وتشغيلها من خلال أجهزة تحليل الكيمياء الرطبة أو أنظمة HPLC. هذه الطريقة غير المتصلة بالإنترنت لها قيود شديدة:

• مخاطر أخذ العينات:يؤدي فتح الحاجز المعقم للمفاعل الحيوي إلى زيادة خطر تلوث الوعاء.
• دقة زمنية منخفضة:تظل الارتفاعات أو الانخفاضات الأيضية الحادة التي تحدث بين فترات أخذ العينات غير مكتشفة تمامًا.
• التأخير اليدوي:تكون تعديلات التغذية دائمًا تفاعلية، استنادًا إلى قيم العينات التاريخية بدلاً من الطلب الفعلي في الوقت الفعلي.

"يسمح التتبع في الوقت الفعلي لمعلمات العملية الحرجة (CPPs) لمهندسي العمليات الحيوية بالتبديل من الخلاصات اليدوية المعتمدة على الوصفات إلى حلقات التغذية التي يتم التحكم فيها بالتغذية الراجعة، مما يؤدي إلى استقرار عملية التمثيل الغذائي للخلية بشكل مباشر."

التنفيذ الصحي المضمّن FT-NIR

لإنشاء حلقة مراقبة مستمرة، قامت الشركة المصنعة بدمج محلل ProLine2550 FT-NIR المجهز بمسبار غمر صحي وآمن للأوتوكلاف. تم إدخال المسبار مباشرة في لوحة رأس المفاعل الحيوي، باستخدام منفذ PG13.5 قياسي مع أختام EPDM متوافقة مع إرشادات EHEDG.

ينتقل ضوء الأشعة تحت الحمراء القريبة عبر الألياف الضوئية إلى طرف المسبار، حيث يمر عبر مرق زراعة الخلايا. يقوم كاشف InGaAs عالي الدقة بقراءة أطياف الإرسال كل 15 دقيقة. تم إدخال البيانات الطيفية في caliXSuite للتنبؤ الكيميائي لمعلمات العملية الحرجة (CPPs).

التحقق من صحة النموذج والتحكم في الحلقة المغلقة

باستخدام caliXSuite، تم إنشاء نماذج المعايرة من خلال ربط أطياف FT-NIR المضمنة مع القيم المرجعية من محللات الكيمياء الحيوية غير المتصلة بالإنترنت. caliXقام محرك AutoML بتطبيق المعالجة المسبقة للمشتق الأول Savitzky-Golay وتصفية المتغير العادي القياسي (SNV) للتخلص من تشتت الضوء الناتج عن اختلاف كثافة الخلية (التعكر). تثبت إحصائيات التحقق من الصحة دقة المختبر:

معلمة التحليل	نطاق المعايرة	خطأ في التحقق (RMSEP)	الارتباط (R²)
الجلوكوز	0.5 – 8.0 جم/لتر	≤ 0.22 جم/لتر	0.991
اللاكتات	0.0 – 6.0 جم/لتر	≤ 0.18 جم/لتر	0.987
كثافة الخلايا القابلة للحياة (VCD)	1.0 – 120.0 × 105 خلية/مل	± 4.5 × 105 خلية/مل	0.994

تم إخراج تركيز الجلوكوز المتوقع عبر ProChem باستخدام واجهة OPC UA مباشرة إلى نظام SCADA. عندما انخفض مستوى الجلوكوز المتوقع إلى أقل من 2.0 جم/لتر، قامت وحدة تحكم SCADA بتنشيط مضخات التغذية تلقائيًا، مما أدى إلى توحيد مستوى الجلوكوز عند مستوى ثابت قدره 2.5 جم/لتر دون تدخل المشغل.

الفوائد التشغيلية وتحسينات الجودة

ومن خلال تنفيذ التغذية ذات الحلقة المغلقة في الوقت الفعلي، حققت المنشأة الفوائد التالية:

• زيادة العائد:زاد إنتاج الأجسام المضادة وحيدة النسيلة (mAb) بنسبة 15.2% بسبب الإمداد المستمر بالمغذيات والحد الأدنى من سمية المنتجات الثانوية.
• تقليل تراكم السموم:تم قمع مستويات اللاكتات القصوى بنسبة 40% مقارنة بالدفعات اليدوية التاريخية.
• ضمان العقم:تم تقليل عمليات سحب العينات يدويًا بنسبة 85%، مما أدى إلى تقليل أحداث التلوث بشكل ملحوظ.

خاتمة

يؤدي نشر التحليل الطيفي FT-NIR المضمن في المفاعلات الحيوية إلى تغيير عمليات الصيدلة الحيوية من أخذ العينات التراجعية إلى التحكم النشط. باستخدام caliXباستخدام نماذج القياس الكيميائي لأتمتة عملية التغذية، يمكن للمصنعين الحيويين تحسين نمو الخلايا، وتأمين العقم، وزيادة إنتاجية الدفعات إلى أقصى حد.