El desafío del monitoreo de bioprocesos
En los procesos de biofabricación que utilizan células de mamíferos (como las células de ovario de hámster chino o CHO), mantener un control estricto sobre las concentraciones de nutrientes es fundamental para la salud, el crecimiento y la expresión de proteínas de las células. La principal fuente de carbono, la glucosa, debe mantenerse dentro de un rango de concentración estricto. El agotamiento causa inanición celular y limita la productividad, mientras que un exceso de glucosa desencadena un cambio metabólico, lo que lleva a la acumulación de subproductos tóxicos como el lactato y el amonio, que inhiben el crecimiento celular y degradan la calidad del producto.
Tradicionalmente, el seguimiento de cultivos celulares se basa en análisis fuera de línea. Los operadores extraen manualmente muestras del recipiente del biorreactor cada 12 a 24 horas y las pasan por analizadores de química húmeda o sistemas HPLC. Este método fuera de línea tiene graves limitaciones:
- Riesgo de muestreo:Abrir la barrera estéril del biorreactor aumenta el riesgo de contaminación de los recipientes.
- Baja resolución temporal:Los picos o caídas bruscas de metabolitos que se producen entre los intervalos de muestreo pasan completamente desapercibidos.
- Retraso manual:Los ajustes de alimentación siempre son reactivos y se basan en valores de muestra históricos en lugar de la demanda real en tiempo real.
"El seguimiento en tiempo real de los parámetros críticos del proceso (CPP) permite a los ingenieros de bioprocesos cambiar de alimentación manual basada en recetas a circuitos de alimentación controlados por retroalimentación, estabilizando directamente el metabolismo celular".
Implementación higiénica en línea FT-NIR
Para establecer un circuito de monitoreo continuo, el fabricante integró un analizador ProLine2550 FT-NIR equipado con una sonda de inmersión de zafiro sanitaria apta para autoclave. La sonda se insertó directamente en la placa de cabeza del biorreactor, utilizando un puerto PG13.5 estándar con sellos EPDM que cumplen con las pautas EHEDG.
La luz infrarroja cercana viajó a través de fibra óptica hasta la punta de la sonda, donde pasó a través del caldo de cultivo celular. Un detector de InGaAs de alta resolución lee los espectros de transmisión cada 15 minutos. Los datos espectrales se introdujeron en el caliXSuite para la predicción quimiométrica de parámetros críticos de proceso (CPP).
Validación de modelos y control de circuito cerrado
Usando el caliXSuite, los modelos de calibración se construyeron correlacionando espectros FT-NIR en línea con valores de referencia de analizadores de bioquímica fuera de línea. la caliXEl motor AutoML aplicó el preprocesamiento de primera derivada Savitzky-Golay y el filtrado estándar normal variable (SNV) para eliminar la dispersión de la luz causada por la variación de la densidad celular (turbidez). Las estadísticas de validación demuestran una precisión de laboratorio:
| Parámetro del analito | Rango de calibración | Error de validación (RMSEP) | Correlación (R²) |
|---|---|---|---|
| Glucosa | 0,5 – 8,0 g/l | ≤ 0,22g/L | 0.991 |
| lactato | 0,0 – 6,0 g/l | ≤ 0,18g/L | 0.987 |
| Densidad de células viables (VCD) | 1,0 – 120,0 x 105 células/ml | ± 4,5 x 105 células/ml | 0.994 |
La concentración de glucosa prevista se envió a través de ProChem usando una interfaz OPC UA directamente al sistema SCADA. Cuando la glucosa prevista cayó por debajo de 2,0 g/L, el controlador SCADA activó automáticamente las bombas de alimentación, estandarizando la glucosa a un nivel constante de 2,5 g/L sin intervención del operador.
Beneficios operativos y mejoras de calidad
Al implementar la alimentación de circuito cerrado en tiempo real, la instalación obtuvo los siguientes beneficios:
- Aumento de rendimiento:El rendimiento de anticuerpos monoclonales (mAb) aumentó en un 15,2 % debido al suministro constante de nutrientes y la mínima toxicidad de los subproductos.
- Acumulación tóxica reducida:Los niveles máximos de lactato se suprimieron en un 40 % en comparación con los lotes manuales históricos.
- Garantía de esterilidad:Las extracciones manuales de muestras se redujeron en un 85 %, lo que redujo significativamente los eventos de contaminación.
Conclusión
La implementación de la espectroscopia FT-NIR en línea en biorreactores cambia las operaciones biofarmacéuticas del muestreo regresivo al control activo. Utilizando caliXCon los modelos quimiométricos de para automatizar la alimentación, los biofabricantes pueden optimizar el crecimiento celular, asegurar la esterilidad y maximizar el rendimiento de los lotes.
Referencias
- FDA Orientación:PAT: un marco para el desarrollo, la fabricación y la garantía de calidad de productos farmacéuticos innovadores, septiembre de 2004.
- "Monitoreo en línea de glucosa y lactato en cultivos de células de mamíferos mediante sondas de inmersión en el infrarrojo cercano"Biotecnología y Bioingeniería, 2021.
- ASTM E2898: Guía estándar para la selección de tecnología basada en riesgos y el desarrollo de aplicaciones de tecnología analítica de procesos (PAT).
