Le défi de la surveillance des bioprocédés
Dans les processus de biofabrication utilisant des cellules de mammifères (telles que les cellules d’ovaire de hamster chinois ou les cellules CHO), le maintien d’un contrôle strict des concentrations de nutriments est essentiel à la santé, à la croissance et à l’expression des protéines des cellules. La principale source de carbone, le glucose, doit être maintenue dans une plage de concentration stricte. L'épuisement provoque la famine cellulaire et limite la productivité, tandis qu'un excès de glucose déclenche un changement métabolique, conduisant à l'accumulation de sous-produits toxiques comme le lactate et l'ammonium, qui inhibent la croissance cellulaire et dégradent la qualité des produits.
Traditionnellement, la surveillance des cultures cellulaires repose sur une analyse hors ligne. Les opérateurs prélèvent manuellement des échantillons du récipient du bioréacteur toutes les 12 à 24 heures, en les faisant passer par des analyseurs de chimie humide ou des systèmes HPLC. Cette méthode hors ligne présente de sérieuses limitations :
- Risque d'échantillonnage :L'ouverture de la barrière stérile du bioréacteur augmente le risque de contamination du récipient.
- Faible résolution temporelle :Les pics ou chutes brusques de métabolites se produisant entre les intervalles d’échantillonnage restent totalement indétectables.
- Retard manuel :Les ajustements d'alimentation sont toujours réactifs, basés sur des valeurs d'échantillon historiques plutôt que sur la demande réelle en temps réel.
« Le suivi en temps réel des paramètres critiques du processus (CPP) permet aux ingénieurs en bioprocédés de passer d'alimentations manuelles basées sur des recettes à des boucles d'alimentation contrôlées par rétroaction, stabilisant ainsi directement le métabolisme cellulaire. »
Mise en œuvre hygiénique en ligne FT-NIR
Pour établir une boucle de surveillance continue, le fabricant a intégré un ProLine2550 FT-NIR Analyzer équipé d'une sonde à immersion en saphir sanitaire et résistante à l'autoclave. La sonde a été insérée directement dans la plaque frontale du bioréacteur, à l'aide d'un port standard PG13.5 avec des joints EPDM conformes aux directives EHEDG.
La lumière proche infrarouge traversait la fibre optique jusqu’à la pointe de la sonde, où elle traversait le bouillon de culture cellulaire. Un détecteur InGaAs haute résolution lit les spectres de transmission toutes les 15 minutes. Les données spectrales ont été introduites dans le caliXSuite pour la prédiction chimiométrique des paramètres critiques du processus (CPP).
Validation du modèle et contrôle en boucle fermée
Utiliser le caliXSuite, les modèles d'étalonnage ont été construits en corrélant les spectres FT-NIR en ligne avec les valeurs de référence provenant d'analyseurs de biochimie hors ligne. Le caliXLe moteur AutoML a appliqué le prétraitement de première dérivée Savitzky-Golay et le filtrage Standard Normal Variate (SNV) pour éliminer la diffusion de la lumière causée par la densité cellulaire variable (turbidité). Les statistiques de validation démontrent une précision de niveau laboratoire :
| Paramètre d'analyte | Plage d'étalonnage | Erreur de validation (RMSEP) | Corrélation (R²) |
|---|---|---|---|
| Glucose | 0,5 à 8,0 g/L | ≤ 0,22 g/L | 0,991 |
| Lactate | 0,0 – 6,0 g/L | ≤ 0,18 g/L | 0,987 |
| Densité cellulaire viable (VCD) | 1,0 – 120,0 x 105 cellules/mL | ± 4,5 x 105 cellules/mL | 0,994 |
La concentration de glucose prévue a été générée via ProChem en utilisant une interface OPC UA directement vers le système SCADA. Lorsque le glucose prévu tombait en dessous de 2,0 g/L, le contrôleur SCADA activait automatiquement les pompes d'alimentation, standardisant le glucose à un niveau constant de 2,5 g/L sans intervention de l'opérateur.
Avantages opérationnels et améliorations de la qualité
En mettant en œuvre une alimentation en boucle fermée en temps réel, l’installation a réalisé les avantages suivants :
- Augmentation du rendement :Le rendement en anticorps monoclonaux (mAb) a augmenté de 15,2 % en raison d’un apport constant en nutriments et d’une toxicité minimale des sous-produits.
- Accumulation toxique réduite :Les niveaux maximaux de lactate ont été supprimés de 40 % par rapport aux lots manuels historiques.
- Assurance stérilité :Les prélèvements manuels d'échantillons ont été réduits de 85 %, réduisant ainsi considérablement les événements de contamination.
Conclusion
Le déploiement de la spectroscopie FT-NIR en ligne dans les bioréacteurs modifie les opérations biopharmaceutiques de l'échantillonnage rétrogressif au contrôle actif. En utilisant caliXGrâce aux modèles chimiométriques d'automatiser l'alimentation, les biofabricants peuvent optimiser la croissance cellulaire, garantir la stérilité et maximiser les rendements des lots.
Références
- FDA Conseils :PAT — Un cadre pour le développement, la fabrication et l'assurance qualité de produits pharmaceutiques innovants, septembre 2004.
- « Surveillance en ligne du glucose et du lactate dans les cultures de cellules de mammifères à l'aide de sondes à immersion dans le proche infrarouge »Biotechnologie et bioingénierie, 2021.
- ASTM E2898 - Guide standard pour la sélection de technologies basées sur les risques et le développement d'applications de technologie d'analyse de processus (PAT).
