即插即用在線拉曼光譜儀PAT工具為Culture Biosciences在線控制賦能

Maverick：即插即用、幾分鐘即可實現(xiàn)在線監(jiān)測的多參數(shù)PAT工具

通過拉曼光譜原理和內(nèi)置的3種模型，可同時實時測量經(jīng)驗證的全系列CHO和HEK293細胞培養(yǎng)中的3個關(guān)鍵過程參數(shù)：葡萄糖、乳酸、總細胞密度（TCD）；且可以同時連接6臺反應器，并在內(nèi)置屏幕或手機app上顯示實時數(shù)據(jù)，幫助擺脫高入門成本經(jīng)典拉曼方法。與經(jīng)典拉曼PAT儀器相比，獨立探頭與光譜儀的組合，可以實現(xiàn)同時平行罐掃描；OPC-UA反饋控制，且符合3Q及21 CFR part11，幫助快速實現(xiàn)從工藝開發(fā)、工藝控制到中試放大生產(chǎn)的自動化需求。

BIOPROCESSING 4.0：利用先進的數(shù)字技術(shù)、自動化和數(shù)據(jù)驅(qū)動方法來改變生物制藥的傳統(tǒng)生產(chǎn)方式。為了使用PAT方法實現(xiàn)創(chuàng)新的BIOPROCESSING 4.0 工藝研發(fā)過程，Culture Biosciences和908 Devices合作測試MAVERICK和 Culture Biosciences的云連接250mL生物反應器。MAVERICK提供實時、在線的生物過程分析和控制，開箱即用，沒有傳統(tǒng)拉曼方法的成本、復雜性和風險。

（左圖）Culture Biosciences Cloud生物反應器實驗室視圖，配有兩個生物反應器（288和289）和908 Devices MAVERICK 。（右圖）插入250mL反應器中的在線探針的放大視圖。

細胞培養(yǎng)方案：在四個250mL生物反應器中培養(yǎng)中華倉鼠卵巢（CHO）哺乳動物細胞。兩個生物反應器安裝了MAVERICK（908 Devices）用作實驗對照。MAVERICK在整個培養(yǎng)過程中連續(xù)實時測量葡萄糖、乳酸和生物量。在Culture Biosciences的云連接專有控制器和監(jiān)測技術(shù)的控制下，全自動向生物反應器補充補料培養(yǎng)基、葡萄糖和其他營養(yǎng)成分。補料步驟可以手動或自動激活，具體取決于應用程序和客戶流程的需要。在測試的方案中，使用來自每日離線測量的結(jié)果反饋補料控制，以調(diào)節(jié)生物反應器中的葡萄糖水平。每隔24小時對生物反應器進行無菌取樣，并分析葡萄糖、乳酸、其他代謝物（Flex2）和細胞密度（Vi-cell BLU）。實驗完成后（14天），使用Culture的控制臺分析離線和在線設(shè)備的數(shù)據(jù)和應用編程接口（API），以評估Culture的250mL生物反應器系統(tǒng)中的探針性能。

葡萄糖：結(jié)果顯示Flex2的離線數(shù)據(jù)與MAVERICK的在線PAT值之間的一致性(RMSE = 0.32 g/L)。下圖表明，MAVERICK 作為在線PAT工具準確地反映了生物反應器內(nèi)的細胞培養(yǎng)條件。在線PAT測量可以實時跟蹤生物反應器中補料和補糖（藍線）的影響。這些動態(tài)細胞培養(yǎng)條件的變化在離線的每日樣品測量中沒有被捕捉到（橙色線）。

MAVERICK在線測量Culture Biosciences生物反應器中的葡萄糖（藍色）和Flex2的每日離線測量葡萄糖（橙色）。

Culture Biosciences的生物反應器通過云連接的傳感器和控制器以及數(shù)據(jù)聚合后端實現(xiàn)了準確的體積監(jiān)測。該數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測使得能夠在整個時間過程實驗中準確跟蹤生物反應器中的所有補糖/補料事件。根據(jù)生成的進料體積數(shù)據(jù)集，解釋了在線MAVERICK 測量中葡萄糖濃度的增加。

MAVERICK測量的葡萄糖峰值與Culture Biosciences的云生物反應器捕獲和處理的進料泵數(shù)據(jù)一致。

乳酸：與觀察到的葡萄糖濃度類似，使用MAVERICK，與離線分析相比同樣能精確測量乳酸水平（RMSE=0.29 g/L）。

通過PAT工具在線測量乳酸（藍色）和通過每日離線樣本測量乳酸（橙色）。

生物量：將這些值與離線的Vi-CELL BLU總細胞密度進行比較，基于拉曼的技術(shù)通常需要用于轉(zhuǎn)換為物理單位的校準曲線。下圖顯示了左側(cè)y軸上MAVERICK（以生物量單位，BMU為單位）的原始信號測量值，右側(cè)y軸上Vi-CELL BLU測量的總細胞密度（以百萬細胞/mL為單位）。該圖顯示，兩條曲線一致，表明MAVERICK能夠有效捕捉底層物理信號。兩種測量結(jié)果的差異發(fā)生在250小時后，這可歸因于哺乳動物細胞培養(yǎng)實驗后期活率的降低。細胞活率的降低會導致細胞碎片增加，這可能是在線PAT測量受到混淆的原因，而Vi-cell BLU的視覺測量可以調(diào)整排除測量裂解的細胞。因而兩者結(jié)果有所差異。

MAVERICK在線測量的生物量（任意單位）（藍色，左y軸）與每日離線測量的總細胞密度（百萬細胞/mL）（橙色，右y軸）的比較。

結(jié)論：這些實驗表明了利用Culture Bioscience的生物反應器與MAVERICK, 一種新型的拉曼光譜驅(qū)動的在線PAT工具可以實現(xiàn)多個關(guān)鍵分析物的實時監(jiān)測。

生物反應器加上PAT工具可以通過實時在線的連續(xù)數(shù)據(jù)來加速對工藝過程的理解，連續(xù)的數(shù)據(jù)流也有助于精確監(jiān)測和控制細胞培養(yǎng)過程，實現(xiàn)BIOPROCESSING 4.0。