חידושים בביולוגיה ניטור באמצעות חיישנים אופטיים לא פולשניים

האבולוציה של ניטור ביולוגי: מדוע חיישנים אופטיים שאינם פולשניים הם שינוי משחק

ניטור ביולוגי כבר זמן רב צוואר בקבוק קריטי ב bioprocessing. Conventional אלקטרו-כימיקלי בדיקות - למרות השימוש הנרחב שלהם - מציג סיכונים זיהום, סחף לאורך זמן, ודורשים החלמה תכופה והחלפה.מגבלות אלה הופכות בעייתיות במיוחד בחיות לטווח ארוך ותרבויות היתוך, שבו שמירה על יציבות וקטורליית היא רבת.

במאמר זה, אנו חוקרים את החידושים האחרונים ב- un-invasive אופטית רגיש עבור bioreactors - מ-spectroscopic ו- Fluorescence מבוסס טכניקות לאדריכלות אופטית סיבים - ולבחון כיצד כלים אלה מעצבים מחדש biomanufacturing ממערכות מחקר בקנה מידה לחבילות ייצור מסחריות.

מה הם חיישנים אופטיים לא פולשניים ואמפ; איך הם עובדים?

בליבתם, חיישנים אופטיים לא פולשניים מודדים פרמטרים ביולוגיים - כגון pH, חמצן מתמוסס (DO), פחמן דו חמצני, צפיפות תאים, ריכוזים מטבוליטים, וכדאיות - על ידי ניתוח אור אשר אינטראקציה עם התרבות המדיום או עם חיישנים שלא שוהים על כתמים שקופה. בניגוד לבדיקות מסורתיות שיש לסטרום ולהושם לתוך הכלי, אופטי בדרך כלל פועל דרך חלון, או נוירונים פנימיים, או מתואמים את היישר אל תוך קו הרוחב.

(ה) עקרונות היסוד משתנים על ידי פרמטר. עבור pH ו DO, הגישה הנפוצה ביותר משתמשת (FLT:0optodephFLT:1 טכנולוגיה: מקום המכיל צבע מחוונים פלואורסנט נרגש לאור אורך גל ספציפי; עוצמת השטף הנפלטת או שינויים תקופתיים באופן צפוי עם ריכוז אנאלי וביוסקופיה, צפיפות אופטית (Fספקטרום) או יותר של טביעות אצבע חד-אופטיקה (D2Factoate) הן תכונות מתקדמות יותר:

היתרון המרכזי הוא כי הנתיב האופטי נשאר מופרד פיזית מהתוכן סטרילי, כך שאין סיכון לזיהום התרבות בעת הוספת או הסרת חיישן.יתר, כי אין אלקטרודות או מלמברנס שניתן להחליף, תחזוקה היא פשוטה באופן דרמטי.

טכנולוגיות מפתח ב- Optical Sensing Technology

טכניקות מתקדמות: NIR ו-Raman

(FLT:0) Near-infrared (NIR) spectroscopyFLT:1 מודד את ספיגה של אור בטווח של 700-2500 nm. Water יש להקות ספיגה חזקות באזור זה, אבל O-H, C-H, צפיפות N-H, ו-S-H קשרים ב biomocules מייצרים גוונים קלים ושילובים שניתן לתאם עם ריכוזים של תאים נטרפולניים.

(FLT:0) ראוטרוסקופיה של ספקטרוסקופיה:1 מציעה אפילו יותר ספציפי כימי ספציפי.זה מבוסס על פיזור לא-רשמי של אור לייזר מונוכרומטי; שינויים תדירות תואמים למצבים של אג"ח מולקולריים ספציפיים, בניגוד NIR, מים יש אות סימולציות חלש, כך זה אידיאלי עבור ניטור ביו-מעבדים מקיפים:2NERPate, במיוחד מאפשר ספקטרום של תאים אופטיים כגון ספקטרום של תאים אופטיים (R)

NIR ו-Raman דורשים מודלים רב-תחומיים רב-תחומיים של קליברציה.ההתפתחויות האחרונות ב-FLT:0transfer Learning and domain Fitment FLT:1 עשו זאת קל יותר לדגמי נמל בין קשקשים ביולוגיים לבין קווי תאים, צמצום נטל ההפלה שקודם לכן הגביל את אימוץ תעשייתי.

חיישן מבוסס פלואורנס: מ- pH ועד ל-Vyability

חיישנים אופטיים מבוססי פלואורינג הפכו להיות הטורסה של מדידת pH, חמצן מומס ופחמן דו חמצני בביולוגיים בשימוש יחיד.הפלטפורמה המאומץ ביותר היא ה-FLT:0PreSens (כיום חלק מ- Sartorius) חיישן משקעים סגסוגת 1 - קטן, סטרילי, כתמים דבקים המכילים צבעי חומצה פולימרונית בנקודת זמן קצרת צבעים;

חידושים בחלל זה כוללים את ה-FLT:0 (המורכבים 30FLT:1 המכיל שני צבעים או שלושה צבעים שונים, המאפשר מדידה בו זמנית של pH ועושים ממקום אחד.יש יצרנים גם פיתח 30FLT:2dual-Life מתייחס זמן חיים-חיים-חיים-חיים-חיים-חיים-חיים-חיים-חיים-חיים-חיים-חיים-יומיים (DLR)FLT:3 טכנולוגיה, אשר משתמשת בהתייחסות עם צבע ידוע, קבוע כדי לחסל את הטמפרטורות הנגרמות על-לשינוי או שינוי אופטיות, אשר ניתן לשפר את המשתנים, אשר ניתן כיום.

מעבר ל-Visenses הנפוצים, החוקרים מפתחים את ה-FLT:0.0.comfluorescent biosensorsentiFLT:1 שניתן לקודד גנטית לתוך האורגניזם הייצור עצמו.לדוגמה, קו תא המבטא וריאנט GFP רגיש ל- pH (כגון pHluorin) יכול לשמש בדיקה פנימית עבור pH סלולרי, נותן תובנות לבריאות התא ללא כל כלי חיצוני, אשר יכול בסופו של דבר לאפשר שידור אופטי של דבר, בעיקרו של כלי LT2.

ראשי התיבות של Fibre-Optic Probes and Smart Windows

(הבדיקות של פיברי-אופטימיות התפתחו מחיבור קל לפלטפורמות מתוחכמות יותר.מודרניות (FLT:0fibre-אופטיקה Raman TestingsFLT:1) משלבות מסנן פסים בקצה כדי לדכא את האור המפוזר העז, שיפור דרמטי של אות-to-noise יחס.המודלים האחרונים הם פחות מ- 8 מ"מ בקוטר, ומאפשרים באמצעות 12 מ"מ"מ, וניתן לצמצום של תאים מסוכנים (F) ו-S-F2, גם כן, כלומר, גם כן, כלומר, כלומר, כלומר, ללא הפרעה אופטית.

חידוש מתפתח הוא מערך מסנן אופטי של 0 (FLT:0) חכם החלון FLT:1 (הקונספט: נמל ביולוגי שקוף המשלב מערך מסנן אופטי דק-סרט, המאפשר אורכי גל מרובים של אור לשמש עבור מדידות שונות בו זמנית.חלון עשוי להכיל מערך דפוס של כתמים חיישן (pH, DO, CO2, גלוקוז) כי הם באופן אישי ניתן לטפל באמצעות סריקת ראש אופטי המאפשרת יחידנית במיוחד עבור עיצוב יחידנית.

היתרונות של חיישנים אופטיים לא פולשניים בפרקטיקה

היתרונות התיאורטיים של חיישני אופטיים מתועדים היטב, אך ההשפעה שלהם בעולם האמיתי מאוירה על ידי בחינת היתרונות הספציפיים בסביבות הייצור:

• (FLT:0) הבטחת פוריות: 1FLT כי החיישן לעולם לא יפנה את הגבול סטרילי, יש אפס סיכון להפרישת סטריליות במהלך ההתקנה, קלמנט או מדידה.זה אפשר את האימוץ הנרחב של ביולוגיים לשימוש יחיד (SUB), אשר עכשיו אחראי לרוב של מתקני ביומן חדשים.
• (FLT:0) נתונים אמיתיים: ⁇ 1 (לא כמו דגימות מחוץ לקו מקוון שניתן לנתח שעות מאוחר יותר, חיישנים אופטיים מספקים נתונים כל כמה שניות.זה מאפשר FLT:2real-Time-Time Process controlFLT 3, לדוגמה, התאמה אוטומטית של גזי נפיחות על בסיס מדידות או האכלה גלוקוז בהתבסס על ריכוזים של Raman-diced.
• (FLT:0) שגיאה של מפעיל: FLT:1ir חיישנים אופטיים לא דורשים קליברציה מן המפעיל לאחר ההתקנה; ה calibration במפעל יציב למשך התרבות.זה מבטל את המקור הנפוץ ביותר של ריקנות ב ניטור ביו-מעבד - הליכים לא עקביים של קיליברציה - וסימולציות הכשרה עבור צוות הייצור.
• (FLT:0) עלות:FreaLT:1 בעוד יחידת הקריאה הראשונית עשויה להיות יקרה יותר מאשר משדר מסורתי, העלות של per-batch בדרך כלל נמוכה יותר כי כתמים זולים בהשוואה לחקירות חד פעמי או pH.במתקנים בעלי ביצועים גבוהים המפעילים מאות ביולוגיים בשנה, החיסכון יכול להיות משמעותי.
• (FLT:0) תאימות עם אוטומציה ו- PAT (Process Analytical Technology): חיישנים אופטיים של ®Optation 1 מייצרים אותות דיגיטליים אשר משולבים בקלות עם מערכות בקרה מבוזרות (DCS) והיסטוריונים נתונים.זה תואם את יוזמת PAT של ה- FDA, אשר מעודדת מדידה בזמן אמת ושליטה לשיפור איכות המוצר ולהפחית את הכשלונות אצווה.

אתגרים והגבלות נוכחיות

למרות היתרונות הרבים שלהם, חיישנים אופטיים לא פולשניים הם לא תרופת פלאנה. אתגרים רבים נשארים להגביל את האימוץ ביישומים מסוימים:

• (ב) בתרבויות בעלות תאים גבוהים, תאים, חלבונים ושומנים יכולים לצבור על החלון האופטי או חתלתול, להגביר את אות האור ולגרום לסחף.בעוד כמה ציפויים נגד ציפוי (למשל, הידרוג'ל, פחמן דמוי יהלום) פותחו, הם לא יעילים אוניברסליים מחקר חדש על פני השטח: 2F מקודש עצמו באמצעות ציפויים (למשל, LT2ancleing) באמצעות ציפויים, LT2analytics, LT2analytics, LT2analytics, LT2analytics, LT2analytics, LT2analytics, LT2anated).
• (FLT:0) Temperature and Pressureרגישות:FLT:1 רוב החיישנים האופטיים מוזנים בטמפרטורה מסוימת ולחץ. בביולוגיים גדולים של אל-חלד שבו מחזורי קיטור-אין יכולים לעלות על 140 מעלות צלזיוס, חומרי החיישן חייבים לעמוד בתנאים קיצוניים.
• (ב) ⁇ :0) עומק חדירה: במידות ספציפיות של ספקטרוסקופיות כמו NIR ו-Raman לחקור רק נפח קטן ליד חלון החיישן.בכורי גדול, ייתכן שהקומפוזיציה הממדדת אינה מייצגת את הנוזל הגדול, במיוחד אם ערבוב הוא עני.
• (ב) ⁇ :0)העברה של קלברציה מורכבת: (Figalph:1) מודלים צ'מומטריים שפותחו עבור ביולוגי אחד לא יעבדו עבור אחר בשל הבדלים בגיאומטריה, תאורה או ממטריקס רקע.התעשייה נעה לכיוון FLT:2 חומרים סטנדרטיים של הפניה FLT 3 ופרוטוקולים של FLT:4 ModelsFLT:5 דומים לאלה המשמשים בניתוח תרופתי קרוב.

שילוב עם אוטומציה, AI ו- Digital Twins

הכוח האמיתי של חיישנים אופטיים שאינם פולשניים מושג כאשר הנתונים שלהם מזרימים את המזינים לתוך מערכות בקרה מתקדמות.שילוב של נתונים אופטיים רב-פרמטר עם מודלים של למידת מכונה מאפשר לדור הבא של FLT:0 חכמים bioreactorscioFLT:1.

(ה-FLT:0) רשתות עצביות מלאכותיות (ANN) ראט'ר LT:1) מאומן על נתוני Raman היסטוריים ו- NIR יכול לחזות את נקודות הקצה של תהליך (למשל, זמן הקציר האופטימלי) עם דיוק גדול יותר מאשר חיישנים רכים מסורתיים.לדוגמה, חוקרים ב-MIT פיתחה חיישנים סטנדרטיים של PLT:2re הנוכחי רשת עצבית (RN)FLT:3 אשר משתמשת ב-Raman ספקטרום של גלוקוז, לדוגמה, ו-Fpoint, כדי לנבאד"חסין סטנדרטי, ו-48 שיטות בקרה אופטיות, באופן , באופן קיבולת גבוהה יותר, באופן קיבולת גבוהה יותר מ-Facter, באופן קיבולת של תאים אופטית, באופן , באופן קיבולת של קיבולת של , באופן קיבולת של קיבולת של קיבולת של קיבולת של קיבולת של קיבולת של קיבולת של קיבולת של קיבולת של קיבולת של קיבולת של קיבולת של 0.

גבול נוסף הוא ה- 0 ;0 תאום דיגיטלי PF:1 ; מודל חישובי בזמן אמת של הביולוגי המתעדכן עם נתוני חיישן אופטי.התאום יכול לדמות תרחישים "מה אם" (למשל, מה קורה אם המשאבה המזינים נכשלת?) ולהמליץ על פעולות נכונות לפני סטייה הופכת קריטית לכמה חברות ביוטק, כולל Amgen ו- Janssen, באמצעות חתומי דיגיטלי עם חיישנים שדווחו על ידי חיישנים מסחריים על ידי ® על ידי חיישנים.

אימוץ של ספקטרום:0 ,מחשוב מדרגה 1: הוא גם מאיץ.במקום לשלוח נתונים ספקטרום גולמי לענן, מעבדים מקומיים (כגון סדרת NVIDIA Jetson) לבצע ניתוח צ'מומטרי על רצפת המפעל, יצירת תוצאות ניתנות פעולה במילימטריים.

מחקרים ויישומים תעשייתיים

מקרה מחקר 1: פד-באץ Monoclonal Antibody הפקה

ארגון פיתוח חוזים גדול (CDMO) החליף בדיקות קונבנציונאליות ו- pH עם כתמים אופטיים של חיישן אופטי מ-FLT:0Sartorius (PreSens Technology) FLT:1 על פני צי של 2000 L יחיד שימוש יחיד ביולוגיים.הם דיווחו על ירידה של 70% בכישלונות הקשורים לחיישן, ירידה של 40% בזמן השחה, ו- 0.5 גרם / L בתוצאה הסופית של נוגדנים לשימוש עבור תיקון מלא של 21 גרם גבוה עבור רמת הדיוק של ה-ה.

מחקר מקרה 2: Raman- Based PAT לעיבוד מתמשך

בתהליך מבוסס היתוך עבור חלבון היתוך, חוקרים ב (FLT:0)NISTigFLT:1 שילב אנליזה RXN2 עם 6 מ"מ fibre-אופטי בדיקה ישירות לתוך הלולאה של לולאה של 50 L perfusion bioreactor.מודל Raman חז גלוקוז וליטר כל 3 דקות, המאפשר שליטה כי נשמרת מתחת ל -1.5 / קיבולת גבוהה יותר מ -2.

מקרה מחקר 3: High- Throughput Clone Screening with Smart Windows

סטארט-אפ פיתח מערכת מקבילה 24bioreactor (1 L כל) עם חלון חכם יחיד לכלי. לכל חלון היו שמונה נקודות חיישן (pH, DO, CO2, גלוקוז, לקטטה, צפיפות תאים בת קיימא, ושני metabolites) ראשי סריקת סיבים אופטיים עבר כל 24 חלונות מתחת ל 5 דקות, איסוף 192 פרמטרים.

פרספקטיבה עתידית: מה הלאה למעקב ביולוגי אופטי?

המסלול ברור: חיישנים אופטיים ימשיכו להחליף את המבחנים המסורתיים כמעט בכל עיצובי הביולוגיה החדשים.

• (FLT:0) חיישנים אופטיים ניתנים להחלפה: FLT:1 חוקרים מפתחים חיישנים זעירים, אופטיים שניתן להתפזר בתוך המדיום התרבותי, מספקים מפה תלת-ממדית של pH ועושים ⁇ s. אבות טיפוס מוקדמים משתמשים ב-FLT:2upconversion nanoparticles (UCs)FLT:3 אשר פולטים אור גלוי תחת NIR exצטט, המאפשרים עמוק כמו הדמיה של כלי הדמיה.
• (FLT:0) ניטור חיסון ויראלי בזמן אמת: FLT:1 חיישנים אופטיים מותאמים לעקוב אחר ייצור הנגיף בייצור החיסון.לדוגמה, חיישן מבוסס אובחנה יכול לזהות את שחרור ה-DNA או חלבונים ספציפיים על ידי מדידה שינויים בהעברת אנרגיה של פלואורסנס (FRET).
• (FLT:0) אינטגרציה עם תוכנת עיצוב ביולוגי:03FLT) 1 חברות כמו Cytiva ו Thermo Fisher מטביעות מפרטים אופטיים ישירות לתוך המודלים ביולוגיים שלהם, כך מהנדסים יכולים לדמות מיקום חיישן ואיכות נתונים לפני בניית הספינה.
• פרוטוקולי תקשורת:0 (Standardized Communications Protocols:FIRLT:1 , קונסוליה תעשייתית כגון BioPhorum פועלים על ממשק דיגיטלי אוניברסלי עבור חיישנים אופטיים (הדומה ל-HART עבור מכשירים בתהליך) כדי לפשט את האינטגרציה על פני מערכות בקרה של ספקים שונים.

כאינטליגנציה מלאכותית ולמידה מכונה בוגרת, נראה ביולוגיים סגורים, שהם אוטונומיים במידה רבה. במערכת כזו, הרכב של ראמן, NIR וחיישנים של פלואורסנס יאכילו מודל למידה עמוק שלא רק צופה סטיית תהליכים אלא גם מחליט האכלה אופטימלית, ספיגת גז, וטמפרטורות ללא התערבות אנושית.

מסקנה

חיישני אופטיים לא פולשניים עברו מעבר לשלב הסקרנות במעבדה כדי להפוך למרכיב חיוני של ביומניופיקציה מודרנית.מתאים חזקים בשקיות שימוש יחיד לאנליזה מתוחכמת של ראמן, אשר לכמת תריסר מטבוליטים בו זמנית, כלים אלה מציעים תובנה חסרת תקדים בתהליכים ביולוגיים ללא שיפור משמעותי של תרבות החיישנים, אך לא ניתן לשפר את היעילות הביולוגית והגמישות הפעילה של ההולכת, בעוד שעדיין לא מתקדמת יותר, כאשר הם ממשיכים להתעלם ממנה, כאשר הם ממשיכים להיות מודעים לחדשנות הפעילה, כאשר הם אינם מתקדמים יותר מדי, כאשר הם אינם מתקדמים, אלא מתחננים, אלא מתחננים, כאשר הם אינם מספקים יותר מדי, כאשר הם אינם מתקדמים יותר מדי, כאשר הם אינם מתקדמים יותר ויותר, כאשר הם נמצאים תחת לחץ על ידי אבטחה ביולוגית, כאשר הם נמצאים תחת לחץ על פני אקטיבית, כאשר הם אינם מספקים, כאשר הם נמצאים תחת לחץ דם פעיל, כאשר הם נמצאים תחת לחץ דם פעיל, כאשר הם נמצאים תחת לחץ על פני אקטיבית, כאשר הם נמצאים תחת אבטחה, כאשר הם נמצאים תחת לחץ דם פעיל, כאשר הם אינם מספקים, כאשר הם אינם מספקים, כאשר הם אינם מספקים, כאשר הם אינם מספקים, כאשר הם אינם מספקים, כאשר הם אינם מתקדמים יותר מדי, אלא מתחנן, כאשר