佐治亞理工學院的研究生助理Mason Chilmonczyk在反應(yīng)離子蝕刻工具中的等離子體蝕刻步驟之后檢查器件。這項工作正在電子和納米技術(shù)研究所的Marcus Building潔凈室進行。圖片來源：喬治亞理工學院的Rob Felt

研究人員已經(jīng)展示了一種用于監(jiān)測特定生物分子的綜合技術(shù)-例如生長因子-可以指示為基于細胞的療法的新興領(lǐng)域生產(chǎn)的活細胞培養(yǎng)物的健康狀況。

利用微流體技術(shù)推進化學復(fù)雜生物反應(yīng)器環(huán)境中樣品的制備，研究人員利用電噴霧電離質(zhì)譜（ESI-MS）提供在線監(jiān)測，他們認為這將為治療細胞生產(chǎn)提供一種精確的質(zhì)量控制。徹底改變了其他制造工藝。

格魯吉亞理工學院喬治W.伍德拉夫機械工程學院的伍德拉夫教授安德烈·費奧多羅夫說：“今天細胞療法的生產(chǎn)方式非常具有藝術(shù)性。” “過程控制必須非常迅速地發(fā)展，以支持當今基礎(chǔ)科學中出現(xiàn)的治療應(yīng)用。我們認為這項技術(shù)將幫助我們實現(xiàn)將這些令人興奮的基于細胞的療法廣泛應(yīng)用的目標。”

通過測量非常低濃度的細胞分泌或排泄的特定化合物，該技術(shù)還可以幫助確定哪些生物分子 - 大小各異 - 應(yīng)該進行監(jiān)測，以指導(dǎo)細胞健康的控制。最終，研究人員希望將無標記監(jiān)測直接整合到大批量生物反應(yīng)器中，這些生物反應(yīng)器將生產(chǎn)數(shù)量足夠大的細胞，以便以合理的成本和一致的質(zhì)量提供新療法。動態(tài)質(zhì)譜探針（DMSP）的開發(fā)得到美國國家科學基金會（NSF）細胞制造技術(shù)工程研究中心（CMaT）的支持，該工作研究中心總部位于佐治亞理工學院。這項工作于9月10日在“ 生物技術(shù)與生物工程 ”雜志上發(fā)表。

傳統(tǒng)的ESI-MS技術(shù)通過精確鑒定復(fù)雜的生物化合物，徹底改變了分析化學。由于復(fù)雜的樣品制備要求，ESI-MS的現(xiàn)有方法需要太多時間來用于連續(xù)監(jiān)測生物反應(yīng)器中的細胞生長，其中維持細胞健康的特定指標的窄參數(shù)是關(guān)鍵的。生物樣品還含有鹽，必須在引入ESI-MS系統(tǒng)之前將其除去。為了加快分析過程，F(xiàn)edorov和一個包括研究生研究助理Mason Chilmonczyk和研究工程師Peter Kottke的團隊使用微流體技術(shù)幫助將化合物與鹽分開。除鹽使用單片裝置，其中具有納米級孔的尺寸選擇性膜置于兩個流體流之間，一個是從生物反應(yīng)器中抽取的化學復(fù)合樣品，另一個是含有調(diào)理化合物的無鹽水。較小的鹽分子容易擴散出取樣的生物反應(yīng)器流過納米孔，而較大的生物分子大部分保留用于隨后的ESI-MS分析。同時，化學添加劑同時通過相同的膜納米孔引入樣品混合物中以增強取樣混合物中目標生物分子的電離，以改進ESI-MS分析。

“我們已經(jīng)使用先進的微制造技術(shù)來制造一種能夠在不到一分鐘內(nèi)處理樣品的微流體裝置，”Chilmonczyk說。“傳統(tǒng)的樣品制備可能需要數(shù)小時到數(shù)天。”該工藝目前可以去除多達99％的鹽，同時保留80％的生物分子。調(diào)理化學品的引入允許分子接受更大的電荷，提高質(zhì)譜儀檢測低濃度生物分子的能力，并測量大分子。

“我們可以檢測出質(zhì)譜儀通常無法檢測到的高分子量分子，”Fedorov說。“目標分子的大小差異可能是顯著的，因此在廣泛的分析物分子量范圍內(nèi)檢測限的提高將使這種技術(shù)在細胞制造中更有用。”

因為它們使用最先進的微制造技術(shù)，所以可以批量生產(chǎn)DMSP裝置，允許按比例放大采樣以包括多個低成本的生物反應(yīng)器。小尺寸的器件通道 - 只有5微米高 - 允許系統(tǒng)產(chǎn)生小至20納升的樣品 - 有可能將其減少到只有一納升。“我們需要在生產(chǎn)線的這個混亂的環(huán)境中監(jiān)測小濃度的大型生物分子，以便我們可以隨時檢查細胞是如何進行的，”Fedorov說。“該系統(tǒng)可以持續(xù)監(jiān)測某些分子是否以降低或增加的速率排出或分泌。通過將這些測量與細胞健康和效力相關(guān)聯(lián)，我們可以改善制造過程。”

在將分析技術(shù)應(yīng)用于質(zhì)量控制之前，研究人員必須首先確定指示生長細胞健康的生物分子。通過在細胞附近局部采樣生物反應(yīng)器內(nèi)容并允許識別極少量的生物化學物質(zhì)，DMSP技術(shù)可以幫助研究人員識別分子濃度的變化 - 從皮摩爾到微摩爾 - 可能表明狀態(tài)生物反應(yīng)器中的細胞。這將及時調(diào)整生物反應(yīng)器中的條件以恢復(fù)到健康細胞生長狀態(tài)。“在這種情況下，我們經(jīng)常看不到森林的樹木，”費奧多羅夫說。“有很多可用的材料，但是我們正在尋找一些表明細胞健康狀況的樹木。由于森林長滿了，我們需要檢查的少數(shù)幾棵樹很難找到。這是一個技術(shù)上的巨大挑戰(zhàn)。“

更多信息： Mason A. Chilmonczyk等。用于ESI-MS監(jiān)測生物反應(yīng)器的動態(tài)質(zhì)譜探針（DMSP），用于治療細胞制造，生物技術(shù)和生物工程（2018）。DOI：10.1002 / bit.26832 期刊參考： 生物技術(shù)和生物工程

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