拉曼過程分析技術在細胞治療生物工藝中的應用
細胞療法在治療復雜疾病方面有著很大的貢獻。隨著越來越多的這類療法得到上市許可，其涉及到的生物工藝也越來越受到人們更多的關注，最近來自細胞與基因療法制造中心的B Marc-Olivier等人的研究中，使用拉曼光譜作為在線光學傳感器，檢測一個自體T細胞免疫治療模型的生物工藝過程，該過程在一個生物反應器中進行。通過使用標準生物學分析方法測定參考數(shù)據(jù)，開發(fā)了基于拉曼光譜的化學計量學模型，用于測定葡萄糖、谷氨酰胺、乳酸鹽和氨的含量，使得對過程性能進行即時反饋成為可能。
介紹
在細胞療法生物過程中，根據(jù)設計質(zhì)量原則(QbD)開發(fā)工藝。QbD的一個關鍵促成因素是實施過程分析技術(PAT)，在這里，作者展示了拉曼光譜在生物反應器系統(tǒng)中監(jiān)測T細胞培養(yǎng)的應用。通過化學計量學建模，以in-line的方式實時追蹤代謝過程的多個標記物，并與以at-line方式測量的質(zhì)譜和生物分析技術的測量結(jié)果相關聯(lián)。這些結(jié)果顯示，在細胞療法生物過程中實時在線監(jiān)測的發(fā)展已經(jīng)向前邁出了重要一步，這為提高細胞療法生物過程的一致性開辟了新的機會。
材料和方法
圖1 ：RamanRxn2原位收集拉曼光譜分析儀
來自四名健康獻血者的新鮮的外周血，分離CD4+/CD8+細胞的陽性T細胞，采用300ml微型生物反應器系統(tǒng)中進行T細胞活化和擴增。在每個實驗中，來自四個不同供體的T細胞庫平行培養(yǎng)12天。使用相同的四個T細胞庫進行了總共三次實驗。每天對生物反應器進行取樣測量葡萄糖、乳酸、谷氨酰胺、谷氨酸和氨濃度的離線參考數(shù)據(jù)。
拉曼光譜用RamanRxn2原位收集拉曼光譜分析儀采集(參見圖1)，配有四個不銹鋼浸入式探頭。拉曼探頭通過高壓滅菌進行消毒。激光器激發(fā)波長為785 nm，功率為400 mW，分辨率4cm-1。的光譜收集間隔：進行75次掃描，每次掃描10秒。
結(jié)果
所有T細胞培養(yǎng)物在 300 mL生物反應器中保持12天，該反應器包含拉曼光譜探頭和pH傳感器、溫度傳感器和DO傳感器。這些過程持續(xù)12天，第7天最后一次補料，以檢查細胞對耗盡的營養(yǎng)的反應。為了證明初代細胞材料常見的變異性，對來自四個獨立供體的白細胞分離材料進行T細胞計數(shù)，并在T細胞分離前后對CD4和CD8群體進行計數(shù)，供者之間輸入材料中的總T細胞計數(shù)在1.42×109到2.89×109之間變化。根據(jù)離線數(shù)據(jù)和模型輸出之間的相關性，對最佳模型擬合進行了如下排序：葡萄糖(R=0.987)、乳酸(R=0.986)、氨(R=0.936)、谷氨酰胺(R=0.922)和谷氨酸(R=0.829)。葡萄糖、乳酸和谷氨酰胺的化學計量學模型與參考數(shù)據(jù)很好地相關，并準確預測了從第5天細胞代謝和增殖率開始增加以后，葡萄糖和谷氨酰胺的消耗和乳酸的產(chǎn)生。將與離線測量相關的誤差評估變異系數(shù)(CV)。葡萄糖、乳酸、谷氨酰胺，谷氨酸和氨的CV分別為0.9%、1.1%、1.2%， 3.7%，和1.7%。細胞濃度的變異系數(shù)為4.0%，細胞活力的變異系數(shù)為1.3%。因此，在隨后的分析中觀察到的所有趨勢都是顯著的。拉曼化學計量學模型以良好的相關性跟蹤參考測量值，并顯示了該技術作為PAT傳感器的潛力(參見圖2，圖3)。
圖2 ：葡萄糖、乳酸、谷氨酰胺、谷氨酸和氨的化學計量學模型，顯示每24小時收集的參考生物分析儀測量值與連續(xù)拉曼化學計量學分析之間的相關性。顯示了所有四個供體的單個生物培養(yǎng)過程的數(shù)據(jù)。
圖3 ：與匹配的單變量拉曼模型相比，所有供體和所有運行的細胞濃度和活力的離散時間過程數(shù)據(jù)。
討論
生物反應器系統(tǒng)用于細胞治療的生物培養(yǎng)過程中，提供在線傳感器，可用于常規(guī)實時監(jiān)測物理參數(shù)，如pH、溶解氧和溫度。然而，在培養(yǎng)系統(tǒng)中測量與細胞行為相關的生物學和功能參數(shù)要復雜得多。在本研究中，作者應用在線拉曼光譜作為光學傳感器，實時監(jiān)測免疫治療生物過程中T細胞的代謝和增值。其主要目的是證明利用拉曼光譜監(jiān)測營養(yǎng)物質(zhì)(葡萄糖、谷氨酰胺)的消耗和與細胞代謝相關的標記物(乳酸、谷氨酸和氨)的產(chǎn)生是可行的。
本研究中提供的數(shù)據(jù)證明了在細胞療法生物過程中使用拉曼光譜儀實時監(jiān)測細胞功能行為的潛力。這是第一份應用拉曼技術監(jiān)測細胞療法生物模型中營養(yǎng)消耗和代謝物產(chǎn)生的報告。對這些關鍵參數(shù)進行實時測量的能力可以提供對工藝性能的即時反饋，并使拉曼光譜儀成為改進未來細胞治療制造工藝的一個有吸引力的PAT系統(tǒng)。
參考文獻
[1] Marc-Olivier, B. , Daniela, B. , Enas, H. , & Damian, M. . (2018). Application of raman spectroscopy and univariate modelling as a process analytical technology for cell therapy bioprocessing. Frontiers in Medicine, 5, 47.
