Numera(自动取样系统)和Lucullus(数据管理系统)联合Cedex Bio HT，实时监测葡萄糖浓度和反馈控制的研究

发布时间： 2020-08-14 23:26 来源：艾力特生物科技（上海）有限公司

来自瑞士Securecell公司的科学家们(Alexandra Hofer、Paul Kroll 和Christoph Herwig)，近期发表了题为“Glucose monitoring and control using Numera®, Lucullus® PIMS and Cedex® Bio HT Analyzer”的文章（原文阅读请至文末扫码，即可阅读全文），文中以模拟CHO培养过程为例，介绍了自动取样和样品处理系统Numera和工艺过程信息管理系统Lucullus(Lucullus PIMS)，并通过联合Cedex Bio HT生化分析仪，以葡萄糖为监测参数，展示了如何使用在线取样和实时数据传输技术，实现实时工艺监测和反馈控制的目的。

简介

生物工艺开发的目标，是要得到一个稳健高效的工艺，来生产有价值的产品。为了实现这一目标，相关的规范指导方针也规定了例如CPPs、kPPs或CMAs等概念，这些概念对工艺性能和产品质量都有重要的影响。实时的在线监控，可以更好的实现工艺的优化和控制(Figure 1)，对于每种工艺而言，以上列出的重要属性都要有对应的分析方法来分析，这就说明了分析方法的重要性，而新技术的产生，可以帮助科学家更好的理解每个工艺，得到稳定高效的工艺。

Figure 1科学的工艺设计可以通过遵循上图所呈现的循环来实现。在循环中，必须对工艺进行关键工艺参数、关键工艺参数和关键材料属性的表征，这些参数需要被监控、优化和控制

分析关键属性常用的分析方法是HPLC或者是酶学分析仪，比如Cedex Bio HT, 这些仪器很难有在线模式。为了缩短工艺和分析仪器的物理距离，就需要样品处理系统和匹配的数据传输和数据整合的工艺管理系统，才能实现Figure 1提到的数据监测和优化过程。Numera和Lucullus PIMS的结合为生物制药客户提供了完美的解决方案，其中Numera是一款可以连接不同分析仪器的自动取样和样品处理系统，Lucullus PIMS是一款可以集成所有工艺相关数据的管理系统，包括了工艺优化和反馈控制工具。下面以模拟CHO培养为例，介绍Numera、Lucullus PIMS以及Cedex Bio HT生化分析仪的联合使用的相关研究。

1.研究目的

阐述Numera和Lucullus PIMS，连接Cedex Bio HT，可以实现实时工艺监测和反馈控制的功能。

2.材料和方法

2.1硬件系统(3.6 L生物反应器、Numera以及Cedex Bio HT)

Numera系统将反应器和Cedex Bio HT连接，反应器装有pH和溶氧电极，同时连接气源(包括空气，氧气，二氧化碳和氮气)。所有以上设备都通过通讯接口和Lucullus PIMS系统连接。

Numera系统拥有以下6个模块，多路复用模块、控制模块、稀释模块、过滤模块、路由模块以及样品收集模块。样品收集模块用于收集处理后的样品并储存在4℃环境下，路由模块有两个作用：1)允许单个的样品处理程序(比如稀释和过滤的任意组合);2)样品通过它，更容易从样品收集模块传输到Cedex Bio HT或者其他分析仪器。取样操作的命令下达是通过Lucullus PIMS和Bio HT之间的软件接口实现的。整个操作过程包括：取样，处理，储存，最后通过路由模块将样品传输至Bio HT的固定位置。

Figure 2: 实验室基础设施有两个部分: i)实验室硬件和ii)控制系统的软件。应用硬件包括一个生物反应器系统(包括泵、天平等)，Numera配备了多路复用器、稀释、过滤和路由模块、自动样品收集模块以及CedexBio HT。黑线表示自动取样和分析的路径。在软件上，只需要Lucullus，它连接所有可用设备之间的通信以及并实现控制操作。

2.2 软件系统(Lucullus PIMS)

Lucullus PIMS具有过程信息管理系统的所有功能，可以用于各种工艺的设计、准备、执行和评估。此外，它还负责Numera和CedexBio HT之间的信号通信。分析数据返回到Lucullus PIMS中，可以与pH、温度或尾气等其它数据一起显示和处理。因此，在这个过程中，不需要其它额外的设备(Figure 2)。

2.3 CHO培养参数

设定值：pO2：40%;pCO2：12.5%;pH:7.00;温度：37℃。

自动取样和分析频率：1次/2小时或1次/30分钟

3.培养阶段

为了模拟细胞培养工艺，先向反应器中打入一定浓度的葡萄糖溶液，之后不断流加乳酸溶液，用来模拟葡萄糖消耗的过程。9.5小时后，再开始补加葡萄糖溶液，期间有很短的时间不做任何检测，然后再开启在线分析程序。

Lucullus PIMS中有一个PID控制器可以将葡萄糖浓度控制在10 mM，这种控制是基于所有设备之间的信号传输实现的。Numera完成取样操作，然后将样品输送到CedexBio HT进行分析，分析数据传输至Lucullus PIMS, 基于数据的分析，Lucullus PIMS控制泵速不断的添加葡萄糖，达到控制浓度的目的。

4.实验结果

在这个培养过程中，Bio HT检测葡萄糖、乳酸、氨基酸以及lgG，如果分析物超过了测试范围，则使用Bio HT进行自动稀释，这对批次阶段开始时的葡萄糖和批次阶段后期的乳酸都很重要。如果分析物的浓度低于测试范围，则没有数据传输到Lucullus PIMS。在批处理过程中，每2h取样分析一次，监测上述分析物的变化趋势。另外，每8h进行一次手动取样作为参考。两项测量结果一致，可以证明Numera自动化系统的可靠性(Figure 3 A)。为证明具备实时监测的功能，在一个批次中，采样频率增加到30分钟(Figure 3 B)。PS：对于Bio HT的应用软件版本，30分钟是最小的采样间隔。概括来说：取样的过程包括样品过滤，用时8分钟，转移样品大约需要4分钟，Bio HT的分析时间为19分钟。

Figure 3:曲线A表示的检测结果，葡萄糖(亮蓝色)，乳酸(红色)和铵盐(紫色)

手动取样的检测数据以黑丝标记。曲线B表示的是高频率在线测量下的谷氨酰胺(绿色圆圈)和产品(绿色倒三角形)

实验表明，当Lucullus PIMS没有收到分析结果时，泵的设定值保持不变。当Lucullus PIMS收到一个分析结果后，其中的PID控制器完全可以做到以下两点，1、调节浓度到设定值;2、偏差约为3%(Figure 4)。

Figure 4: 整个图形分为3个部分：9.5 h前是监测阶段;8-12 h是没有启动反馈控制的阶段;12 h之后启动反馈控制

5.结论

以上实验，采用Numera进行采样和样品处理，Lucullus PIMS作为数据管理和控制的系统，成功建立了CedexBio HT分析仪与生物反应器系统的连接。该演示是基于底物、代谢物和产品监测，通过模拟CHO培养过程进行的。在演示中，最小的采样和分析间隔为30分钟，随着Cedex Bio HT 分析仪的应用软件(5.1.1.1801版)更新，该仪器和Lucullus PIMS的反馈通信间隔时间可以进一步缩短。此外，葡萄糖浓度反馈控制实验表明，控制在设定值的偏差约3%。综上所述，Numera和Lucullus PIMS的结合缩小了工艺和分析之间的物理距离和耗时。因此，Figure 1中展示的检测、监控、优化以及控制的工艺开发循环是完全可以实现的。

参考文献

[1] Guideline IHT (2011). “Development and manufacture of drug substances (chemical entities and biotechnological/biological entities) Q11”, London: European medicines agency

[2] Kroll, P. et al (2017), “Model-Based Methods in the Biopharmaceutical Process Lifecycle”, Pharmaceutical Research, 34 (12), 2596–2613

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