La spectroscopie offre un moyen rapide et précis de surveiller les milieux de culture dans la production de viande cultivée. En suivant les nutriments comme le glucose et la glutamine en temps réel, elle aide à optimiser la croissance cellulaire et à maintenir la qualité. Deux méthodes clés se distinguent :
- Spectroscopie NIR : Fonctionne dans la gamme de 780 à 2 500 nm, idéale pour suivre les nutriments et métabolites comme le glucose et le lactate. Elle est rentable et s'intègre facilement aux bioréacteurs, mais peut être perturbée par les signaux de l'eau.
- Spectroscopie Raman : Utilise la diffusion inélastique de la lumière pour fournir des données moléculaires très spécifiques. Elle fonctionne bien dans les environnements dominés par l'eau, offrant une précision pour les métabolites comme le lactate et le glucose, mais avec des coûts plus élevés.
Les deux méthodes soutiennent les systèmes automatisés pour la distribution de nutriments et la détection de contamination, améliorant l'efficacité et réduisant les risques d'échantillonnage manuel.Les plateformes comme
Spectroscopie NIR pour l'analyse des milieux de culture
Comment fonctionne la spectroscopie NIR
La spectroscopie proche infrarouge (NIR) opère dans la plage de longueurs d'onde de 780 nm à 2 500 nm, se concentrant sur la détection des harmoniques et des bandes de combinaison des vibrations moléculaires fondamentales [7]. Cela la rend particulièrement efficace pour identifier des liaisons comme C-H, O-H, et N-H, que l'on trouve couramment dans des molécules telles que le glucose, les acides aminés et les protéines.
Le processus implique de faire passer la lumière NIR à travers le milieu de culture et de mesurer la quantité de lumière absorbée à différentes longueurs d'onde. Chaque molécule produit un motif spectral unique, ou "empreinte digitale", qui fournit des informations sur la composition du milieu.Cependant, en raison du chevauchement fréquent des bandes spectrales, des techniques chimiométriques avancées comme la régression des moindres carrés partiels sont nécessaires pour extraire des données quantitatives précises [1].
L'un des avantages remarquables de la spectroscopie NIR est qu'elle est non invasive. Les sondes peuvent être directement intégrées dans les bioréacteurs en utilisant des ports Ingold standard, et elles sont conçues pour résister aux cycles de stérilisation (SIP/CIP), garantissant qu'elles respectent les normes d'hygiène industrielle [10]. Cette capacité à mesurer sans perturber le processus fait de la NIR un outil précieux pour la surveillance des milieux de culture.
Applications de la NIR dans la Surveillance des Milieux de Culture
La spectroscopie NIR est largement utilisée pour suivre les nutriments et métabolites critiques, tels que le glucose, la glutamine, les acides aminés, le lactate, l'ammoniac et le nombre total de cellules (TCC) [6][8].En fournissant des données en temps réel, cela aide les producteurs à détecter tôt l'épuisement des nutriments, prévenant ainsi les impacts sur la viabilité cellulaire, ou à identifier les sous-produits toxiques avant qu'ils ne s'accumulent.
Des études ont démontré les avantages pratiques de la NIR. Par exemple, une enquête a utilisé la NIR pour la surveillance en ligne dans un bioréacteur à cuve agitée, atteignant des erreurs de prédiction de 1,54 mM pour le glucose et 0,83 mM pour le lactate [8]. Pour les processus de viande cultivée, où les cellules se développent sur des microporteurs, une calibration spécifique au système est cruciale en raison des effets de diffusion de la lumière causés par les billes. La recherche chez Sanofi Pasteur a appliqué avec succès la NIR pour surveiller les cellules Vero cultivées sur des microporteurs Cytodex 1, atteignant des précisions de prédiction de 0,36 g/l pour le glucose et 0,29 g/l pour le lactate [9]. Ces résultats soulignent l'importance d'une calibration adaptée pour différents systèmes.
"La spectroscopie NIR (NIRS) est un outil PAT in situ prometteur... fournissant un spectre représentatif de la 'signature' de tous les composants présents dans la solution analysée."
- Annie Marc, Biochimie des procédés [9]
Une autre utilisation croissante de la NIR est la création de profils de "lot doré" - des références qui représentent la performance optimale du processus. Les opérateurs peuvent comparer les exécutions actuelles à ces profils en temps réel. Par exemple, des chercheurs de l'Université Leibniz de Hanovre ont utilisé la NIR pour surveiller les cultures cellulaires CHO-K01 dans un bioréacteur de 7,5 litres. Leur système a détecté une contamination bactérienne dans le "Lot 3" seulement 30 heures après le début du processus, car les lectures NIR ont dépassé les limites de processus définies [4].
Principes de la spectroscopie NIR – Comment fonctionne la spectroscopie NIR ?
Spectroscopie Raman pour l'analyse des milieux de culture
Alors que la spectroscopie NIR est excellente pour déchiffrer les bandes d'absorbance qui se chevauchent, la spectroscopie Raman emprunte une voie différente. Elle utilise la diffusion inélastique de la lumière pour explorer la structure moléculaire, offrant une méthode d'analyse complémentaire.
Comment fonctionne la spectroscopie Raman
La spectroscopie Raman fonctionne en projetant un laser de 785 nm sur un échantillon et en capturant les photons qui se dispersent de manière inélastique. Lorsque ces photons interagissent avec des molécules, des décalages d'énergie se produisent en raison des mouvements vibrationnels. Ces décalages créent une "empreinte" spectrale unique, révélant la structure moléculaire de composants tels que les protéines, les lipides, les acides nucléiques et les sucres [12][5].
La principale distinction par rapport à la spectroscopie NIR réside dans ce que mesure Raman.Au lieu de détecter les changements de moment dipolaire, Raman se concentre sur les changements de polarisabilité des liaisons moléculaires pendant la vibration [5]. Cette différence le rend particulièrement utile pour les applications de viande cultivée. Pourquoi ? Parce que l'eau, qui domine les milieux de culture, est presque invisible à la détection de Raman. Cela signifie que Raman peut "voir à travers" l'eau pour détecter de petites quantités de nutriments et de métabolites, évitant ainsi les interférences qui compliquent souvent les méthodes infrarouges [11][12][5].
La spectroscopie Raman génère des signaux spécifiques à l'analyte qui ne se chevauchent pas avec les signaux de l'eau... ce qui est particulièrement avantageux pour les applications dans les cultures cellulaires, où la matrice est principalement aqueuse.
- Morandise Rubini, Chercheur, Université de Tours [12]
Cependant, comme les bandes spectrales peuvent se chevaucher, des modèles mathématiques avancés tels que les moindres carrés partiels ou l'analyse en composantes principales sont souvent utilisés pour extraire des données quantitatives précises à partir des spectres nets et spécifiques [12][13][14].
Applications Raman dans la Surveillance des Milieux de Croissance
Grâce à sa capacité à produire des empreintes moléculaires détaillées, la spectroscopie Raman est devenue un outil puissant pour la surveillance en ligne dans les environnements de production. Agissant comme un capteur optique, elle suit la consommation de nutriments - comme le glucose et la glutamine - et la production de sous-produits métaboliques, tels que le lactate et l'ammoniac [14]. Ce retour d'information en temps réel permet des ajustements automatisés, tels que l'optimisation des calendriers d'alimentation en nutriments pour améliorer l'efficacité.
Par exemple, en avril 2025, des chercheurs ont utilisé un Viserion spectromètre Raman dans cinq cultures cellulaires CHO de 10 litres, obtenant des prédictions très précises (e.g., RMSEP de 0,51 g/l pour le glucose) [12]. De même, en mars 2018, une équipe du Cell and Gene Therapy Catapult à Londres a utilisé un système Raman en ligne (Kaiser Optical Systems RamanRxn2™ analyseur) pour surveiller la production de cellules T autologues. Ils ont suivi les niveaux de glucose (R = 0,987) et de lactate (R = 0,986) avec précision, identifiant les changements métaboliques spécifiques aux donneurs et les taux de prolifération sans avoir besoin d'échantillonnage manuel [14] .
Au-delà des nutriments et des sous-produits, la spectroscopie Raman surveille également la concentration cellulaire, évalue la viabilité cellulaire et détecte les dangers potentiels tels que Salmonella ou E. coli. Cela garantit la cohérence entre les lots et fournit un moyen fiable de caractériser les composants des milieux [11][1][14][15].
NIR vs Raman : Quelle méthode utiliser
Comparaison de la spectroscopie NIR et Raman pour l'analyse des milieux de culture
Le choix entre la spectroscopie NIR et Raman dépend de vos analytes spécifiques, de votre budget et de la configuration de votre système.
Facteurs de comparaison
La spectroscopie Raman se distingue par sa capacité à fournir des informations moléculaires très spécifiques.Il génère des "empreintes digitales" spectrales nettes et distinctes, ce qui facilite l'identification des composés individuels. D'autre part, la spectroscopie NIR produit des bandes larges et chevauchantes qui nécessitent des outils chimiométriques avancés pour l'analyse [1]. Cela rend le Raman particulièrement utile pour suivre avec précision des métabolites spécifiques.
L'absorption d'eau dans le NIR peut masquer les signaux nutritifs, tandis que la faible sensibilité du Raman à l'eau assure une détection plus claire. Cependant, le Raman n'est pas sans défis - il peut rencontrer des interférences dues à la fluorescence de fond causée par des composés biologiques comme les hydrolysats de protéines [1].
Des recherches impliquant des bioréacteurs de cellules CHO ont démontré que le Raman surpasse le NIR dans la prédiction du glucose, du lactate et des anticorps, tandis que le NIR est plus efficace pour la glutamine et les ions ammonium [2]. Une étude menée en mars 2017 par R.C.Rowland-Jones à l'Université de Leeds a en outre soutenu les forces de Raman, montrant qu'il était plus fiable pour mesurer le lactate (RMSECV 1,11 g/L) et le glucose (RMSECV 0,92 g/L) dans des bioréacteurs miniatures de 15 mL [16] .
D'un point de vue coût, les systèmes NIR sont généralement plus abordables en raison de leurs sources lumineuses plus simples. Les systèmes Raman, cependant, nécessitent des lasers et des détecteurs avancés, ce qui les rend plus coûteux [1].Le tableau ci-dessous met en évidence ces différences clés :
| Facteur | Spectroscopie NIR | Spectroscopie Raman |
|---|---|---|
| Spécificité | Inférieure ; bandes larges et chevauchantes [1] | Supérieure ; "empreintes digitales" moléculaires nettes [1] |
| Interférence de l'eau | Élevée ; forte absorption de l'eau [2] | Faible ; l'eau est un faible diffuseur [2] |
| Meilleur pour | Glutamine, ammonium, surveillance de la biomasse [2] | Glucose, lactate, titres d'anticorps [2, 19] |
| Coût | Généralement plus bas ; lampes et optiques simples [1] | Généralement plus élevé ; nécessite des lasers et des détecteurs [1] |
| Longueur de chemin | Plus long ; s'adapte aux parois des conteneurs [6] | Plus court ; nécessite une interface d'échantillon directe [6] |
| Interférence principale | Diffusion physique des cellules/particules [6] | Fluorescence de fond des biomolécules [2] |
Ensuite, nous explorerons comment appliquer les données de spectroscopie pour l'optimisation en temps réel des médias en production.
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Utilisation des données de spectroscopie en production
Optimisation des médias en temps réel
La spectroscopie transforme les données brutes en informations exploitables, rationalisant la distribution des nutriments dans les processus de production. En permettant une surveillance simultanée et non invasive des paramètres clés tels que le glucose, le lactate, la glutamine et l'ammonium, elle assure une optimisation continue des cultures. Par exemple, lorsque les niveaux de glucose descendent en dessous de la plage idéale, le système déclenche automatiquement l'apport de nutriments. Cela prévient la famine cellulaire et réduit le risque d'accumulation de sous-produits toxiques [2].
Créer des trajectoires de "Golden Batch" à partir de séries de production optimales permet une identification précoce des problèmes, tels que la contamination ou les problèmes d'aération [4].Les systèmes modernes vont plus loin - la spectroscopie NIR, par exemple, peut estimer les concentrations en nutriments avec une précision à 15% près des méthodes de référence traditionnelles. Dans des bioréacteurs à grande échelle contenant jusqu'à 12 500 litres, l'analyse en composantes principales des données NIR a expliqué 96% de la variabilité du processus [17].
Ce flux constant de données s'intègre parfaitement aux systèmes de bioréacteurs, permettant un contrôle de processus automatisé pour maintenir la cohérence et l'efficacité.
Connexion de la Spectroscopie aux Systèmes de Bioréacteurs
L'intégration de la spectroscopie avec les systèmes de bioréacteurs porte les données en temps réel à un niveau supérieur, permettant un contrôle de rétroaction entièrement automatisé. Des sondes immergées, capables de résister aux cycles de stérilisation et à haute pression, transmettent les données en temps réel directement aux unités de contrôle des bioréacteurs [6].
Une étude menée en septembre 2018 à l'Université de Lorraine a comparé des sondes Raman et NIR in situ fonctionnant en parallèle dans un bioréacteur de cellules CHO de 2 litres. Les résultats ont montré que la spectroscopie Raman était plus efficace pour détecter le glucose et le lactate, tandis que le NIR était plus efficace pour surveiller la glutamine et l'ammonium. Combiner les forces des deux méthodes offre la surveillance en temps réel la plus complète pour la production de viande cultivée [2].
Les données de spectroscopie alimentent également les systèmes de Contrôle Statistique de Processus Multivarié (MSPC), qui comparent en continu les lots en cours aux normes établies de Lot d'Or. Cette approche permet aux opérateurs de détecter les écarts - qu'ils soient causés par une contamination, des pénuries de nutriments ou des pannes d'équipement - en quelques heures au lieu de jours. Le résultat est une efficacité améliorée et une plus grande cohérence dans la production [4].
Approvisionnement en équipements de spectroscopie via Cellbase
Pourquoi utiliser Cellbase pour les équipements de spectroscopie
Choisir le bon équipement de spectroscopie pour la production de viande cultivée peut ressembler à un labyrinthe de détails techniques. Avec des spectromètres polyvalents offrant des milliers de configurations [18], il est facile de se sentir dépassé sans l'expertise adéquate.
C'est là que
Caractéristiques clés de Cellbase pour l'approvisionnement en équipements
De plus, l'expertise de
Conclusion
La spectroscopie NIR et Raman joue un rôle crucial dans l'affinement des milieux de croissance pour la viande cultivée. Ces techniques avancées permettent une surveillance en temps réel et non invasive des analytes clés comme le glucose, le lactate et l'ammonium.Cela signifie que les équipes de production peuvent effectuer des ajustements rapides sans interrompre le processus - un avantage vital étant donné que la conception des médias reste l'un des plus grands défis dans l'augmentation de la production de viande cultivée [16][19].
Chaque méthode apporte ses propres forces à la table. La spectroscopie NIR excelle dans l'évaluation de la biomasse et de la composition globale, tandis que la spectroscopie Raman fournit des informations détaillées sur des métabolites spécifiques dans des solutions aqueuses [1]. Lors des études sur des bioréacteurs miniatures, la spectroscopie Raman a démontré une précision prédictive impressionnante, en faisant un choix fiable pour des mesures précises [16] . Les deux techniques soutiennent également le développement d'un profil de "lot doré", permettant aux opérateurs de détecter des problèmes tels que la contamination bactérienne ou les problèmes d'aération dès qu'ils surviennent [4].
Lorsqu'il s'agit de choisir le bon équipement de spectroscopie, le processus peut être intimidant. C'est là que
Le professeur Alan G. Ryder souligne l'importance de ces méthodes :
Les méthodes spectroscopiques rapides, si elles sont correctement appliquées, peuvent être utilisées pour le dépistage rapide et efficace des milieux de culture cellulaire afin d'identifier les variations moléculaires et les problèmes potentiels liés à la fabrication des milieux [1].
FAQs
Quels sont les avantages de l'utilisation de la spectroscopie dans la production de viande cultivée ?
Les techniques de spectroscopie comme le proche infrarouge (NIR) et Raman apportent des outils précieux à l'industrie de la viande cultivée. Elles permettent une surveillance en temps réel et non invasive des milieux de culture, rendant possible le suivi continu des nutriments, des métabolites et de la densité cellulaire - sans avoir besoin de prélever des échantillons ou d'utiliser des réactifs supplémentaires. Ce niveau de surveillance aide à maintenir un contrôle plus strict du processus et accélère les ajustements de la composition des milieux, ce qui est essentiel pour garantir une qualité constante lors de l'augmentation de la production.
Ces méthodes sont également efficaces et économiques. Avec une seule mesure, elles peuvent analyser plusieurs composants à la fois - tels que les acides aminés, les sucres et les lipides - éliminant ainsi le besoin de tests chimiques séparés.Cela réduit à la fois les coûts de main-d'œuvre et de matériel tout en fournissant des données qui peuvent améliorer les modèles prédictifs, aidant à standardiser la qualité et à réduire la variabilité entre les lots.
Un autre avantage est la facilité avec laquelle la spectroscopie peut s'intégrer aux systèmes automatisés. Par exemple, des sondes NIR peuvent être installées directement dans les bioréacteurs pour fournir des données continues, permettant des ajustements automatisés des paramètres critiques tels que les taux d'alimentation ou la température. Pour ceux qui ont besoin d'équipements spécialisés,
Quelles sont les principales différences entre la spectroscopie NIR et Raman pour l'analyse des milieux de culture dans la production de viande cultivée ?
La spectroscopie proche infrarouge (NIR) est parfaite pour une surveillance rapide et non invasive de la composition globale des milieux de culture.Sa capacité à fournir un contrôle en ligne ou intégré signifie qu'il peut fournir des données en temps réel, aidant les producteurs à effectuer des ajustements immédiats pendant le processus de production.
D'autre part, la spectroscopie Raman offre une empreinte moléculaire précise, ce qui en fait un choix
Pourquoi la surveillance en temps réel du milieu de culture est-elle importante pour la production de viande cultivée?
La surveillance en temps réel joue un rôle clé pour maintenir le milieu de culture optimal pour la production de viande cultivée. En surveillant de près les nutriments, les métabolites et la santé des cellules, les producteurs peuvent rapidement ajuster les conditions pour maintenir une croissance cellulaire stable et améliorer la qualité du produit final.
Cette méthode pratique élimine le temps d'attente associé aux tests hors ligne traditionnels, conduisant à de meilleurs rendements et moins de déchets. Elle garantit également une utilisation plus efficace des ressources, rationalisant le processus de production et augmentant la fiabilité.
