분광법은 배양육 생산에서 배양 배지 모니터링을 위한 빠르고 정확한 방법을 제공합니다. 포도당과 글루타민과 같은 영양소를 실시간으로 추적하여 세포 성장을 최적화하고 품질을 유지하는 데 도움을 줍니다. 두 가지 주요 방법이 돋보입니다:
- NIR 분광법: 780–2,500 nm 범위에서 작동하며, 포도당과 젖산과 같은 영양소와 대사산물을 추적하는 데 이상적입니다. 비용 효율적이며 생물 반응기와 쉽게 통합되지만 물 신호로 인한 간섭이 발생할 수 있습니다.
- 라만 분광법: 비탄성 광산란을 사용하여 매우 구체적인 분자 데이터를 제공합니다. 물이 지배적인 환경에서 잘 작동하며 젖산과 포도당과 같은 대사산물에 대한 정밀성을 제공하지만 비용이 더 높습니다.
두 방법 모두 영양소 공급 및 오염 감지를 위한 자동화 시스템을 지원하여 효율성을 높이고 수동 샘플링 위험을 줄입니다.플랫폼은
성장 배지 분석을 위한 NIR 분광법
NIR 분광법의 작동 원리
근적외선(NIR) 분광법은 780 nm에서 2,500 nm의 파장 범위 내에서 작동하며, 기본 분자 진동의 오버톤 및 결합 밴드를 감지하는 데 중점을 둡니다 [7]. 이는 특히 C-H, O-H, N-H과 같은 결합을 식별하는 데 효과적이며, 이러한 결합은 포도당, 아미노산, 단백질과 같은 분자에서 흔히 발견됩니다.
이 과정은 성장 배지를 통해 NIR 빛을 비추고 다양한 파장에서 얼마나 많은 빛이 흡수되는지를 측정하는 것을 포함합니다. 각 분자는 고유한 스펙트럼 패턴 또는 "지문"을 생성하여 배지의 구성에 대한 통찰력을 제공합니다.그러나 스펙트럼 밴드가 종종 겹치기 때문에, 부분 최소 제곱 회귀와 같은 고급 화학계량 기법이 정밀한 정량 데이터를 추출하는 데 필요합니다 [1].
NIR 분광법의 두드러진 이점 중 하나는 비침습적이라는 것입니다. 프로브는 표준 Ingold 포트를 사용하여 바이오리액터에 직접 통합될 수 있으며, 멸균 사이클(SIP/CIP)을 견딜 수 있도록 제작되어 산업 위생 기준에 부합합니다 [10]. 프로세스를 방해하지 않고 측정할 수 있는 이 능력은 NIR을 성장 배지 모니터링에 유용한 도구로 만듭니다.
성장 배지 모니터링에서의 NIR 응용
NIR 분광법은 포도당, 글루타민, 아미노산, 젖산, 암모니아 및 총 세포 수(TCC)와 같은 중요한 영양소와 대사산물을 추적하는 데 널리 사용됩니다 [6][8].실시간 데이터를 제공함으로써, 이는 생산자들이 영양소 고갈을 조기에 감지하여 세포 생존성에 미치는 영향을 방지하거나 독성 부산물이 축적되기 전에 이를 식별하는 데 도움을 줍니다.
NIR의 실용적인 이점은 여러 연구에서 입증되었습니다. 예를 들어, 한 연구에서는 교반 탱크 생물 반응기에서 온라인 모니터링을 위해 NIR을 사용하여 포도당 1.54 mM 및 젖산 0.83 mM [8]의 예측 오류를 달성했습니다. 미세 담체에서 세포가 성장하는 배양육 공정에서는 구슬에 의해 발생하는 빛 산란 효과로 인해 시스템별 보정이 중요합니다. Sanofi Pasteur의 연구에서는 Cytodex 1 미세 담체에서 성장한 Vero 세포를 모니터링하기 위해 NIR을 성공적으로 적용하여 포도당 0.36 g/l 및 젖산 0.29 g/l [9]의 예측 정확도를 달성했습니다. 이러한 결과는 다양한 시스템에 맞춘 보정의 중요성을 강조합니다.
"NIR 분광법(NIRS)은 분석된 용액에 존재하는 모든 성분의 '서명'을 대표하는 스펙트럼을 제공하는 유망한 대안 현장 PAT 도구입니다."
- Annie Marc, Process Biochemistry [9]
NIR의 또 다른 성장하는 사용은 "골든 배치" 프로필을 만드는 것입니다 - 최적의 프로세스 성능을 나타내는 벤치마크입니다. 운영자는 현재 실행을 실시간으로 이러한 프로필과 비교할 수 있습니다. 예를 들어, Leibniz Universität Hannover의 연구원들은 7.5리터 바이오리액터에서 CHO-K01 세포 배양을 모니터링하기 위해 NIR을 사용했습니다. 그들의 시스템은 NIR 판독값이 정의된 프로세스 한계를 초과함에 따라 프로세스 시작 30시간 만에 "Batch 3"에서 박테리아 오염을 감지했습니다 [4].
NIR 분광법의 기초 – NIR 분광법은 어떻게 작동하나요?
배양 배지 분석을 위한 라만 분광법
NIR 분광법이 중첩된 흡수 밴드를 해독하는 데 뛰어난 반면, 라만 분광법은 다른 경로를 택합니다. 이는 비탄성 광산란을 사용하여 분자 구조를 탐구하며, 보완적인 분석 방법을 제공합니다.
라만 분광법의 작동 원리
라만 분광법은 785 nm 레이저를 샘플에 비추고 비탄성적으로 산란되는 광자를 포착하여 작동합니다. 이러한 광자가 분자와 상호작용할 때, 진동 운동으로 인해 에너지 이동이 발생합니다. 이러한 이동은 단백질, 지질, 핵산, 당과 같은 구성 요소의 분자 구조를 드러내는 고유한 스펙트럼 "지문"을 생성합니다.[12][5].
NIR 분광법과의 주요 차이점은 라만이 측정하는 것에 있습니다.대신 쌍극자 모멘트 변화를 감지하는 대신, 라만은 진동 중 분자 결합의 분극성 변화를 중점적으로 다룹니다 [5]. 이 차이점은 배양육 응용에 특히 유용합니다. 왜냐하면 성장 배지를 지배하는 물은 라만의 감지에 거의 보이지 않기 때문입니다. 이는 라만이 물을 "통과하여" 소량의 영양소와 대사산물을 감지할 수 있음을 의미하며, 이는 종종 적외선 방법을 복잡하게 만드는 간섭을 피할 수 있습니다 [11][12][5].
라만 분광법은 물 신호와 겹치지 않는 분석물 특이적 신호를 생성합니다... 이는 매트릭스가 주로 수성인 세포 배양 응용에 특히 유리합니다.
그러나 스펙트럼 밴드가 겹칠 수 있기 때문에, 부분 최소 제곱법이나 주성분 분석과 같은 고급 수학적 모델이 종종 날카롭고 특정한 스펙트럼에서 정밀한 정량 데이터를 추출하는 데 사용됩니다 [12][13][14].
성장 배지 모니터링에서의 라만 응용
자세한 분자 지문을 생성할 수 있는 능력 덕분에, 라만 분광법은 생산 환경에서 인라인 모니터링을 위한 강력한 도구가 되었습니다. 광학 센서로 작용하여 포도당과 글루타민과 같은 영양소 소비와 젖산 및 암모니아와 같은 대사 부산물의 생성을 추적합니다 [14].이 실시간 피드백은 효율성을 향상시키기 위해 영양소 공급 일정을 최적화하는 등의 자동 조정을 가능하게 합니다.
예를 들어, 2025년 4월에 연구자들은 Viserion 라만 분광기를 10리터 CHO 세포 배양 5개에 활용하여 매우 정확한 예측을 달성했습니다 (e.g., 포도당의 RMSEP 0.51 g/l) [12]. 마찬가지로, 2018년 3월 런던의 Cell and Gene Therapy Catapult 팀은 인라인 라만 시스템 (Kaiser Optical Systems RamanRxn2™ 분석기)을 사용하여 자가 T세포 생산을 모니터링했습니다. 그들은 포도당 (R = 0.987)과 젖산 (R = 0.986) 수준을 정밀하게 추적하여 수동 샘플링 없이 기증자별 대사 변화와 증식 속도를 식별했습니다 [14] .
영양소와 부산물 외에도, 라만 분광법은 세포 농도를 모니터링하고, 세포 생존력을 평가하며, 살모넬라 또는 대장균과 같은 잠재적 위험을 감지합니다. 이는 배치 간의 일관성을 보장하고 배지 성분을 특성화하는 신뢰할 수 있는 방법을 제공합니다. [11][1][14][15].
NIR 대 라만: 어떤 방법을 사용할 것인가
성장 배지 분석을 위한 NIR 대 라만 분광법 비교
NIR과 라만 분광법 중 선택은 특정 분석물, 예산, 시스템 설정에 따라 다릅니다.
비교 요소
라만 분광법은 매우 구체적인 분자 정보를 제공하는 능력으로 두드러집니다.개별 화합물을 정확하게 추적하는 데 라만이 특히 유용합니다.
NIR에서의 물 흡수는 영양소 신호를 가릴 수 있지만, 라만의 낮은 물 민감도는 더 명확한 검출을 보장합니다. 그러나 라만도 도전 과제가 없는 것은 아닙니다 - 단백질 가수분해물과 같은 생물학적 화합물로 인한 배경 형광으로부터 간섭을 받을 수 있습니다 [1].
CHO 세포 생물반응기를 포함한 연구에서는 라만이 포도당, 젖산, 항체 예측에서 NIR을 능가하는 반면, NIR은 글루타민 및 암모늄 이온에 더 효과적임을 보여주었습니다 [2]. 2017년 3월에 실시된 연구에 따르면 R.C.Rowland-Jones는 리즈 대학교에서 Raman의 강점을 추가로 입증하여 15 mL 미니어처 바이오리액터에서 젖산(RMSECV 1.11 g/L)과 포도당(RMSECV 0.92 g/L)을 측정하는 데 더 신뢰할 수 있음을 보여주었습니다[16].
비용 관점에서 NIR 시스템은 일반적으로 더 간단한 광원으로 인해 더 저렴합니다. 그러나 Raman 시스템은 고급 레이저와 검출기가 필요하여 더 비쌉니다 [1].아래 표는 이러한 주요 차이점을 강조합니다:
| 요인 | NIR 분광법 | 라만 분광법 |
|---|---|---|
| 특이성 | 낮음; 넓고 겹치는 밴드[1] | 높음; 선명한 분자 "지문"[1] |
| 물 간섭 | 높음; 강한 물 흡수[2] | 낮음; 물은 약한 산란체[2] |
| 최적 용도 | 글루타민, 암모늄, 바이오매스 모니터링[2] | 포도당, 젖산, 항체 농도 [2, 19] |
| 비용 | 일반적으로 낮음; 간단한 램프와 광학 [1] | 일반적으로 높음; 레이저와 검출기 필요 [1] |
| 경로 길이 | 더 길다; 용기 벽을 수용 [6] | 더 짧다; 직접 샘플 인터페이스 필요 [6] |
| 주요 간섭 | 세포/입자로 인한 물리적 산란 [6] | 생체 분자로 인한 배경 형광 [2] |
다음으로, 실시간 미디어 최적화를 위한 생산에서 분광 데이터 적용 방법을 탐구하겠습니다.
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생산에서 분광 데이터 사용
실시간 미디어 최적화
분광법은 원시 데이터를 실행 가능한 통찰력으로 변환하여 생산 과정에서 영양소 전달을 간소화합니다. 포도당, 젖산, 글루타민, 암모늄과 같은 주요 매개변수를 동시에 비침습적으로 모니터링할 수 있게 하여 배양의 지속적인 최적화를 보장합니다. 예를 들어, 포도당 수치가 이상 범위 아래로 떨어지면 시스템이 자동으로 영양소 공급을 트리거합니다. 이는 세포 기아를 방지하고 독성 부산물 축적의 위험을 줄입니다 [2].
최적의 생산 실행에서 "골든 배치" 궤적을 생성하면 오염이나 공기 공급 문제와 같은 문제를 조기에 식별할 수 있습니다 [4].현대 시스템은 이를 더욱 발전시킵니다 - 예를 들어, NIR 분광법은 전통적인 참조 방법의 15% 이내의 정밀도로 영양소 농도를 추정할 수 있습니다. 최대 12,500리터를 수용하는 대규모 바이오리액터에서 NIR 데이터의 주성분 분석은 공정 변동성의 96%를 설명했습니다 [17].
이 지속적인 데이터 흐름은 바이오리액터 시스템과 원활하게 통합되어 일관성과 효율성을 유지하기 위한 자동화된 공정 제어를 가능하게 합니다.
분광법을 바이오리액터 시스템에 연결하기
분광법과 바이오리액터 시스템의 통합은 실시간 데이터를 다음 수준으로 끌어올려 완전 자동화된 피드백 제어를 가능하게 합니다. 멸균 주기와 고압을 견딜 수 있는 침지형 프로브는 실시간 데이터를 바이오리액터 제어 장치로 직접 전달합니다 [6].
2018년 9월에 로렌 대학교에서 수행된 연구는 2리터 CHO 세포 생물반응기 내에서 병렬로 작동하는 현장 라만 및 NIR 프로브를 비교했습니다. 결과는 라만 분광법이 포도당과 젖산을 감지하는 데 뛰어났으며, NIR은 글루타민과 암모늄을 모니터링하는 데 더 효과적임을 보여주었습니다. 두 방법의 강점을 결합하면 배양육 생산을 위한 가장 포괄적인 실시간 모니터링을 제공합니다 [2].
분광 데이터는 또한 다변량 통계적 공정 제어(MSPC) 시스템에 입력되어 진행 중인 배치를 확립된 골든 배치 표준과 지속적으로 비교합니다. 이 접근 방식은 오염, 영양소 부족 또는 장비 고장으로 인한 편차를 며칠이 아닌 몇 시간 내에 감지할 수 있도록 합니다. 그 결과 생산의 효율성과 일관성이 향상됩니다 [4] .
분광기 장비 소싱하기 Cellbase
분광기 장비를 위한 Cellbase 사용 이유
배양육 생산을 위한 적절한 분광기 장비를 선택하는 것은 기술적 세부사항의 미로를 탐색하는 것처럼 느껴질 수 있습니다. 범용 분광기가 수천 가지의 구성을 제공하면서 [18], 적절한 전문 지식이 없으면 쉽게 압도될 수 있습니다.
이때
장비 조달을 위한 Cellbase 의 주요 특징
또한,
결론
NIR 및 라만 분광법은 배양육의 성장 매체를 정제하는 데 중요한 역할을 합니다. 이러한 고급 기술은 실시간, 비침습적 모니터링을 통해 포도당, 젖산, 암모늄과 같은 주요 분석 물질을 모니터링할 수 있게 합니다.이는 생산 팀이 프로세스를 방해하지 않고 빠르게 조정할 수 있음을 의미합니다 - 미디어 디자인이 배양육 생산 확장에서 가장 큰 도전 중 하나로 남아 있는 상황에서 중요한 이점입니다 [16][19].
각 방법은 고유한 강점을 제공합니다. NIR 분광법은 생체량 및 전체 조성을 평가하는 데 뛰어나며, 라만 분광법은 수용액 내 특정 대사물질에 대한 상세한 통찰력을 제공합니다 [1]. 소형 바이오리액터 연구 중에 라만 분광법은 인상적인 예측 정확성을 보여주어 정밀한 측정을 위한 신뢰할 수 있는 선택이 되었습니다 [16]. 두 기술 모두 "골든 배치" 프로파일 개발을 지원하여 운영자가 세균 오염이나 공기 공급 문제와 같은 문제를 발생 즉시 발견할 수 있게 합니다 [4].
적절한 분광기기를 선택하는 것은 어려운 과정일 수 있습니다. 이때
Alan G. Ryder 교수는 이러한 방법의 중요성을 강조합니다:
적절히 적용된 경우, 빠른 분광 방법은 세포 배양 배지를 신속하고 효과적으로 스크리닝하여 분자 변이와 배지 제조의 잠재적 문제를 식별하는 데 사용할 수 있습니다 [1].
자주 묻는 질문
배양육 생산에서 분광법을 사용하는 이점은 무엇인가요?
근적외선(NIR) 및 라만과 같은 분광법은 배양육 산업에 귀중한 도구를 제공합니다. 이러한 기술은 실시간 비침습적 모니터링을 가능하게 하여, 성장 배지를 샘플링하거나 추가 시약을 사용하지 않고도 영양소, 대사산물 및 세포 밀도를 지속적으로 추적할 수 있습니다. 이러한 수준의 모니터링은 프로세스 제어를 더욱 엄격하게 유지하고 배지 조성의 조정을 가속화하여, 생산을 확장할 때 일관된 품질을 보장하는 데 필수적입니다.
이 방법들은 또한 효율적이고 비용 절감이 가능합니다. 단일 측정으로 아미노산, 당, 지질과 같은 여러 성분을 동시에 분석할 수 있어 별도의 화학 테스트가 필요하지 않습니다.이것은 예측 모델을 개선할 수 있는 데이터를 제공하면서 노동 및 재료 비용을 모두 줄여 품질을 표준화하고 배치 간 변동성을 줄이는 데 도움이 됩니다.
또 다른 장점은 분광학이 자동화 시스템과 쉽게 통합될 수 있다는 점입니다. 예를 들어, NIR 프로브는 생물 반응기에 직접 설치되어 연속 데이터를 제공함으로써 공급 속도나 온도와 같은 중요한 매개변수에 대한 자동 조정을 가능하게 합니다. 특수 장비가 필요한 경우,
배양육 생산에서 성장 배지를 분석하기 위한 NIR과 라만 분광법의 주요 차이점은 무엇입니까?
근적외선(NIR) 분광법은 성장 배지의 전체 조성을 빠르고 비침습적으로 모니터링하는 데 적합합니다.온라인 또는 인라인 제어를 제공하는 능력은 실시간 데이터를 제공하여 생산자가 생산 과정 중에 즉각적인 조정을 할 수 있도록 돕습니다.
반면, 라만 분광법은 정확한 분자 지문을 제공하여 포도당 및 젖산과 같은 특정 대사산물을 식별하고 측정하는 데 탁월한 선택입니다. 이러한 수준의 정밀성은 배양육 생산의 특정 요구에 맞게 배지 구성을 미세 조정하는 데 특히 유용합니다.
배양육 생산에서 성장 배지의 실시간 모니터링이 중요한 이유는 무엇입니까?
실시간 모니터링은 배양육 생산에 적합한 성장 배지를 유지하는 데 중요한 역할을 합니다. 영양소, 대사산물 및 세포 건강을 면밀히 관찰함으로써 생산자는 조건을 신속하게 조정하여 안정적인 세포 성장을 유지하고 최종 제품의 품질을 향상시킬 수 있습니다.
이 실습 방법은 전통적인 오프라인 테스트와 관련된 대기 시간을 줄여 더 나은 수율과 적은 낭비를 가져옵니다. 또한 자원을 보다 효과적으로 사용하여 생산 과정을 간소화하고 신뢰성을 높입니다.
