자동화된 샘플링 시스템은 특히 배양육 생산에서 생물 공정 모니터링 방식을 혁신하고 있습니다. 이러한 시스템은 영양소 수준, 대사산물, 세포 건강과 같은 중요한 요소에 대해 빈번하고, 정밀하며, 실시간 데이터를 제공하여 수동 샘플링이 따라올 수 없는 수준을 제공합니다. 수동으로 하루에 한 번 수행하는 것과 비교하여 2-3시간마다 실행함으로써 대사 변화에 대한 명확한 그림을 제공하여 비용이 많이 드는 생산 오류를 방지하는 데 도움을 줍니다.
주요 사항은 다음과 같습니다:
- 효율성: 샘플링, 분석 및 세척 주기가 15분 이내에 완료됩니다.
- 무균성: 시스템은 370시간 이상 무균 상태를 유지하여 오염 위험을 줄입니다.
- 정확성: 포도당 측정은 1.1%만 편차가 있으며, 아미노산 분석은 거의 실시간 통찰력을 제공합니다.
- 노동 절감: 수동 개입을 최소화하여 직원들이 다른 작업에 집중할 수 있도록 합니다.
- 응용: 배양육 생산의 일관성과 확장성을 향상시킵니다.
이 시스템은 HPLC 및 라만 분광법과 같은 고급 도구와 원활하게 통합되어 정밀한 영양 모니터링과 실시간 프로세스 조정을 가능하게 합니다. 그 결과, 더 나은 품질 관리, 변동성 감소, 더 효율적인 생산 워크플로우를 지원합니다.
수동 대 자동 샘플링 시스템: 생물공정에서의 성능 비교
자동 샘플링 기술에 대한 연구
연구 방법 및 접근법
자동 샘플링 기술의 최근 발전은 배양육 생산에서의 적용을 크게 개선했습니다. 이 연구들은 자동 샘플링 시스템을 분석 도구와 통합하면서 프로세스 전반에 걸쳐 무균 상태를 유지하는 데 중점을 둡니다.연구자들은 일반적으로 자동 샘플러를 HPLC 및 모세관 전기영동과 같은 확립된 방법과 결합하여 인라인 센서가 정확하게 측정하기 어려운 복잡한 대사산물을 모니터링합니다.
2020년 5월, 비엔나 공과대학교의 팀은 Numera 시스템을 Securecell AG에서 조사하고, CHO 배치 배양 중 Lucullus PIMS 소프트웨어를 활용했습니다. 그들은 18개의 아미노산과 IgG 제품 수준을 모니터링하며, 연속 작동 370시간 동안 무균 상태를 유지했습니다 [2]. 세포 밀도가 증가함에 따라 "푸시 아웃 시간"과 같은 시스템 설정의 조정이 중요해졌습니다 [2].
마찬가지로, 2017년 8월, Rosanne M.Guijt는 태즈매니아 대학교에서 순차 주입 모세관 전기영동법 (SI-CE)을 사용하여 Jurkat 세포의 다섯 개의 병렬 현탁 배양을 모니터링했습니다. 4일 동안 이 시스템은 각 배양당 96개의 분석을 수행했으며, 각 전기영동 분리는 단 12분이 소요되었습니다. 놀랍게도, 플라스크당 5.78 mL(분석당 60 µL 미만)만 필요하여 배양 부피를 크게 줄이지 않고도 고처리량 스크리닝에 이상적입니다 [6]. 이러한 정밀하고 체계적인 방법은 성능 데이터에 대한 더 깊은 통찰력을 위한 무대를 마련합니다.
연구 결과 및 성능 데이터
이 연구의 결과는 자동화된 샘플링 시스템의 효율성과 정밀성을 강조합니다. 예를 들어, 비엔나 팀은 포도당 측정에서 1.1% 상대 표준 편차를 달성했습니다.또한, 샘플 희석으로 인한 체계적인 오류가 수정되어 실제 값에서 0.1%에서 3%까지 편차가 줄어들었습니다[2]. 이 수준의 정확도는 수동 샘플링이 일반적으로 제공하는 것보다 훨씬 우수합니다.
샘플링 빈도는 또 다른 중요한 이점입니다. 수동 샘플링은 종종 하루에 한 번으로 제한되지만, 자동 시스템은 하루에 8회에서 24회까지 샘플링할 수 있어, 그렇지 않으면 놓칠 수 있는 대사 변화를 포착할 수 있습니다. 비엔나 연구에서는 아미노산 분석이 샘플 수집 후 45분 지연으로 완료되어 영양소 고갈에 대한 거의 실시간 통찰력을 제공합니다[2].
타즈매니아 연구는 또 다른 주요 이점을 강조했습니다: 실시간 세포 밀도 측정에 대해 젖산 데이터를 정규화함으로써, 연구자들은 로테논과 클리오퀴놀과 같은 화합물의 약리학적 효과를 단순한 생체량 변화와 구별할 수 있었습니다 [6]. 이러한 세분화 수준은 전통적인 수동 샘플링으로는 거의 달성할 수 없으며, 드문 데이터 포인트가 중요한 대사 패턴을 종종 가리기 때문입니다.
미디어 모니터링을 위한 센서 기술
센서 및 분석 도구의 유형
센서 기술은 특히 배양육 생산에서 실시간 미디어 모니터링을 개선하는 데 중요한 역할을 합니다. 다양한 센서가 미디어 구성과 세포 건강을 면밀히 관찰하는 데 사용됩니다.예를 들어, 표준 인라인 센서는 pH, 온도, 및 용존 산소를 지속적으로 측정하여 세포 성장에 이상적인 조건을 유지합니다 [7]. 생존 세포 밀도를 측정할 때, 정전 용량 프로브는 상업적으로 이용 가능한 유일한 온라인 솔루션입니다. 이 프로브는 전기장을 사용하여 살아있는 세포를 감지하며, 완전한 세포막은 작은 커패시터로 작용하여 살아있는 세포를 죽은 세포 및 잔해와 구별합니다 [7].
분광 센서는 대사 활동을 비침습적으로 추적할 수 있는 방법을 제공합니다. 예를 들어, UV–vis 분광법은 빛의 흡수 및 산란(200–740 nm)을 분석하여 세포 밀도를 추정하고 손상된 세포의 핵산을 식별합니다 [7].형광 분광법은 NADH, NADPH, 트립토판과 같은 자연 발생 형광체를 모니터링하여, 프로세스를 방해하지 않고 배양의 대사 상태에 대한 귀중한 실시간 통찰력을 제공합니다[7]. 한편, 라만 분광법은 매체의 분자 지문을 생성하여 포도당, 젖산, 아미노산 수준을 최소한의 오류로 정밀하게 추적할 수 있게 합니다[7][2]. 사실, 인라인 라만 센서는 복잡한 매체에서 티로신의 0.41 mM 및 트립토판의 0.24 mM의 평균 제곱근 오차로 놀라운 정확성을 보여주었습니다[2]. 이러한 분광 도구는 빠르고 비파괴적인 대사 분석을 제공하여 자동화된 샘플링 시스템을 보완합니다.
자동화 시스템은 생물 반응기를 고급 분석기와 연결하여 정밀도를 더욱 향상시킵니다.이 설정은 현재 인라인 센서가 정확하게 측정하기 어려운 아미노산 및 비타민과 같은 복합 영양소의 실시간 모니터링을 가능하게 합니다 [1][2]. 예를 들어, UV–vis 흡수 분광학 모델은 세포 밀도 예측에서 R² 값이 0.993에 달하는 성과를 보여주며, 그 신뢰성을 입증합니다 [7].
센서 통합의 예시
기술 개발자와 연구자 간의 협업은 센서 통합에서 인상적인 발전을 이끌어냈습니다. 그 중 하나의 예는 Sartorius Stedim Biotech와 Tornado Spectral Systems 간의 파트너십입니다. 그들은 Ambr 250 고속 미니 바이오리액터 시스템에 라만 흐름 셀 프로토타입을 통합했습니다.By pairing it with a BioProfile FLEX2 analyser from Nova Biomedical for automated reference measurements, they created robust models for tracking glucose, lactate, and glutamine in CHO cell cultures. This setup reduced the time gap between spectral and reference data to just five minutes, enabling near-instantaneous data correlation [8].
"라만 분광법은 세포 배양 분석물을 비파괴적으로 측정할 수 있는 적합한 PAT 도구입니다... 조사된 분자의 공유 결합에 대한 구조적 정보를 높은 분자 특이성과 견고성으로 제공합니다."
– Marek Hoehse, Sartorius Stedim Biotech [8]
Another example comes from the Vienna University of Technology, where researchers demonstrated how sensor integration can improve precision. Using a 3.6 L 바이오리액터는 Thermo Fisher Ultimate 3000 HPLC 및 Roche Cedex Bio HT 분석기에 Numera 시스템을 통해 연결되었습니다. 이 설정은 CHO 배양 중 니아신아마이드, 엽산, B12, 리보플라빈과 같은 여러 비타민 및 18개의 아미노산을 실시간으로 모니터링할 수 있게 해주었습니다 [2]. 자동화 시스템은 단일 실행에서 24개의 용기로부터 528개의 스펙트럼을 생성하여 전통적인 파일럿 규모 모델 구축에 비해 비용을 절감하고 시간을 절약했습니다 [8].
프로세스 최적화 및 품질 관리
실시간 프로세스 조정
자동 샘플링 시스템은 실험실 분석과 실시간 생산 간의 격차를 해소하여 프로세스 분석 기술 (PAT)을 실시간으로 사용할 수 있게 합니다 [2].이 시스템은 세포 대사와 영양소 사용에 대한 포괄적인 뷰를 제공하기 위해 2~3시간마다 데이터를 제공합니다 [2]. 이 고빈도 데이터는 수동 샘플링으로 종종 간과되는 젖산 변화와 같은 중요한 사건과 동적 값을 포착합니다 [2][6].
프로세스 정보 관리 시스템(PIMS)과 결합하면, 이러한 분석 결과는 필요에 따라 자동으로 급여 전략을 조정할 수 있습니다 [2]. 동적 알고리즘은 반응 정체를 식별하여 프로세스에 대한 적시 수정을 가능하게 합니다 [5]. 이 기능은 높은 세포 밀도와 수율을 달성하기 위해 최적의 영양 균형을 유지하는 것이 중요한 배양육 생산에서 특히 가치가 있습니다.
"수동 샘플링에 비해 높은 샘플링 빈도는 생성된 정보의 내용을 증가시켜 대사 해석을 용이하게 하고... 공정 이벤트의 보다 정확한 감지를 가능하게 합니다."
– Paul Kroll, Business Development Manager, Securecell AG [1]
주목할 만한 예로는 2020년에 비엔나 공과대학이 3.6리터 바이오리액터를 자동화된 HPLC 및 Cedex Bio HT 분석기와 Numera 시스템을 통해 연결한 사례가 있습니다. 이 설정은 370시간 동안 18개의 아미노산과 여러 비타민을 모니터링했으며, 편차는 0.1%에서 3%로 낮았습니다 [2]. 빈번한 데이터 수집 덕분에 수동 방법으로는 완전히 놓쳤을 반응 속도를 관찰할 수 있었습니다.
이점 및 도전 과제 비교
자동화된 샘플링 시스템과 관련된 주요 이점과 도전 과제의 분석은 다음과 같습니다:
| 특징 | 이점 | 도전 과제 |
|---|---|---|
| 정밀도 &및 정확도 | 높은 정밀도 제공 (1.1% RSD) 및 샘플 준비 시 인적 오류 제거 [2] | 희석 계수에 대한 세심한 보정 및 조정 필요 [2] |
| 데이터 빈도 | 하루 8개 이상의 샘플을 허용하여 상세한 동역학 모델링 가능 [2] | 고용량 데이터는 관리용 고급 소프트웨어(PIMS) 필요 [2] |
| 노동 &및 비용 | 수동 샘플링 및 유도화 작업량 감소 [2] | 높은 초기 장비 비용 및 복잡한 설치 [2][5] |
| 샘플 용량 | 최소 미디어 소비 (<60 µL per analysis), 반응기 용량을 더 긴 실행을 위해 보존 [6] | 튜빙 내의 작은 용량은 잔여물 축적 및 표면 비율 효과에 취약할 수 있음 [2] |
| 프로세스 제어 | 실시간 공급 및 영양소 조정을 용이하게 함 [2][3] | 샘플러, 분석기 및 생물 반응기 컨트롤러 간의 원활한 통합 요구 [2] |
자동화 시스템은 370시간 이상 무균 상태를 유지할 뿐만 아니라 분석당 60마이크로리터 미만의 미디어를 필요로 함 [2][6].그러나 운영자는 액체 취급에서 발생할 수 있는 체계적인 오류를 해결해야 하며, 자동 보정을 통해 편차를 0.1%까지 줄일 수 있습니다 [2]. 또한, 여과 모듈의 "푸시 아웃 타임"(POT)은 공정이 진행됨에 따라 일관된 샘플 전달을 보장하기 위해 생존 가능한 세포 밀도에 따라 조정이 필요할 수 있습니다 [2].
이러한 전략은 자동화 시스템이 배양육 생산을 반응적 모니터링에서 보다 능동적이고 제어된 프로세스로 전환시키는 방법을 강조하며, 센서 기술 및 연구의 초기 발전을 보완합니다.
sbb-itb-ffee270
Cellbase 자동화 샘플링 시스템을 위한 리소스
검증된 공급업체 목록
플랫폼은 또한 bbi-biotech의 bioPROBE와 같은 특수 무균 샘플링 도구를 강조합니다.이 도구는 "설계에 의한 무균성"을 자랑하며, 생물막 형성과 막힘을 방지하기 위해 특허받은 가스 쿠션 운송 메커니즘을 사용합니다 [9]. 또한,
단순화된 장비 조달
검증된 목록을 보여주는 것 외에도,
R&D 팀을 위해, 검증된 목록은 샘플링과 이벤트 기반 조정을 자동화하는 솔루션을 제공합니다. 이는 특히 0.5 ml와 같은 작은 샘플 용량을 관리하는 데 유용하며, 매체 손실을 최소화하는 데 도움이 됩니다 [9][10]. 시간 절약 잠재력은 상당합니다: 자동화된 샘플링은 수작업 방법과 비교하여 연간 1,800개의 샘플을 처리할 때 약 480 인시(12주에 해당)를 절감할 수 있습니다 [9].장비 획득을 간소화하고 정밀성을 향상시킴으로써,
결론
요약 및 미래 전망
자동화된 샘플링 시스템은 배양육 생물공정의 모니터링 방식을 혁신하고 있습니다. 생물반응기를 분석 도구와 직접 연결하여, 전통적인 하루 한 번의 접근 방식에 비해 최대 12배 더 자주 - 2~3시간마다 고품질 데이터를 제공합니다 [1][2]. 이러한 빈번한 데이터 수집은 세포 대사에 대한 깊은 이해, 영양소 고갈의 빠른 식별, 급여 전략 최적화에 중요한 동역학 매개변수 계산을 가능하게 합니다.
이 시스템은 또한 더 긴 기간 동안 무균 상태를 유지하고 매우 정밀한 측정을 제공하여 생물공정에서 게임 체인저가 되고 있습니다.이러한 이점들이 확고히 자리 잡으면서, 더 큰 발전을 위한 무대가 마련되었습니다.
배양육 생산의 미래는 스마트 바이오제조로 향하고 있습니다. 이는 자동화된 샘플링을 예측 모델 및 폐쇄 루프 프로세스 제어와 통합하는 것을 포함합니다. 이러한 발전은 사후 데이터 분석에서 실시간 프로세스 최적화로 초점을 전환할 것입니다. 이는 급여 전략을 즉시 조정하여 생산 시간을 단축하고, 일관된 제품 품질을 보장하며, 중요한 품질 속성의 지속적인 모니터링을 통해 시장 출시 시간을 가속화하는 것을 의미합니다 [2][3]. 생산자에게 이러한 시스템은 경쟁력 있고 확장 가능한 운영의 초석이 빠르게 되고 있습니다.
이러한 진화에서
(English) Numera PAT: 생물공정에서의 자동화된 샘플링
자주 묻는 질문
자동화된 샘플링 시스템이 배양육 생산의 일관성을 어떻게 향상시키나요?
자동화된 샘플링 시스템은 수작업 샘플링과 관련된 예측 불가능성을 제거하여 배양육 생산의 일관성을 보장하는 데 중요한 역할을 합니다. 이러한 시스템은 정해진 간격으로 정확한 샘플량을 수집하도록 설계되어 인적 오류를 줄이고 균일성을 보장합니다. 이러한 안정적이고 정확한 샘플링은 영양소, 대사물질 및 세포 건강에 대한 실시간 통찰력을 제공하여 생산 과정을 더 잘 제어하고 제품 품질을 향상시킵니다.
샘플링, 준비 및 전송과 같은 작업을 자동화함으로써 오염 가능성이 크게 줄어듭니다. 또한, 데이터 수집은 표준 근무 시간 외에도 계속될 수 있어 생산 과정에 대한 보다 포괄적인 관점을 제공합니다. 이러한 지속적인 모니터링은 사료, 온도 또는 기타 중요한 요소와 같은 매개변수에 대한 빠른 조정을 가능하게 하여 일관된 배치 품질과 더 신뢰할 수 있는 생산 결과를 제공합니다. 배양육 분야에서 일하는 사람들에게
센서는 배양육 생산의 실시간 모니터링에 어떻게 기여합니까?
센서는 실시간 모니터링에 필수적이며, 용존 산소, pH, 온도, 세포 밀도 및 세포 생존율과 같은 주요 공정 매개변수(CPP)를 지속적으로 추적합니다.즉각적인 피드백을 제공함으로써, 이러한 센서는 운영자가 편차를 신속하게 발견하고, 적시에 조정하며, 제품 품질을 저해할 수 있는 문제를 피할 수 있도록 돕습니다.
근적외선(NIR) 및 라만 탐침과 같은 현대 기술은 포도당과 같은 영양소 및 젖산과 같은 부산물을 실시간으로 모니터링하여 수동 샘플링의 필요성을 줄임으로써 이를 한 단계 더 발전시킵니다. 현미경을 이용한 현장 내 광학 도구는 형태 및 생존 가능성에 대한 세부적인 단일 세포 데이터를 제공합니다. 이러한 혁신은 공정 분석 기술(PAT)의 중심으로, 자동화를 가능하게 하고 배양육 생산에서 일관된 제어를 보장합니다.
자동화된 샘플링 시스템은 생물공정에서 어떻게 노동을 줄이는 데 도움을 주나요?
자동화된 샘플링 시스템은 샘플을 채취하고 준비하며 분석 기기로 전달하는 등의 일상적인 작업을 처리하여 생물공정에서의 무거운 작업을 덜어줍니다. 사전에 설정된 일정에 따라 작동하는 이 시스템들은 기술자가 바이오리액터와 샘플을 수동으로 다룰 필요를 없애줍니다. 그 결과는? 반복적인 작업이 줄어들고, 인간의 실수 가능성이 감소하며, 숙련된 직원들이 데이터 분석 및 공정 개선과 같은 작업에 더 많은 시간을 할애할 수 있게 됩니다.
게다가, 이러한 시스템은 수동 방법에 비해 훨씬 더 빈번한 샘플링 - 때로는 거의 연속적으로 - 을 가능하게 합니다. 이는 방대한 양의 데이터를 생성하여 실시간 모니터링과 주요 매개변수에 대한 더 엄격한 제어를 가능하게 합니다. 내장된 데이터 관리 도구를 통해 워크플로우는 샘플 메타데이터를 자동으로 정리하여 서류 작업과 수동 데이터 입력을 줄임으로써 더욱 원활해집니다.
배양육 산업에 종사하는 분들을 위해,
