Spektroskopi, kültürlenmiş et üretiminde büyüme ortamını izlemek için hızlı ve doğru bir yol sunar. Glikoz ve glutamin gibi besin maddelerini gerçek zamanlı izleyerek hücre büyümesini optimize etmeye ve kaliteyi korumaya yardımcı olur. İki anahtar yöntem öne çıkıyor:
- NIR Spektroskopi: 780–2,500 nm aralığında çalışır, glikoz ve laktat gibi besin maddeleri ve metabolitleri izlemek için idealdir. Maliyet açısından etkilidir ve biyoreaktörlerle kolayca entegre olur, ancak su sinyallerinden kaynaklanan parazitlerle karşılaşabilir.
- Raman Spektroskopi: Yüksek derecede spesifik moleküler veri sağlamak için esnek ışık saçılımı kullanır. Su ağırlıklı ortamlarda iyi çalışır, laktat ve glikoz gibi metabolitler için hassasiyet sunar ancak daha yüksek maliyetlerle gelir.
Her iki yöntem de besin maddesi teslimi ve kontaminasyon tespiti için otomatik sistemleri destekler, verimliliği artırır ve manuel örnekleme risklerini azaltır. Platformlar,
Büyüme Medyası Analizi için NIR Spektroskopisi
NIR Spektroskopisi Nasıl Çalışır
Yakın kızılötesi (NIR) spektroskopisi, 780 nm ile 2,500 nm dalga boyu aralığında çalışır ve temel moleküler titreşimlerin üst harmoniklerini ve kombinasyon bantlarını tespit etmeye odaklanır [7]. Bu, özellikle C-H, O-H ve N-H gibi bağları tanımlamada etkilidir, ki bunlar glikoz, amino asitler ve proteinler gibi moleküllerde yaygın olarak bulunur.
Bu süreç, büyüme medyasından NIR ışığı geçirip farklı dalga boylarında ne kadar ışığın emildiğini ölçmeyi içerir. Her molekül, medyanın bileşimi hakkında içgörüler sağlayan benzersiz bir spektral desen veya "parmak izi" üretir.Ancak, spektral bantlar sıklıkla örtüştüğü için, kesin nicel verileri çıkarmak için Kısmi En Küçük Kareler regresyonu gibi gelişmiş kemometrik teknikler gereklidir [1].
NIR spektroskopisinin öne çıkan faydalarından biri, invaziv olmamasıdır. Probeler, standart Ingold portları kullanılarak biyoreaktörlere doğrudan entegre edilebilir ve sterilizasyon döngülerine (SIP/CIP) dayanacak şekilde üretilmiştir, bu da endüstriyel hijyen standartlarına uygun olmalarını sağlar [10]. Süreci kesintiye uğratmadan ölçüm yapabilme yeteneği, NIR'ı büyüme medyasını izlemek için değerli bir araç haline getirir.
Büyüme Medyası İzlemede NIR Uygulamaları
NIR spektroskopisi, glikoz, glutamin, amino asitler, laktat, amonyak ve toplam hücre sayısı (TCC) gibi kritik besin maddeleri ve metabolitleri izlemek için yaygın olarak kullanılır [6][8].Gerçek zamanlı veri sağlayarak, üreticilerin besin tükenmesini erken tespit etmelerine yardımcı olur, hücre canlılığı üzerindeki etkileri önler veya toksik yan ürünlerin birikmeden önce tanımlanmasını sağlar.
NIR'nin pratik faydaları yapılan çalışmalarla gösterilmiştir. Örneğin, bir araştırma, karıştırmalı tank biyoreaktöründe çevrimiçi izleme için NIR kullanmış ve glikoz için 1.54 mM ve laktat için 0.83 mM [8] tahmin hataları elde etmiştir. Hücrelerin mikrokapsüller üzerinde büyüdüğü kültürlenmiş et süreçlerinde, boncukların neden olduğu ışık saçılma etkileri nedeniyle sistem spesifik kalibrasyon önemlidir. Sanofi Pasteur'de yapılan araştırma, Cytodex 1 mikrokapsüller üzerinde büyüyen Vero hücrelerini izlemek için NIR'yi başarıyla uygulamış ve glikoz için 0.36 g/l ve laktat için 0.29 g/l [9] tahmin doğrulukları elde etmiştir. Bu bulgular, farklı sistemler için özel kalibrasyonun önemini vurgulamaktadır.
"NIR spektroskopisi (NIRS), analiz edilen çözeltide bulunan tüm bileşenlerin 'imzasını' temsil eden bir spektrum sağlayarak... yerinde PAT aracı olarak umut verici bir alternatiftir."
- Annie Marc, Proses Biyokimya [9]
NIR'in bir diğer artan kullanımı, optimal süreç performansını temsil eden "altın parti" profilleri oluşturmaktır. Operatörler, mevcut çalışmaları bu profillerle gerçek zamanlı olarak karşılaştırabilir. Örneğin, Leibniz Universität Hannover'deki araştırmacılar, 7.5 litrelik bir biyoreaktörde CHO-K01 hücre yetiştirmelerini izlemek için NIR kullandılar. Sistemleri, NIR okumaları tanımlanmış süreç limitlerini aştığında, "Batch 3" işleminin sadece 30 saatinde bakteriyel kontaminasyonu tespit etti [4].
NIR spektroskopisinin Temelleri – NIR spektroskopisi nasıl çalışır?
Büyüme Ortamı Analizi için Raman Spektroskopisi
NIR spektroskopisi, örtüşen absorbans bantlarını çözmek için harika olsa da, Raman spektroskopisi farklı bir yol izler. Moleküler yapıya inmek için esnek olmayan ışık saçılımını kullanır ve tamamlayıcı bir analiz yöntemi sunar.
Raman Spektroskopisi Nasıl Çalışır
Raman spektroskopisi, bir numuneye 785 nm lazer ışığı tutarak ve esnek olmayan şekilde saçılan fotonları yakalayarak çalışır. Bu fotonlar moleküllerle etkileşime girdiğinde, titreşim hareketleri nedeniyle enerji kaymaları meydana gelir. Bu kaymalar, proteinler, lipitler, nükleik asitler ve şekerler gibi bileşenlerin moleküler yapısını ortaya çıkaran benzersiz bir spektral "parmak izi" oluşturur [12][5].
NIR spektroskopisinden temel fark, Raman'ın neyi ölçtüğünde yatar.Bunun yerine dipol moment değişikliklerini tespit etmek yerine, Raman, titreşim sırasında moleküler bağların polarizabilite değişikliklerine odaklanır [5]. Bu fark, onu özellikle kültürlenmiş et uygulamaları için faydalı kılar. Neden? Çünkü büyüme ortamına hakim olan su, Raman'ın tespitine neredeyse görünmezdir. Bu, Raman'ın suyun içinden "görerek" küçük miktarlarda besin ve metabolitleri tespit edebileceği anlamına gelir ve genellikle kızılötesi yöntemleri karmaşık hale getiren parazitleri önler [11][12][5].
Raman spektroskopisi, su sinyalleriyle örtüşmeyen analit-spesifik sinyaller üretir... bu da onu matrisin ağırlıklı olarak sulu olduğu hücre kültürleri uygulamaları için özellikle avantajlı kılar.
- Morandise Rubini, Araştırmacı, University of Tours [12]
Ancak, spektral bantlar çakışabileceğinden, Kesirli En Küçük Kareler veya Temel Bileşen Analizi gibi gelişmiş matematiksel modeller, keskin, spesifik spektrumdan kesin nicel veriler çıkarmak için sıklıkla kullanılır [12][13][14].
Raman Uygulamaları Büyüme Ortamı İzlemede
Ayrıntılı moleküler parmak izleri üretebilme yeteneği sayesinde, Raman spektroskopisi üretim ortamlarında hat içi izleme için güçlü bir araç haline gelmiştir. Optik bir sensör olarak hareket ederek, glikoz ve glutamin gibi besin tüketimini ve laktat ve amonyak gibi metabolik yan ürünlerin üretimini izler [14]. Bu gerçek zamanlı geri bildirim, verimliliği artırmak için besin besleme programlarının optimize edilmesi gibi otomatik ayarlamalara olanak tanır.
Örneğin, Nisan 2025'te, araştırmacılar beş 10 litrelik CHO hücre kültüründe Viserion Raman spektrometresi kullanarak son derece doğru tahminler elde ettiler (e.g., glikoz için RMSEP 0.51 g/l) [12]. Benzer şekilde, Mart 2018'de Londra'daki Cell and Gene Therapy Catapult ekibi, otolog T-hücre üretimini izlemek için bir hat içi Raman sistemi (Kaiser Optical Systems RamanRxn2™ analizörü) kullandı. Glikoz (R = 0.987) ve laktat (R = 0.986) seviyelerini hassasiyetle takip ederek, manuel örnekleme gerektirmeden bağışçıya özgü metabolik değişiklikleri ve çoğalma oranlarını belirlediler [14] .
Besin maddeleri ve yan ürünlerin ötesinde, Raman spektroskopisi ayrıca hücre konsantrasyonunu izler, hücre canlılığını değerlendirir ve Salmonella veya E. coli gibi potansiyel tehlikeleri tespit eder. Bu, partiler arasında tutarlılığı sağlar ve ortam bileşenlerini karakterize etmek için güvenilir bir yol sunar [11][1][14][15].
NIR vs Raman: Hangi Yöntem Kullanılmalı
Büyüme Ortamı Analizi için NIR ve Raman Spektroskopisi Karşılaştırması
NIR ve Raman spektroskopisi arasında karar vermek, spesifik analizleriniz, bütçeniz ve sisteminizin kurulumu gibi faktörlere bağlıdır.
Karşılaştırma Faktörleri
Raman spektroskopisi, son derece spesifik moleküler bilgi sağlama yeteneği ile öne çıkar.Keskin, belirgin spektral "parmak izleri" üretir, bu da bireysel bileşikleri belirlemeyi kolaylaştırır. Öte yandan, NIR spektroskopisi geniş, örtüşen bantlar üretir ve analiz için gelişmiş kemometrik araçlar gerektirir [1]. Bu, Raman'ı belirli metabolitleri doğru bir şekilde izlemek için özellikle yararlı kılar.
NIR'deki su emilimi, besin sinyallerini gizleyebilirken, Raman'ın suya düşük duyarlılığı daha net bir tespit sağlar. Ancak, Raman da zorluklardan muaf değildir - protein hidrolizatları gibi biyolojik bileşiklerin neden olduğu arka plan floresansından kaynaklanan parazitlerle karşılaşabilir [1].
CHO hücre biyoreaktörlerini içeren araştırmalar, Raman'ın glikoz, laktat ve antikorları tahmin etmede NIR'den üstün olduğunu, NIR'in ise glutamin ve amonyum iyonları için daha etkili olduğunu göstermiştir [2]. Mart 2017'de yapılan bir çalışma tarafından R.C.Rowland-Jones, Leeds Üniversitesi'nde Raman'ın güçlü yönlerini daha da destekleyerek, 15 mL minyatür biyoreaktörlerde laktat (RMSECV 1.11 g/L) ve glikoz (RMSECV 0.92 g/L) ölçümünde daha güvenilir olduğunu gösterdi [16] .
Maliyet açısından bakıldığında, NIR sistemleri genellikle daha basittir ve bu nedenle daha uygun fiyatlıdır. Raman sistemleri ise gelişmiş lazerler ve dedektörler gerektirir, bu da onları daha pahalı hale getirir [1].Aşağıdaki tablo bu temel farkları vurgulamaktadır:
| Faktör | NIR Spektroskopisi | Raman Spektroskopisi |
|---|---|---|
| Özgüllük | Düşük; geniş, örtüşen bantlar [1] | Yüksek; keskin moleküler "parmak izleri" [1] |
| Su Girişimi | Yüksek; güçlü su emilimi [2] | Düşük; su zayıf bir saçıcıdır [2] |
| En İyi Kullanım Alanı | Glutamin, amonyum, biyokütle izleme [2] | Glukoz, laktat, antikor titreleri [2, 19] |
| Maliyet | Genellikle daha düşük; basit lambalar ve optikler [1] | Genellikle daha yüksek; lazerler ve dedektörler gerektirir [1] |
| Yol Uzunluğu | Daha uzun; kap duvarlarını barındırır [6] | Daha kısa; doğrudan örnek arayüzü gerektirir [6] |
| Ana Girişim | Hücrelerden/partiküllerden fiziksel saçılma [6] | Biyomoleküllerden gelen arka plan floresansı [2] |
Sırada, üretimde gerçek zamanlı medya optimizasyonu için spektroskopi verilerini nasıl uygulayacağımızı keşfedeceğiz.
sbb-itb-ffee270
Üretimde Spektroskopi Verilerinin Kullanımı
Gerçek Zamanlı Medya Optimizasyonu
Spektroskopi, ham verileri eyleme dönüştürülebilir içgörülere dönüştürerek üretim süreçlerinde besin maddesi dağıtımını kolaylaştırır. Glikoz, laktat, glutamin ve amonyum gibi anahtar parametrelerin eşzamanlı, invaziv olmayan izlenmesini sağlayarak kültürlerin sürekli optimizasyonunu garanti eder. Örneğin, glikoz seviyeleri ideal aralığın altına düştüğünde, sistem otomatik olarak besin takviyelerini tetikler. Bu, hücre açlığını önler ve toksik yan ürün birikimi riskini azaltır [2].
Optimal üretim çalıştırmalarından "Altın Parti" yörüngeleri oluşturmak, kontaminasyon veya havalandırma sorunları gibi sorunların erken tespit edilmesine olanak tanır [4].Modern sistemler bunu daha ileriye taşıyor - örneğin, NIR spektroskopisi, besin konsantrasyonlarını geleneksel referans yöntemlerine göre %15 hassasiyetle tahmin edebilir. 12.500 litreye kadar büyük ölçekli biyoreaktörlerde, NIR verilerinin Temel Bileşen Analizi, süreç değişkenliğinin %96'sını açıklamıştır [17].
Bu sürekli veri akışı, biyoreaktör sistemleriyle sorunsuz bir şekilde entegre olur, tutarlılığı ve verimliliği korumak için otomatik süreç kontrolünü mümkün kılar.
Spektroskopiyi Biyoreaktör Sistemlerine Bağlama
Spektroskopinin biyoreaktör sistemleriyle entegrasyonu, gerçek zamanlı verileri bir üst seviyeye taşır ve tamamen otomatik geri bildirim kontrolünü mümkün kılar. Sterilizasyon döngülerine ve yüksek basınca dayanabilen daldırılmış problar, gerçek zamanlı verileri doğrudan biyoreaktör kontrol ünitelerine iletir [6].
Eylül 2018'de Université de Lorraine tarafından yapılan bir çalışma, 2 litrelik CHO hücre biyoreaktöründe paralel çalışan in situ Raman ve NIR problarını karşılaştırdı. Sonuçlar, Raman spektroskopisinin glikoz ve laktat tespitinde başarılı olduğunu, NIR'in ise glutamin ve amonyum izlenmesinde daha etkili olduğunu gösterdi. Her iki yöntemin güçlü yönlerini birleştirmek, kültürlenmiş et üretimi için en kapsamlı gerçek zamanlı izlemeyi sağlar [2].
Spektroskopi verileri ayrıca, devam eden partileri belirlenmiş Altın Parti standartlarıyla sürekli olarak karşılaştıran Çok Değişkenli İstatistiksel Süreç Kontrolü (MSPC) sistemlerine beslenir. Bu yaklaşım, operatörlerin kontaminasyon, besin eksiklikleri veya ekipman arızaları nedeniyle oluşan sapmaları günler yerine saatler içinde tespit etmelerini sağlar. Sonuç, üretimde daha iyi verimlilik ve daha büyük tutarlılık olur [4].
Spektroskopi Ekipmanlarını Temin Etme Cellbase
Spektroskopi Ekipmanları için Neden Cellbase Kullanılmalı
Yetiştirilmiş et üretimi için doğru spektroskopi ekipmanını seçmek, teknik detaylar labirentinde gezinmek gibi hissettirebilir. Genel amaçlı spektrometreler binlerce yapılandırma sunarken [18], doğru uzmanlık olmadan bunalmış hissetmek kolaydır.
İşte burada
Ekipman Tedariki için Cellbase Ana Özellikleri
Ayrıca,
Sonuç
NIR ve Raman spektroskopisi, kültürlenmiş et için büyüme ortamını rafine etmede kritik bir rol oynar. Bu ileri teknikler, gerçek zamanlı, invaziv olmayan izleme ile glikoz, laktat ve amonyum gibi anahtar analitlerin izlenmesini sağlar. Bu, üretim ekiplerinin süreci kesintiye uğratmadan hızlı ayarlamalar yapabileceği anlamına gelir - medya tasarımının kültive edilmiş et üretimini ölçeklendirmede en büyük zorluklardan biri olmaya devam ettiği göz önüne alındığında bu önemli bir avantajdır [16] [19].
Her yöntem kendi güçlü yönlerini masaya getirir. NIR spektroskopisi , biyokütle ve genel kompozisyonu değerlendirmede üstünken, Raman spektroskopisi sulu çözeltilerdeki belirli metabolitler hakkında ayrıntılı bilgiler sağlar [1]. Mini biyoreaktör çalışmaları sırasında, Raman spektroskopisi etkileyici bir öngörü doğruluğu sergileyerek, hassas ölçümler için güvenilir bir seçim haline gelmiştir [16]. Her iki teknik de "altın parti" profili geliştirilmesini destekler, böylece operatörler bakteriyel kontaminasyon veya havalandırma sorunları gibi problemleri ortaya çıkar çıkmaz tespit edebilir [4] .
Doğru spektroskopi ekipmanını seçmek söz konusu olduğunda, süreç göz korkutucu olabilir. İşte burada
Profesör Alan G. Ryder bu yöntemlerin önemini vurguluyor:
Doğru uygulandığında hızlı spektroskopik yöntemler, moleküler varyansı ve ortam üretimindeki potansiyel sorunları belirlemek için hücre kültürü ortamının hızlı ve etkili bir şekilde taranmasında kullanılabilir [1].
SSS
Kültür et üretiminde spektroskopi kullanmanın faydaları nelerdir?
Yakın kızılötesi (NIR) ve Raman gibi spektroskopi teknikleri, kültür et endüstrisine değerli araçlar sunar. Büyüme ortamının gerçek zamanlı, invaziv olmayan izlenmesini sağlarlar, bu da besin maddelerini, metabolitleri ve hücre yoğunluğunu sürekli olarak izlemeyi mümkün kılar - numune almaya veya ekstra reaktifler kullanmaya gerek kalmadan. Bu izleme seviyesi, daha sıkı süreç kontrolünü sürdürmeye yardımcı olur ve ortam bileşimine yapılan ayarlamaları hızlandırır, bu da üretimi ölçeklendirirken tutarlı kaliteyi sağlamak için esastır.
Bu yöntemler ayrıca etkili ve maliyet tasarrufludur. Tek bir ölçümle, amino asitler, şekerler ve lipitler gibi birden fazla bileşeni aynı anda analiz edebilirler - ayrı kimyasal testlere olan ihtiyacı ortadan kaldırarak.Bu, hem iş gücü hem de malzeme maliyetlerini azaltırken, kaliteyi standartlaştırmaya ve partiler arasındaki değişkenliği azaltmaya yardımcı olan öngörücü modelleri geliştirebilecek veriler sağlar.
Bir diğer avantaj, spektroskopinin otomatik sistemlerle ne kadar kolay entegre olabileceğidir. Örneğin, NIR probları biyoreaktörlere doğrudan monte edilerek sürekli veri sağlayabilir ve besleme oranları veya sıcaklık gibi kritik parametrelerde otomatik ayarlamalar yapılmasına olanak tanır. Özel ekipmana ihtiyaç duyanlar için,
Kültür et üretiminde büyüme medyasını analiz etmek için NIR ve Raman spektroskopisi arasındaki temel farklar nelerdir?
Yakın Kızılötesi (NIR) spektroskopisi, büyüme medyasının genel bileşiminin hızlı, invaziv olmayan izlenmesi için mükemmeldir.Çevrimiçi veya hat içi kontrol sağlama yeteneği, üreticilerin üretim süreci sırasında anında ayarlamalar yapmasına yardımcı olarak gerçek zamanlı veri sunabileceği anlamına gelir.
Öte yandan, Raman spektroskopisi kesin bir moleküler parmak izi sunar ve glikoz ve laktat gibi belirli metabolitleri tanımlamak ve ölçmek için mükemmel bir seçimdir. Bu düzeydeki hassasiyet, özellikle kültive edilmiş et üretiminin özel ihtiyaçlarına uygun ortam bileşimini ince ayarlamak için faydalıdır.
Kültive edilmiş et üretimi için büyüme ortamının gerçek zamanlı izlenmesi neden önemlidir?
Gerçek zamanlı izleme, kültive edilmiş et üretimi için büyüme ortamını tam olarak doğru tutmada önemli bir rol oynar. Besinler, metabolitler ve hücre sağlığını yakından izleyerek, üreticiler koşulları hızla ayarlayarak hücre büyümesini sabit tutabilir ve nihai ürünün kalitesini artırabilir.
Bu uygulamalı yöntem, geleneksel çevrimdışı testlerle ilişkili bekleme süresini ortadan kaldırarak daha iyi verim ve daha az atık sağlar. Ayrıca kaynakların daha etkili kullanılmasını sağlayarak üretim sürecini hızlandırır ve güvenilirliği artırır.
