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技術課堂 | 部署原位拉曼光譜實現生物過程的可視化
“生物過程是發現和制備藥物、特殊化學品、大宗能源及化學品的重要手段。先進的檢測及控制技術的缺乏極大限制了發酵過程的產率及產能，也對于發酵產物的質量有重要影響。原位拉曼光譜技術是一種可靠的PAT方法，可實現對于發酵過程中營養物、代謝物和產物以及細胞生長參數等指標的在線檢測。在線過程分析技術帶來的豐富數據可以進一步提升發酵過程工藝水平，并最終實現QbD（質量源于設計）。”
細胞培養是培養細胞獲取重組蛋白、抗體等生物大分子生產中的過程，這一過程直接影響到產品的產量及質量。由于細胞培養環境及培養策略會直接影響細胞的生長狀況，為保證細胞正常生長、提高產量及保證產品質量，必須監控細胞培養過程。
目前，一般只對發酵過程的工藝參數，如pH、溫度、溶氧(DO)、攪拌速度等進行在線檢測和控制，而與產品質量密切相關的生化指標仍采用取樣分析方式。傳統的離線取樣存在取樣時間間隔較長、分析繁瑣等問題，難以滿足細胞生長的實時監測與分析要求，因此亟需開發發酵過程中生化指標的離線快速檢測或在線檢測方法。
圖1 發酵過程及關鍵工藝參數和相關技術指標的檢測
PAT技術加速生物過程工藝開發和優化
過程分析技術（PAT）是美國食品和藥物管理局（FDA）與歐洲藥品管理局（EMA）倡導的制藥行業工藝研究與生產的技術。PAT的本質是通過實時測量原料、過程中物料以及過程本身的關鍵技術指標來實現生產過程的設計、分析和控制。實施PAT能夠簡化分析過程，為生物制造過程提供連續的工作流程，并為提前發現和解決問題創造可能性。
在線光譜技術是一種現實可行的PAT策略，可以實現實時過程展示，在線參數監測以及過程反饋控制。常見的在線光譜分析方法包括在線近紅外 (near-infrared，NIR)、在線中紅外(mid-infrared，MIR)、在線拉曼（Raman）光譜等。
圖2 梅特勒托利多在線光譜儀： ReactIR™ FTIR（傅里葉變換）光譜儀和ReactRaman™原位拉曼光譜儀
水是細胞培養液的主要成分，在近紅外光譜和中紅外光譜中吸收較強，培養液中其他成分的紅外光譜信息很容易被水的吸收峰掩蓋。而水的拉曼信號較弱，相比于紅外光譜，拉曼光譜更適合于水體系的分析，其能提供更高特異性的分子指紋信息。因此，拉曼光譜更適合用于生物過程的分析和應用。
拉曼光譜技術可原位同步分析發酵過程中營養物、代謝物和產物的組分濃度變化，借助化學計量學數學模型，甚至可實現同步監測活細胞密度（VCD）、總細胞密度（TCD）、細胞活率（VIB）等生化指標，實現生物過程的實時在線過程監測。
圖3 拉曼光譜技術可實現發酵過程的原位在線監控
ReactRaman™ 原位拉曼光譜儀可以在幾秒鐘內收集和分析光譜，實現對生物過程的密切監控。在定量模型的基礎上，研究人員可以對多參數進行快速和同時檢測；甚至在整合入生物反應器后，完成某一關鍵參數或物料流加的反饋控制循環。
基于所關注參數的定量模型，只需根據時刻點的光譜數據即可獲取該時刻下對應的所關注指標的數值。相比于傳統的離線分析方法，拉曼光譜法可以大大縮短分析時間，這對于研發人員和分析儀器資源的優化具有重要意義。很少的取樣量（低至1ml）即可完成對于多種參數的同時快速檢測。
圖4 使用ReactRaman™原位拉曼光譜儀建立的細胞培養過程葡萄糖濃度和活細胞密度的過程趨勢圖
發酵體系的原位監測日益成為行業關注的方向。生物反應器廣泛用于整個生物制藥行業，例如單克隆抗體的制造。在發酵過程中細胞代謝水平可能隨時發生波動，代謝物水平可能會明顯改變，取樣分析帶來的滯后性會錯過這些過程的表征。
ReactRaman™ 802原位拉曼光譜儀可輕松與生物反應器整合。只需將探頭插入反應器中，在高溫蒸汽滅菌之后，即可對發酵過程進行全過程連續監測。從過往研究與實際項目經驗來看，葡萄糖濃度、乳酸濃度、谷氨酸濃度、谷氨酰胺濃度、乳酸脫氫酶濃度，活細胞密度(VCD)、總細胞密度(TCD)、細胞活率(VIB)等多個指標參數的在線監測均可通過這種方法實現。
對于全過程的連續監測提供了豐富的信息，遠遠大于取樣分析的數據量有助于提升我們對于發酵過程這一“暗室”的充分“可視化”，提升整個工藝的自動化和數字化水平。理論上，ReactRaman™ 802原位拉曼光譜儀可以幫助避免發酵過程的任何異常情況，確保生物反應器始終處于最優的操作條件。工作人員借助實時數據可做出快速決策，從而實現更高的產率和產品質量。