佐治亞理工學(xué)院的研究生助理Mason Chilmonczyk在反應(yīng)離子蝕刻工具中的等離子體蝕刻步驟之后檢查器件。這項(xiàng)工作正在電子和納米技術(shù)研究所的Marcus Building潔凈室進(jìn)行。圖片來源：喬治亞理工學(xué)院的Rob Felt

研究人員已經(jīng)展示了一種用于監(jiān)測特定生物分子的綜合技術(shù)-例如生長因子-可以指示為基于細(xì)胞的療法的新興領(lǐng)域生產(chǎn)的活細(xì)胞培養(yǎng)物的健康狀況。

利用微流體技術(shù)推進(jìn)化學(xué)復(fù)雜生物反應(yīng)器環(huán)境中樣品的制備，研究人員利用電噴霧電離質(zhì)譜（ESI-MS）提供在線監(jiān)測，他們認(rèn)為這將為治療細(xì)胞生產(chǎn)提供一種精確的質(zhì)量控制。徹底改變了其他制造工藝。

格魯吉亞理工學(xué)院喬治W.伍德拉夫機(jī)械工程學(xué)院的伍德拉夫教授安德烈·費(fèi)奧多羅夫說：“今天細(xì)胞療法的生產(chǎn)方式非常具有藝術(shù)性?！?nbsp;“過程控制必須非常迅速地發(fā)展，以支持當(dāng)今基礎(chǔ)科學(xué)中出現(xiàn)的治療應(yīng)用。我們認(rèn)為這項(xiàng)技術(shù)將幫助我們實(shí)現(xiàn)將這些令人興奮的基于細(xì)胞的療法廣泛應(yīng)用的目標(biāo)?！?/span>

通過測量非常低濃度的細(xì)胞分泌或排泄的特定化合物，該技術(shù)還可以幫助確定哪些生物分子 - 大小各異 - 應(yīng)該進(jìn)行監(jiān)測，以指導(dǎo)細(xì)胞健康的控制。最終，研究人員希望將無標(biāo)記監(jiān)測直接整合到大批量生物反應(yīng)器中，這些生物反應(yīng)器將生產(chǎn)數(shù)量足夠大的細(xì)胞，以便以合理的成本和一致的質(zhì)量提供新療法。動(dòng)態(tài)質(zhì)譜探針（DMSP）的開發(fā)得到美國國家科學(xué)基金會(huì)（NSF）細(xì)胞制造技術(shù)工程研究中心（CMaT）的支持，該工作研究中心總部位于佐治亞理工學(xué)院。這項(xiàng)工作于9月10日在“ 生物技術(shù)與生物工程 ”雜志上發(fā)表。

傳統(tǒng)的ESI-MS技術(shù)通過精確鑒定復(fù)雜的生物化合物，徹底改變了分析化學(xué)。由于復(fù)雜的樣品制備要求，ESI-MS的現(xiàn)有方法需要太多時(shí)間來用于連續(xù)監(jiān)測生物反應(yīng)器中的細(xì)胞生長，其中維持細(xì)胞健康的特定指標(biāo)的窄參數(shù)是關(guān)鍵的。生物樣品還含有鹽，必須在引入ESI-MS系統(tǒng)之前將其除去。為了加快分析過程，F(xiàn)edorov和一個(gè)包括研究生研究助理Mason Chilmonczyk和研究工程師Peter Kottke的團(tuán)隊(duì)使用微流體技術(shù)幫助將化合物與鹽分開。除鹽使用單片裝置，其中具有納米級(jí)孔的尺寸選擇性膜置于兩個(gè)流體流之間，一個(gè)是從生物反應(yīng)器中抽取的化學(xué)復(fù)合樣品，另一個(gè)是含有調(diào)理化合物的無鹽水。較小的鹽分子容易擴(kuò)散出取樣的生物反應(yīng)器流過納米孔，而較大的生物分子大部分保留用于隨后的ESI-MS分析。同時(shí)，化學(xué)添加劑同時(shí)通過相同的膜納米孔引入樣品混合物中以增強(qiáng)取樣混合物中目標(biāo)生物分子的電離，以改進(jìn)ESI-MS分析。

“我們已經(jīng)使用先進(jìn)的微制造技術(shù)來制造一種能夠在不到一分鐘內(nèi)處理樣品的微流體裝置，”Chilmonczyk說。“傳統(tǒng)的樣品制備可能需要數(shù)小時(shí)到數(shù)天?！痹摴に嚹壳翱梢匀コ噙_(dá)99％的鹽，同時(shí)保留80％的生物分子。調(diào)理化學(xué)品的引入允許分子接受更大的電荷，提高質(zhì)譜儀檢測低濃度生物分子的能力，并測量大分子。

“我們可以檢測出質(zhì)譜儀通常無法檢測到的高分子量分子，”Fedorov說?！澳繕?biāo)分子的大小差異可能是顯著的，因此在廣泛的分析物分子量范圍內(nèi)檢測限的提高將使這種技術(shù)在細(xì)胞制造中更有用?！?/span>

因?yàn)樗鼈兪褂米钕冗M(jìn)的微制造技術(shù)，所以可以批量生產(chǎn)DMSP裝置，允許按比例放大采樣以包括多個(gè)低成本的生物反應(yīng)器。小尺寸的器件通道 - 只有5微米高 - 允許系統(tǒng)產(chǎn)生小至20納升的樣品 - 有可能將其減少到只有一納升?！拔覀冃枰谏a(chǎn)線的這個(gè)混亂的環(huán)境中監(jiān)測小濃度的大型生物分子，以便我們可以隨時(shí)檢查細(xì)胞是如何進(jìn)行的，”Fedorov說?！霸撓到y(tǒng)可以持續(xù)監(jiān)測某些分子是否以降低或增加的速率排出或分泌。通過將這些測量與細(xì)胞健康和效力相關(guān)聯(lián)，我們可以改善制造過程。”

在將分析技術(shù)應(yīng)用于質(zhì)量控制之前，研究人員必須首先確定指示生長細(xì)胞健康的生物分子。通過在細(xì)胞附近局部采樣生物反應(yīng)器內(nèi)容并允許識(shí)別極少量的生物化學(xué)物質(zhì)，DMSP技術(shù)可以幫助研究人員識(shí)別分子濃度的變化 - 從皮摩爾到微摩爾 - 可能表明狀態(tài)生物反應(yīng)器中的細(xì)胞。這將及時(shí)調(diào)整生物反應(yīng)器中的條件以恢復(fù)到健康細(xì)胞生長狀態(tài)?！霸谶@種情況下，我們經(jīng)常看不到森林的樹木，”費(fèi)奧多羅夫說?！坝泻芏嗫捎玫牟牧希俏覀冋趯ふ乙恍┍砻骷?xì)胞健康狀況的樹木。由于森林長滿了，我們需要檢查的少數(shù)幾棵樹很難找到。這是一個(gè)技術(shù)上的巨大挑戰(zhàn)?！?/span>

更多信息： Mason A. Chilmonczyk等。用于ESI-MS監(jiān)測生物反應(yīng)器的動(dòng)態(tài)質(zhì)譜探針（DMSP），用于治療細(xì)胞制造，生物技術(shù)和生物工程（2018）。DOI：10.1002 / bit.26832 期刊參考： 生物技術(shù)和生物工程

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