微流体分子交换器有助于控制治疗细胞的制造

研究人员已经展示了一种用于监测特定生物分子的综合技术 - 例如生长因子 - 可以指示为基于细胞的疗法的新兴领域生产的活细胞培养物的健康状况。利用微流体技术推进化学复杂生物反应器环境中样品的制备，研究人员利用电喷雾电离质谱(ESI-MS)提供在线监测，他们认为这将为治疗细胞生产提供一种精确的质量控制。彻底改变了其他制造工艺。

格鲁吉亚理工学院乔治W.伍德拉夫机械工程学院的伍德拉夫教授安德烈·费奥多罗夫说：“今天细胞疗法的生产方式非常具有艺术性。” “过程控制必须非常迅速地发展，以支持当今从替补科学中产生的治疗应用。我们认为这项技术将帮助我们实现将这些令人兴奋的基于细胞的疗法广泛应用的目标。”

通过测量非常低浓度的细胞分泌或排泄的特定化合物，该技术还可以帮助确定哪些生物分子 - 大小各异 - 应该进行监测，以指导细胞健康的控制。最终，研究人员希望将无标记监测直接整合到大批量生物反应器中，这些生物反应器将生产数量足够大的细胞，以合理的成本和一致的质量提供新疗法。

动态质谱探针(DMSP)的开发得到美国国家科学基金会(NSF)细胞制造技术工程研究中心(CMaT)的支持，该工作研究中心总部位于佐治亚理工学院。这项工作于9月10日在“ 生物技术与生物工程 ”杂志上发表。

传统的ESI-MS技术通过精确鉴定复杂的生物化合物，彻底改变了分析化学。由于复杂的样品制备要求，ESI-MS的现有方法需要太多时间来用于连续监测生物反应器中的细胞生长，其中维持细胞健康的特定指标的窄参数是关键的。生物样品还含有盐，必须在引入ESI-MS系统之前将其除去。

为了加快分析过程，Fedorov和一个包括研究生研究助理Mason Chilmonczyk和研究工程师Peter Kottke的团队使用微流体技术帮助将化合物与盐分离。除盐使用单片装置，其中具有纳米级孔的尺寸选择性膜置于两个流体流之间，一个是从生物反应器中抽取的化学复杂样品，另一个是带有调理化合物的无盐水。

较小的盐分子容易扩散出样品生物反应器流过纳米孔，而较大的生物分子大部分保留用于随后的ESI-MS分析。同时，化学添加剂同时通过相同的膜纳米孔引入样品混合物中以增强取样混合物中目标生物分子的电离，用于改进的ESI-MS分析。

“我们使用先进的微细加工技术创造了一种能够在不到一分钟内处理样品的微流体装置，”Chilmonczyk说。“传统的样品制备可能需要数小时到数天。”

该工艺目前可以去除多达99%的盐，同时保留80%的生物分子。调理化学品的引入允许分子接受更大的电荷，提高质谱仪检测低浓度生物分子的能力，并测量大分子。

“我们可以检测到质谱仪通常无法检测到的高分子量分子，”Fedorov说。“目标分子的大小差异可能非常大，因此在广泛的分析物分子量范围内检测限的提高将使这种技术在细胞制造中更有用。”

因为它们使用最先进的微制造技术，所以可以批量生产DMSP装置，从而可以按比例放大采样以包括多个低成本的生物反应器。小尺寸的器件通道 - 只有5微米高 - 允许系统产生小至20纳升的样品 - 有可能将其减少到只有一纳升。

“我们需要在生产线的这个混乱环境中监测小浓度的大型生物分子，以便我们可以随时检查细胞是如何进行的，”Fedorov说。“该系统可以持续监测某些分子是否以降低或增加的速率排出或分泌。通过将这些测量与细胞健康和效力相关联，我们可以改善制造过程。”

在将分析技术应用于质量控制之前，研究人员必须首先确定指示生长细胞健康的生物分子。通过在细胞附近局部采样生物反应器内容并允许识别极少量的生物化学物质，DMSP技术可以帮助研究人员识别分子浓度的变化 - 从皮摩尔到微摩尔 - 可能表明状态生物反应器中的细胞。这将及时调整生物反应器中的条件以恢复到健康细胞生长状态。

“在这种情况下，我们经常看不到森林里的树木，”费奥多罗夫说。“有很多材料可供选择，但我们正在寻找一些表明细胞健康状况的树木。由于森林长满了，我们需要检查的少数几棵树很难找到。这是一个技术上的巨大挑战。“