原位拉曼技术通过优化补料策略并缩短工艺开发周期
2026-04-07 来源:本站 点击次数:50
在生物制药工艺开发中，维持细胞培养环境的稳态对确保重组蛋白（如单克隆抗体、双特异性抗体等）的产量及关键质量属性（Critical Quality Attributes, CQAs）至关重要。传统补料策略多依赖离线取样分析，存在时间滞后、增加染菌风险以及无法捕捉代谢瞬时变化等局限，难以满足质量源于设计（QbD）对过程动态控制的要求。原位在线拉曼分析仪作为一种非侵入式过程分析技术（PAT）工具，能够实时、连续地捕获细胞代谢的“分子指纹”，在生物工艺开发及优化过程广泛应用。
技术原理：原位在线拉曼分析仪
拉曼光谱基于非弹性散射原理，当激光照射到培养液中的分子时，分子振动会导致散射光频率发生改变，产生独特的“指纹光谱”。在生物反应器中，拉曼探针可直接浸入培养液，实时获取包括葡萄糖、乳酸、谷氨酰胺、氨以及活细胞密度在内的多种关键参数。其优势在于无需取样、降低污染风险、无损检测，且受水分干扰极小。
核心参数的实时监控与工艺影响
1. 葡萄糖浓度的精准控制与质量调控
葡萄糖作为细胞的主要能量来源，其浓度水平直接影响细胞的代谢通量及产物的糖基化修饰。借助在线拉曼光谱监控技术，工艺人员能够实施精准的低浓度稳态补料策略，从而有效抑制细胞的溢流代谢，显著减少副产物乳酸的生成。更为重要的是，实时反馈控制可降低因葡萄糖浓度波动所引起的蛋白质糖基化宏观非均一性，保障最终产物的电荷变体及糖型分布稳定，进而显著提升比生产速率。
2. 乳酸代谢转向的识别与培养周期延长
乳酸的积累不仅会导致培养基 pH 值的剧烈波动，还会对细胞生长产生抑制作用。利用拉曼光谱的实时趋势分析，工艺人员可以敏锐地捕获细胞从“乳酸生成”向“乳酸消耗”跨越的临界点，即代谢转向。实时监控乳酸浓度的变化斜率，有助于在关键时间节点动态优化补料组分或调整理化参数。这种基于代谢状态的精准干预，能够有效缓解培养后期的代谢毒性，延长细胞平台期并提升最终的产物效价。
3. 基于拉曼反馈的自动补料策略优化
将拉曼分析仪与生物反应器控制系统集成，可以实现全自动的闭环控制。在实际应用中，采用Akwa® R1原位在线拉曼分析仪驱动的自动补料策略相比于传统的手动补料策略，蛋白产量可提升20%。更重要的是，自动补料策略大幅降低了因人工操作导致的批次间差异，增强了工艺的稳健性。
自动补料策略缩短工艺开发周期
工艺开发是一个从克隆筛选到确定最终补料策略及放大参数的复杂过程。原位在线拉曼分析仪在以下三个维度显著缩短这一周期：
高通量工艺开发（HTPD）：将拉曼探针集成至微型生物反应器系统，可并行监测多个反应器。每个反应器执行不同的补料策略或温度条件，获取完整的代谢轨迹，利用设计空间（Design Space）算法快速筛选最优补料曲线，该方式可显著减少实验设计（DoE）的迭代轮次。
加速小试阶段的策略确认：传统工艺在摇瓶阶段仅能检测终点参数，无法评估动态调控策略。利用原位在线拉曼分析仪在小规模玻璃反应器中进行模型验证，可在放大前确认闭环控制的有效性，减少因放大失败导致的返工。
实时工艺终点判定：传统工艺依赖固定培养天数，但不同批次间细胞生长及产品累积速率存在差异。拉曼模型可实时监测抗体滴度的累积速率，当速率降至设定阈值时自动终止培养，从而避免无效培养时间，并降低批间变异性。
Akwa®R1原位在线拉曼分析仪
浚真生命科学自主研发的Akwa® R1是一款内置标准化通用模型，实时监测的原位在线拉曼分析仪。Akwa® R1原位在线拉曼分析仪在生物工艺开发、工艺优化、工艺验证以及商业化生产的过程中实时监测多种关键工艺参数(CPPs)、关键质量属性（CQAs)：葡萄糖，乳酸、活细胞密度、活率、谷氨酸、谷氨酰胺、氨、抗体浓度等，为工艺优化和质量管控提供核心数据支撑，从而帮助客户在确保产品质量的前提下提升目标蛋白产率，助力生物制药企业降本增效，实现更高效、更稳定的工艺开发与生产。
原位在线拉曼分析仪不仅是监测工具，更是深化工艺理解（Process Understanding）的关键桥梁。通过实时洞察细胞代谢状态，工艺开发人员能够定义更窄的过程特性范围，从而在放大生产时确保产品质量的一致性。随着AI算法和光学传感技术的不断强大，原位在线拉曼分析仪必将成为未来智能生物制药智能化转型的标准配置，助力企业实现“实时洞察、即时响应、精益生产”的目标。
技术原理：原位在线拉曼分析仪
拉曼光谱基于非弹性散射原理，当激光照射到培养液中的分子时，分子振动会导致散射光频率发生改变，产生独特的“指纹光谱”。在生物反应器中，拉曼探针可直接浸入培养液，实时获取包括葡萄糖、乳酸、谷氨酰胺、氨以及活细胞密度在内的多种关键参数。其优势在于无需取样、降低污染风险、无损检测，且受水分干扰极小。
核心参数的实时监控与工艺影响
1. 葡萄糖浓度的精准控制与质量调控
葡萄糖作为细胞的主要能量来源，其浓度水平直接影响细胞的代谢通量及产物的糖基化修饰。借助在线拉曼光谱监控技术，工艺人员能够实施精准的低浓度稳态补料策略，从而有效抑制细胞的溢流代谢，显著减少副产物乳酸的生成。更为重要的是，实时反馈控制可降低因葡萄糖浓度波动所引起的蛋白质糖基化宏观非均一性，保障最终产物的电荷变体及糖型分布稳定，进而显著提升比生产速率。
2. 乳酸代谢转向的识别与培养周期延长
乳酸的积累不仅会导致培养基 pH 值的剧烈波动，还会对细胞生长产生抑制作用。利用拉曼光谱的实时趋势分析，工艺人员可以敏锐地捕获细胞从“乳酸生成”向“乳酸消耗”跨越的临界点，即代谢转向。实时监控乳酸浓度的变化斜率，有助于在关键时间节点动态优化补料组分或调整理化参数。这种基于代谢状态的精准干预，能够有效缓解培养后期的代谢毒性，延长细胞平台期并提升最终的产物效价。
3. 基于拉曼反馈的自动补料策略优化
将拉曼分析仪与生物反应器控制系统集成，可以实现全自动的闭环控制。在实际应用中，采用Akwa® R1原位在线拉曼分析仪驱动的自动补料策略相比于传统的手动补料策略，蛋白产量可提升20%。更重要的是，自动补料策略大幅降低了因人工操作导致的批次间差异，增强了工艺的稳健性。
自动补料策略缩短工艺开发周期
工艺开发是一个从克隆筛选到确定最终补料策略及放大参数的复杂过程。原位在线拉曼分析仪在以下三个维度显著缩短这一周期：
高通量工艺开发（HTPD）：将拉曼探针集成至微型生物反应器系统，可并行监测多个反应器。每个反应器执行不同的补料策略或温度条件，获取完整的代谢轨迹，利用设计空间（Design Space）算法快速筛选最优补料曲线，该方式可显著减少实验设计（DoE）的迭代轮次。
加速小试阶段的策略确认：传统工艺在摇瓶阶段仅能检测终点参数，无法评估动态调控策略。利用原位在线拉曼分析仪在小规模玻璃反应器中进行模型验证，可在放大前确认闭环控制的有效性，减少因放大失败导致的返工。
实时工艺终点判定：传统工艺依赖固定培养天数，但不同批次间细胞生长及产品累积速率存在差异。拉曼模型可实时监测抗体滴度的累积速率，当速率降至设定阈值时自动终止培养，从而避免无效培养时间，并降低批间变异性。
浚真生命科学自主研发的Akwa® R1是一款内置标准化通用模型，实时监测的原位在线拉曼分析仪。Akwa® R1原位在线拉曼分析仪在生物工艺开发、工艺优化、工艺验证以及商业化生产的过程中实时监测多种关键工艺参数(CPPs)、关键质量属性（CQAs)：葡萄糖，乳酸、活细胞密度、活率、谷氨酸、谷氨酰胺、氨、抗体浓度等，为工艺优化和质量管控提供核心数据支撑，从而帮助客户在确保产品质量的前提下提升目标蛋白产率，助力生物制药企业降本增效，实现更高效、更稳定的工艺开发与生产。
相关文章
更多 >