Микрофлюидный молекулярный обменник помогает контролировать производство терапевтических клеток

Исследователи продемонстрировали интегрированную методику для мониторинга специфических биомолекул (например, факторов роста), которые могут указывать на состояние живых клеточных культур, производимых для развивающейся области клеточной терапии.

Используя микрофлюидные технологии для подготовки образцов из химически сложной среды биореактора, исследователи применили масс-спектрометрию с электроспрейной ионизацией (ESI-MS) для обеспечения онлайн-мониторинга. По их мнению, это обеспечит для производства терапевтических клеток такой же уровень точного контроля качества, который произвел революцию в других производственных процессах.

Производство клеточных терапевтических средств сегодня — это во многом искусство. Контроль процесса должен развиваться очень быстро, чтобы поддерживать терапевтические применения, появляющиеся сегодня в лабораторной науке. Эта технология поможет достичь цели сделать эти перспективные клеточные терапии широко доступными.

Измеряя очень низкие концентрации специфических соединений, секретируемых или экскретируемых клетками, методика также может помочь определить, какие биомолекулы (сильно различающиеся по размеру) следует отслеживать для контроля состояния клеток. В конечном итоге исследователи надеются интегрировать свой безызбыточный мониторинг непосредственно в высокопроизводительные биореакторы, которые будут производить клетки в количествах, достаточных для обеспечения доступности новых терапий по разумной цене и с постоянным качеством.

Разработка Динамического масс-спектрометрического зонда (DMSP) была поддержана Инженерно-исследовательским центром NSF по технологиям клеточного производства (CMaT). Работа была опубликована 10 сентября в журнале Biotechnology and Bioengineering.

Традиционные методы ESI-MS требуют слишком много времени из-за сложной подготовки проб и непригодны для непрерывного мониторинга роста клеток в биореакторах. Биологические образцы также содержат соли, которые необходимо удалить перед введением в систему ESI-MS.

Чтобы ускорить аналитический процесс, команда использовала микрофлюидную технологию для отделения целевых соединений от солей. Удаление солей использует монолитное устройство, в котором размер-селективная мембрана с нанопорами помещена между двумя потоками жидкости: химически сложным образцом из биореактора и водой без солей с кондиционирующими добавками.

Меньшие молекулы солей легко диффундируют из отобранного потока через нанопоры, в то время как более крупные биомолекулы в основном остаются для последующего анализа ESI-MS. Одновременно через те же мембранные нанопоры в образец вводятся химические добавки для усиления ионизации целевых биомолекул и улучшения анализа ESI-MS.

Используя передовые методы микрообработки, можно создать микрофлюидное устройство, способное обрабатывать образцы менее чем за минуту, в отличие от традиционной подготовки, требующей часов или дней.

В настоящее время процесс может удалить до 99% соли, сохраняя при этом 80% биомолекул. Введение кондиционирующих химикатов позволяет молекулам принимать больший заряд, что улучшает способность масс-спектрометра обнаруживать биомолекулы низкой концентрации и измерять крупные молекулы.

Можно обнаруживать молекулы с очень высокой молекулярной массой, которые масс-спектрометр обычно не смог бы обнаружить. Улучшение предела обнаружения в широком диапазоне молекулярных масс аналитов сделает эту технику более полезной в клеточном производстве.

Поскольку устройства DMSP изготавливаются с использованием современных методов микрообработки, их можно производить серийно, что позволяет масштабировать отбор проб для нескольких биореакторов при низкой стоимости. Малый размер каналов устройства (всего пять микрон в высоту) позволяет системе работать с образцами объемом всего 20 нанолитров, с потенциалом уменьшения до одного нанолитра.

Эта система могла бы непрерывно отслеживать, выделяются или секретируются ли определенные молекулы с пониженной или повышенной скоростью. Коррелируя эти измерения с жизнеспособностью и активностью клеток, можно улучшить производственный процесс.

Прежде чем аналитические методы можно будет применить для контроля качества, исследователи должны сначала идентифицировать биомолекулы, указывающие на состояние растущих клеток. Технология DMSP, отбирая содержимое биореактора локально в непосредственной близости от клеток и позволяя идентифицировать очень малые количества биохимических веществ, может помочь исследователям выявить изменения в концентрациях молекул (в диапазоне от пикомолярных до микромолярных), которые могут указывать на состояние клеток в биореакторах. Это позволило бы своевременно корректировать условия в биореакторе для возврата к состоянию здорового роста клеток.