改进先进的基于细胞的治疗生物制造

佐治亚理工学院的研究人员报告说，他们开发了一种分析工具，旨在改善先进细胞疗法的生物制造过程。该团队表示，其动态采样平台可以对在生物反应器中进行修饰和生长以进行处理的细胞进行实时分析，从而克服了目前耗时、劳动密集型且昂贵的过程。由首席研究员AndreiFedorov博士领导的科学家们在《芯片实验室》杂志上发表了他们的研究(“基于微流体和实时超大规模高分辨率成像的原代心肌细胞高内涵药物筛选”)英国皇家化学学会会员。

“高内涵筛选(HCS)在生物应用和药物开发中发挥着重要作用。现有技术无法同时满足通量、样品和化学品消耗效率以及高分辨率大视图实时成像的多种需求。利用微流体和成像技术的进步，我们为心脏毒性等快速生物过程建立了大规模、高内涵药物筛选解决方案的新范例，”研究人员写道。

“设计的微流控芯片可以同时检测10种药物，每种药物有5种浓度。该成像系统的视频速率为30Hz，视场厘米为0.8μm，分辨率为0.8μm。使用HCS系统，我们分析了12种小分子对心肌细胞Ca2+离子信号的影响。实验结果证明了该系统在揭示心肌细胞Ca2+成像时空模式方面无与伦比的能力，并验证了某些分子的心脏毒性。

细胞处理装置有一个细如人发的通道，细胞可以通过该通道流动。它们被细胞固定特征捕获，冲洗，然后通过施加电脉冲裂解(弹出)。设备顶部的金是排列在通道上的集成电极。这些电极施加裂解所需的脉冲。裂解后，生化物质流出装置并进入质谱仪进行分析。[佐治亚理工学院]

“我们预计，这种新的HCS范例和尖端平台可为基于孔板的方法提供最先进的替代方案。”

“这些细胞疗法令人兴奋，因为它们确实非常出色，”乔治·W·伍德拉夫机械工程学院教授、佐治亚理工学院佩蒂特生物工程与生物科学研究所成员费多罗夫说。“他们提供了彻底的治愈方法。你本来就有病，但现在没有了。生物制造过程需要控制产品安全和治疗效力。但有一个问题——它非常昂贵。”

Fedorov和他的团队旨在深入了解细胞行为和过程控制所需的生化信息。他们开发的技术可能会降低这些革命性治疗方法的成本，使它们适用于更广泛的患者群体。

批准的细胞治疗产品的价格范围为每次治疗50万至200万美元，生产推高了成本。

“你从患者或捐赠者身上提取一些细胞，然后修改并培养被认为足够的细胞，目前大约有十亿个细胞，”费多罗夫说。

收获细胞后，它们会经历许多步骤，包括在生物反应器中进行改造，这通常需要大约14天。

“通常，这些治疗方法只被批准用于接近绝症的患者，”费多罗夫继续说道。“问题是，你并不真正知道细胞是否保持了它们的治疗效力。你几乎只能靠运气，因为缺乏在整个过程中全面监控细胞状态的能力。”

Fedorov指出，缺乏合适的过程分析工具是这些疗法进入大众市场的主要瓶颈，导致成本高昂，并代表了生物制造过程中的巨大差距。

因此，他和他的同事开发了一种新工具来填补这一空白，它的大小只有缩略图大小。

动态采样平台

这些先进的细胞疗法的生物制造取决于细胞可靠且可重复的生长，这需要对细胞增殖的生物反应器内的化学汤进行警惕的监测和分析。

“传统的工作流程是非常手动的——有大量的移液和离心，而且有很多很多的细胞，而且需要很长时间，”该研究的主要作者、费多罗夫实验室的博士生奥斯汀·卡尔伯森(AustinCulberson)说。“所以，我们想知道是否可以开发技术来更快地做到这一点。”

他们做到了。第一代动态采样平台专注于分析细胞分泌的生物分子。它是由前博士生MasonChilmoczyk在Fedorov的实验室开发的，他现在是该实验室的博士后研究员。Chilmonczyk和Fedorov正在将该技术商业化，他们在其他期刊上撰写了有关细胞制造过程分析工具的文章。

Chilmonczyk开发了一种微型设备，可以处理培养基样本——细胞发育的维生素和生长因子的肉汤。卡尔伯森将研究更进一步，创造了另一种执行细胞内分析的小型设备。现在，该团队相信它拥有探测细胞内部化学活性的工具，以及分析周围含有细胞分泌生物标志物的营养丰富的肉汤。

“这些信息的结合提供了关于生物反应器中细胞发生的情况的更广泛、更深入的见解，”卡尔伯森说。

Fedorov表示：“我们正在寻找生物标志物，即称为代谢物的较小分子。他们应该告诉我们细胞如何运作的故事——这是一个好的细胞吗?它是否遵循正确的生长轨迹?它是否能分化成适当类型的细胞，并发展出针对疾病的能力?在这个过程结束时，它是否具有效力?可以给患者使用吗?”

Culberson的微型细胞处理装置从生物反应器中接收约100个细胞。细胞穿过像人头发一样细的通道，然后被捕获，冲洗掉肉汤，然后通过电脉冲裂解或爆开。

“裂解后，我们将这些生化物质喷入质谱仪中进行分析，”卡尔伯森说。“我们的目标是拥有一个完全自动化的平台，因此当您设置生物制造工作流程时，您将安装动态采样平台。然后您就拥有全自动、实时分析功能来指导和跟踪细胞生长。”