Parameter wie pH-Wert, gelöster Sauerstoff, Kohlendioxidkonzentration und Zelldichte vermitteln Einblicke in den aktuellen Zustand von Zellkulturen und sind im Hinblick auf Qualität und Quantität des in den Kulturen produzierten Wirkstoffes permanent zu überwachen. Die ermittelten Messwerte geben wertvolle Informationen bezüglich der Nährstoffversorgung der Kulturen und tragen dazu bei, eine ideale Umgebung für ein bestmögliches Endprodukt zu schaffen.
Zur Erfassung der Zelldichte empfiehlt sich die direkte Echtzeitmessung der lebenden Zellen bzw. der gesamten Zelldichte. Dafür hat Hamilton Bonaduz Incyte- und Dencytee-Sensoren entwickelt. Sie erfassen die aktuellen Werte und ermöglichen deren Analyse. Kritische Situationen, die bei den üblichen, punktuellen Offline-Analysen kaum bemerkt worden wären, finden auf diese Weise unmittelbar Beachtung. Für ein bestmögliches Endprodukt ist das Erfassen der Messwerte während der Wachstums- und der stationären Phase, also in dem Zeitraum, in dem das Zielmolekül in zunehmender Menge gebildet wird, entscheidend. Bei ausschließlicher Betrachtung der Gesamtzelldichte ist der Zeitpunkt, ab dem vermehrt Zellen absterben, nicht erkennbar, denn eine Unterscheidung zwischen lebenden und bereits toten Zellen kann nicht getroffen werden. Somit kann bei konstanter optischer Dichte nicht zwischen einem Mangel an Nährstoffen und abgestorbenen Zellen differenziert werden. Dahingegen werden mit dem Monitoring der lebenden Zelldichte Veränderungen sofort detektiert, wodurch die nächsten Schritte sehr zeitnah durchgeführt werden können. Dank der Messung der lebenden Zelldichte werden die Kultivierungsbedingungen optimal gestaltet und die Ausbeute gesteigert. Des Weiteren können Erkenntnisse bezüglich Veränderungen der Zellphysiologie gewonnen werden.
Transparente Prozesse
Incyte ist durch seine Eigenschaften für die Erfassung der lebenden Zelldichte, speziell für Anwendungen bei Säugetierzellen, Hefen und dichten, bakteriellen Fermentationen geeignet. Die erfassten Messwerte sind gegenüber Veränderungen des Mediums, dem Einsatz von Mikrocarriern und vorhandenen Zellfragmenten robust und werden nicht beeinflusst. Mit in Echtzeit erfassten Messwerten kann die Wachstumsphase verlängert und die Fütterungsstrategie optimiert werden. Die positiven Folgen sind neben einer zuverlässigeren Produktion auch ein höherer Ertrag mit gesteigerter Effizienz. Mit Dencytee, dem Sensor zur Messung der gesamten Zelldichte, werden sowohl lebende als auch tote Zellen aufgezeichnet. Als besonders effektiv erweist sich die Technologie, wenn die Zelldichte zu Beginn der Wachstumsphase sehr gering ist oder es sich um bakterielle Organismen handelt, die aufgrund ihres geringen Zellvolumens nur ein sehr schwaches Signal liefern. Insgesamt betrachtet gehören eine schnelle und simple Messung des Zellwachstums und zuverlässige Werte in Bezug auf die Wachstumsphase zu den Stärken des Dencytee-Sensors.
Die Vorteile der Echtzeitmessung liegen auf der Hand: Das Zellwachstum wird zu jederzeit dokumentiert und Ereignisse werden protokolliert. Unter Einbezug von Incyte und Dencytee können biologische Prozesse wesentlich transparenter gestaltet und optimiert werden. Denn im Vergleich zu Offline-Messungen muss das qualifizierte Fachpersonal keine zeitaufwendigen Proben entnehmen. Dies geschieht meist nur während der Arbeitszeit und Prozess- und damit verbundene Zellveränderungen, die beispielsweise nachts oder am Wochenende eintreten, werden nicht erkannt. Darüber hinaus ist bei der manuellen Probenentnahme das Kontaminationsrisiko erhöht.
pH-Wert und gelöster Sauerstoff
Neben der Zelldichte ist die Messung des pH-Wertes mit den Sensoren der Easyferm- Plus-Familie ratsam. Für die zuverlässige pH-Messung können die Anwender zwischen unterschiedlichen elektrischen Anschlüssen und Sensorlängen wählen. Dem Einsatzgebiet entsprechend wird auch das pH-Glas ausgewählt, sodass durch die genannten Faktoren eine hohe Messgenauigkeit und Reproduzierbarkeit erzielt wird. Die Sensorfamilie überzeugt mit einem geringen Wartungsaufwand sowie einer einfachen Reinigung, was nicht zuletzt reibungslose und unterbrechungsfreie Prozesse ermöglicht. Daneben kann mit Visiferm DO der Gehalt an gelöstem Sauerstoff kontrolliert werden. Der optische Sauerstoffsensor liefert stabile und zuverlässige Messwerte und muss erst nach einiger Zeit rekalibriert werden. Im Gegensatz zu den traditionellen Clark-Sensoren muss bei dem optischen Sensor weder polarisiert noch der Elektrolyt nachgefüllt werden.
Als Arc-Sensoren erhältlich
Die beiden genannten Sensortypen sind in Arc-Version erhältlich. Dies hat den Vorteil, dass sie unter definierten Bedingungen im Labor offline kalibriert werden können. Der Mikrotransmitter im Sensorkopf speichert die Kalibrierungsdaten. Die kabellose Verbindung über einen Wireless-Adapter steht für eine benutzerfreundliche Bedienung und ein einfaches Ablesen der Daten auf einem mobilen Endgerät, während der Sensor kalibriert wird oder sich im laufenden Prozess befindet. Diese Eigenschaften in Kombination mit einem robusten Signal, einem geringen Wartungsaufwand sowie einer einfachen Reinigung sorgen für einen reibungslosen und unterbrechungsfreien Prozess.
Mit der Geschwindigkeit und Genauigkeit der Messungen von Zelldichte, pH-Wert und gelöstem Sauerstoff gehen effizientere und standardisierte Abläufe einher. Somit können mit den Inline-Sensoren Prozesse optimal überwacht und optimiert werden. Nicht zuletzt dadurch wird die Forschung und Entwicklung im Bereich neuer und besserer Wirkstoffe einen wichtigen Schritt vorangetrieben.
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Autor: Dr. Knut Georgy
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