生物技術：微流體分子交換器有助於控制治療細胞的製造！
喬治亞理工學院的研究生助理Mason Chilmonczyk在反應離子蝕刻工具中的等離子體蝕刻步驟之後檢查器件。這項工作正在電子和納米技術研究所的Marcus Building潔淨室進行。圖片來源：喬治亞理工學院的Rob Felt。
研究人員已經展示了一種用於監測特定生物分子的綜合技術 - 例如生長因子 - 可以指示為基於細胞的療法的新興領域生產的活細胞培養物的健康狀況。
利用微流體技術推進化學複雜生物反應器環境中樣品的製備，研究人員利用電噴霧電離質譜（ESI-MS）提供在線監測，他們認為這將為治療細胞生產提供一種精確的質量控制。徹底改變了其他製造工藝。
喬治亞理工學院喬治W.伍德拉夫機械工程學院的伍德拉夫教授安德烈·費奧多羅夫說：「今天細胞療法的生產方式非常具有藝術性。」「過程控制必須非常迅速地發展，以支持當今基礎科學中出現的治療應用。我們認為這項技術將幫助我們實現將這些令人興奮的基於細胞的療法廣泛應用的目標。」
通過測量非常低濃度的細胞分泌或排洩的特定化合物，該技術還可以幫助確定哪些生物分子——大小各異——應該進行監測，以指導細胞健康的控制。最終，研究人員希望將無標記監測直接整合到大批量生物反應器中，這些生物反應器將生產數量足夠大的細胞，以便以合理的成本和一致的質量提供新療法。
動態質譜探針（DMSP）的開發得到美國國家科學基金會（NSF）細胞製造技術工程研究中心（CMaT）的支持，該工作研究中心總部位於喬治亞理工學院。這項工作於9月10日在「 生物技術與生物工程 」雜誌上發表。
傳統的ESI-MS技術通過精確鑑定複雜的生物化合物，徹底改變了分析化學。由於複雜的樣品製備要求，ESI-MS的現有方法需要太多時間來用於連續監測生物反應器中的細胞生長，其中維持細胞健康的特定指標的窄參數是關鍵的。生物樣品還含有鹽，必須在引入ESI-MS系統之前將其除去。
為了加快分析過程，Fedorov和一個包括研究生研究助理Mason Chilmonczyk和研究工程師Peter Kottke的團隊使用微流體技術幫助將化合物與鹽分開。除鹽使用單片裝置，其中具有納米級孔的尺寸選擇性膜置於兩個流體流之間，一個是從生物反應器中抽取的化學複合樣品，另一個是含有調理化合物的無鹽水。
較小的鹽分子容易擴散出取樣的生物反應器流過納米孔，而較大的生物分子大部分保留用於隨後的ESI-MS分析。同時，化學添加劑同時通過相同的膜納米孔引入樣品混合物中以增強取樣混合物中目標生物分子的電離，以改進ESI-MS分析。
「我們已經使用先進的微製造技術來製造一種能夠在不到一分鐘內處理樣品的微流體裝置，」Chilmonczyk說。「傳統的樣品製備可能需要數小時到數天。」
該工藝目前可以去除多達99％的鹽，同時保留80％的生物分子。調理化學品的引入允許分子接受更大的電荷，提高質譜儀檢測低濃度生物分子的能力，並測量大分子。「我們可以檢測出質譜儀通常無法檢測到的高分子量分子，」Fedorov說。「目標分子的大小差異可能是顯著的，因此在廣泛的分析物分子量範圍內檢測限的提高將使這種技術在細胞製造中更有用。」
因為它們使用最先進的微製造技術，所以可以批量生產DMSP裝置，允許按比例放大採樣以包括多個低成本的生物反應器。小尺寸的器件通道 - 只有5微米高 - 允許系統產生小至20納升的樣品 - 有可能將其減少到只有一納升。
「我們需要在生產線的這個混亂的環境中監測小濃度的大型生物分子，以便我們可以隨時檢查細胞是如何進行的，」Fedorov說。「該系統可以持續監測某些分子是否以降低或增加的速率排出或分泌。通過將這些測量與細胞健康和效力相關聯，我們可以改善製造過程。」
在將分析技術應用於質量控制之前，研究人員必須首先確定指示生長細胞健康的生物分子。通過在細胞附近局部採樣生物反應器內容並允許識別極少量的生物化學物質，DMSP技術可以幫助研究人員識別分子濃度的變化 - 從皮摩爾到微摩爾 - 可能表明狀態生物反應器中的細胞。這將及時調整生物反應器中的條件以恢復到健康細胞生長狀態。
「在這種情況下，我們經常看不到森林的樹木，」費奧多羅夫說。「有很多可用的材料，但是我們正在尋找一些表明細胞健康狀況的樹木。由於森林長滿了，我們需要檢查的少數幾棵樹很難找到。這是一個技術上的巨大挑戰。」