EA042735B1 - IN SITU RAMAN SPECTROSCOPY SYSTEMS AND METHODS FOR MONITORING PROCESS VARIABLES IN CELL CULTURES - Google Patents
IN SITU RAMAN SPECTROSCOPY SYSTEMS AND METHODS FOR MONITORING PROCESS VARIABLES IN CELL CULTURES Download PDFInfo
- Publication number
- EA042735B1 EA042735B1 EA202090783 EA042735B1 EA 042735 B1 EA042735 B1 EA 042735B1 EA 202090783 EA202090783 EA 202090783 EA 042735 B1 EA042735 B1 EA 042735B1
- Authority
- EA
- Eurasian Patent Office
- Prior art keywords
- cell culture
- post
- culture medium
- analytes
- glucose
- Prior art date
Links
Description
Перекрестная ссылка на родственные заявкиCross-reference to related applications
Настоящая заявка испрашивает преимущество приоритета предварительной заявки на патент СШАThe present application claims the benefit of the priority of the U.S. Provisional Application
62/572828, поданной 16 октября 2018 г. и 62/662322, поданной 25 апреля 2018 г., все из которых включены в качестве ссылки во всей их полноте, где это допустимо.62/572828 filed October 16, 2018 and 62/662322 filed April 25, 2018, all of which are incorporated by reference in their entirety where appropriate.
Область техникиTechnical field
Изобретение в целом относится к биореакторным системам и способам, включая способы и системы рамановской спектроскопии in situ для мониторинга и контроля одной или нескольких переменных процесса в культуре клеток биореактора.The invention generally relates to bioreactor systems and methods, including in situ Raman spectroscopy methods and systems for monitoring and controlling one or more process variables in bioreactor cell culture.
Уровень техникиState of the art
Структура Процессно-Аналитической Технология (ПАТ) Управления по контролю за продуктами и лекарствами (FDA) поощряет добровольную разработку и внедрение инновационных решений по разработки процессов, анализа процессов и контроля процессов для лучшего понимания процессов и контроля качества продуктов. Параметры процесса мониторятся и контролируются в процессе производства. Например, подача питательных веществ к культуре клеток в биореакторе во время производства биопродуктов является важным параметром процесса. Современное производство биопродуктов включает стратегию кормления ежедневными болюсными подпитками. В соответствии с современными способами ежедневные болюсные подпитки увеличивают концентрацию питательных веществ в клеточных культурах по меньшей мере пять раз в день. Чтобы гарантировать, что культура не исчерпала питательные вещества между подпитками, ежедневные болюсные подпитки поддерживают концентрации питательных веществ на высоких уровнях. Действительно, каждая подпитка рассчитана на то, чтобы иметь все питательные вещества, необходимые культуре для поддержания ее до следующей подпитки. Тем не менее, большое количество питательных веществ в каждодневной болюсной подпитке может вызвать существенные колебания уровня питательных веществ в биореакторе, что приводит к несоответствиям в качестве продукта, производимого производственной культурой.The Process Analytical Technology (PAT) Framework of the Food and Drug Administration (FDA) encourages the voluntary development and implementation of innovative process development, process analysis, and process control solutions to better understand processes and control product quality. Process parameters are monitored and controlled during production. For example, the supply of nutrients to a cell culture in a bioreactor during the production of bioproducts is an important process parameter. The modern production of bioproducts includes the strategy of feeding with daily bolus feeds. In accordance with current methods, daily bolus feeds increase the concentration of nutrients in cell cultures at least five times a day. To ensure that the culture does not deplete nutrients between feeds, daily bolus feeds keep nutrient concentrations high. Indeed, each feed is designed to have all the nutrients the crop needs to sustain it until the next feed. However, a large amount of nutrients in the daily bolus feed can cause significant fluctuations in nutrient levels in the bioreactor, resulting in inconsistencies in the quality of the product produced by the production crop.
Кроме того, высокая концентрация питательных веществ в каждой ежедневной болюсной подпитке способствует увеличению посттрансляционных модификаций получаемого биопродукта. Например, высокие концентрации глюкозы в культуре клеток могут привести к увеличению гликирования конечного биопродукта. Гликация представляет собой неферментативное присоединение восстанавливающегося сахара к аминокислотному остатку белка, обычно встречающееся у N-терминального амина белков и положительно заряженной аминогруппы. Полученные продукты гликирования могут иметь желтую или коричневую окраску, что может привести к окрашиванию лекарственного продукта (Hodge J.E. (1953) J Agric Food Chem. 1:928-943). Гликация также может приводить к вариациям заряда в одной производственной партии терапевтического моноклонального антитела (mAb) и приводить к ингибированию связывания (Haberger M. et al. (2014) MAbs. 6:327-339).In addition, the high concentration of nutrients in each daily bolus feed contributes to an increase in post-translational modifications of the resulting bioproduct. For example, high concentrations of glucose in cell culture can lead to increased glycation of the final bioproduct. Glycation is the non-enzymatic attachment of a reducing sugar to an amino acid residue of a protein, commonly found at the N-terminal amine of proteins and the positively charged amino group. The resulting glycation products may be yellow or brown, which may result in staining of the drug product (Hodge J.E. (1953) J Agric Food Chem. 1:928-943). Glycation can also lead to charge variations in one production batch of a therapeutic monoclonal antibody (mAb) and lead to binding inhibition (Haberger M. et al. (2014) MAbs. 6:327-339).
Соответственно, в стремлении продвинуть инициативу ПАТ, остается потребность в способе или системе способной оптимизировать концентрации питательных веществ в культуре клеток, что приведет к получению более качественных продуктов.Accordingly, in an effort to advance the PAT initiative, there remains a need for a method or system capable of optimizing nutrient concentrations in cell culture, resulting in higher quality products.
Сущность изобретенияThe essence of the invention
В данном документе раскрыты способы и системы рамановской спектроскопии in situ для мониторинга и контроля одной или нескольких переменных процесса в культуре клеток биореактора.Disclosed herein are in situ Raman spectroscopy methods and systems for monitoring and controlling one or more process variables in bioreactor cell culture.
Один вариант реализации настоящего изобретения включает способ контроля условий среды для культивирования клеток, включающий количественное определение одного или нескольких аналитов в среде для культивирования клеток с использованием рамановской спектроскопии in situ; и корректировку одной или нескольких концентраций аналита в среде для культивирования клеток для соответствия предварительно определенными концентрациям аналита, которые поддерживают посттрансляционные модификации белков в среде для культивирования клеток до 1,0-30%. В некоторых вариантах реализации посттрансляционная модификация включает гликирование. В других вариантах реализации белки в культуре клеток включают антитело, его антигенсвязывающий фрагмент или слитый белок. В других вариантах реализации среда для культивирования клеток включает клетки млекопитающего, например, клетки яичника китайского хомячка.One embodiment of the present invention includes a method for monitoring cell culture media conditions, comprising quantifying one or more analytes in the cell culture media using in situ Raman spectroscopy; and adjusting one or more analyte concentrations in the cell culture medium to match predetermined analyte concentrations that support post-translational modifications of proteins in the cell culture medium up to 1.0-30%. In some embodiments, the post-translational modification includes glycation. In other embodiments, the proteins in the cell culture include an antibody, an antigen-binding fragment thereof, or a fusion protein. In other embodiments, the cell culture medium comprises mammalian cells, such as Chinese hamster ovary cells.
В некоторых вариантах реализации аналит представляет собой глюкозу. В этом аспекте предварительно определенная концентрация глюкозы составляет от 0,5 до 8,0 г/л. В другом варианте реализации предварительно определенная концентрация глюкозы составляет от 1,0 до 3,0 г/л. В еще одном варианте реализации концентрация глюкозы составляет 2,0 или 1,0 г/л. В других вариантах реализации предварительно определенные концентрации аналита поддерживают посттрансляционные модификации белков в среде для культивирования клеток до 1,0-20% или от 5,0 до 10%. В еще других вариантах реализации количественное определение аналитов проводится непрерывно, периодически или с интервалами. Например, количественное определение аналитов проводится с 5-, 10- или 15-минутными интервалами. В еще других вариантах реализации количественное определение аналитов проводится ежечасно или, по меньшей мере, ежедневно. В некоторых вариантах реализации регулирование концентраций аналита проводится автоматически. В еще других вариантах реализации количественно определяют по меньшей мере два, или по меньшей мере три, или по меньшей мере четыре разных аналита.In some embodiments, the analyte is glucose. In this aspect, the predetermined glucose concentration is 0.5 to 8.0 g/l. In another embodiment, the predetermined glucose concentration is 1.0 to 3.0 g/L. In yet another embodiment, the glucose concentration is 2.0 or 1.0 g/L. In other embodiments, predetermined analyte concentrations support post-translational modifications of proteins in the cell culture medium up to 1.0-20%, or 5.0 to 10%. In still other embodiments, the quantification of analytes is carried out continuously, periodically, or at intervals. For example, analytes are quantified at 5-, 10-, or 15-minute intervals. In yet other embodiments, analyte quantitation is performed hourly or at least daily. In some embodiments, the regulation of analyte concentrations is automatic. In still other embodiments, at least two, or at least three, or at least four different analytes are quantified.
- 1 042735- 1 042735
Другой вариант реализации настоящего изобретения включает способ уменьшения посттрансляционных модификаций секретируемого белка, включающий культивирование клеток, секретирующих белок, в среде для культивирования клеток, включающей 0,5-8,0 г/л глюкозы; постепенное определение концентрации глюкозы в среде для культивирования клеток во время культивирования клеток с использованием рамановской спектроскопии in situ; и регулирование концентрации глюкозы для поддержания концентрации глюкозы на уровне от 0,5 до 8,0 г/л путем автоматической подачи нескольких доз глюкозы в 1 ч для поддержания посттрансляционных модификаций секретируемого белка до 1,0-30,0%. В одном варианте реализации концентрация глюкозы составляет 1,0-3,0 г/л.Another embodiment of the present invention includes a method for reducing post-translational modifications of a secreted protein, comprising culturing protein-secreting cells in a cell culture medium comprising 0.5-8.0 g/L glucose; gradually determining the glucose concentration in the cell culture medium during cell culture using in situ Raman spectroscopy; and adjusting the glucose concentration to maintain the glucose concentration at 0.5 to 8.0 g/l by automatically supplying several doses of glucose per 1 hour to maintain post-translational modifications of the secreted protein to 1.0-30.0%. In one embodiment, the glucose concentration is 1.0-3.0 g/L.
Еще один вариант реализации настоящего изобретения включает систему контроля условий среды для культивирования клеток, включающую один или несколько процессоров, взаимодействующих с машиночитаемым носителем, хранящим программный код для выполнения одним или несколькими процессорами, чтобы заставить систему принимать данные, включающие: концентрацию одного или нескольких аналитов в среде для культивирования клеток с помощью рамановского спектрометра in situ; и корректировать одну или несколько концентраций аналита в среде для культивирования клеток, чтобы соответствовать заранее определенным концентрациям аналита, которые поддерживают посттрансляционные модификации белков в среде для культивирования клеток до 1,0-30%. В одном варианте реализации программный код дополнительно сконфигурирован для того, чтобы заставить систему выполнять хемометрический анализ, например, моделирование регрессии данных методом дробных наименьших квадратов. В других вариантах реализации программный код дополнительно сконфигурирован для того, чтобы заставить систему выполнять один или несколько способов обработки сигналов, например, способ шумоподавления данных.Another embodiment of the present invention includes a cell culture environmental control system comprising one or more processors interacting with a computer-readable medium storing program code for execution by one or more processors to cause the system to receive data including: the concentration of one or more analytes in cell culture medium using an in situ Raman spectrometer; and adjusting one or more analyte concentrations in the cell culture medium to match predetermined analyte concentrations that support post-translational modifications of proteins in the cell culture medium up to 1.0-30%. In one embodiment, the software code is further configured to cause the system to perform a chemometric analysis, such as fractional least squares data regression modeling. In other implementations, the program code is further configured to cause the system to perform one or more signal processing techniques, such as a data denoising technique.
Другой вариант реализации настоящего изобретения включает систему уменьшения посттрансляционных модификаций секретируемого белка, включающую один или несколько процессоров, взаимодействующих с машиночитаемым носителем, хранящим программный код для выполнения одним или несколькими процессорами, чтобы заставить систему постепенно наращивать получение спектральных данных, включая концентрацию глюкозы в среде для культивирования клеток во время культивирования клеток, секретирующих белок, из рамановского анализатора in situ; и регулирование концентрации глюкозы для того, чтобы поддерживать концентрацию глюкозы на уровне от 0,5 до 8,0 г/л, например от 1,0 до 3,0 г/л, путем автоматической подачи нескольких доз глюкозы в 1 ч для поддержания посттрансляционных модификаций секретируемого белка до 1,030,0%. В одном варианте реализации программный код дополнительно сконфигурирован, чтобы заставить систему коррелировать пики в спектральных данных с концентрациями глюкозы. В другом варианте реализации программный код дополнительно сконфигурирован для выполнения моделирования регрессии спектральных данных методом дробных наименьших квадратов. В еще одном варианте реализации программный код дополнительно сконфигурирован для выполнения способа шумоподавления спектральных данных. В других вариантах реализации регулирование концентрации глюкозы выполняется с помощью программного обеспечения автоматического контроля с обратной связью.Another embodiment of the present invention includes a system for reducing post-translational modifications of a secreted protein, comprising one or more processors interacting with a computer-readable medium storing program code for execution by one or more processors to cause the system to gradually increase the acquisition of spectral data, including the concentration of glucose in the culture medium. cells during the cultivation of cells secreting the protein from the in situ Raman analyzer; and adjusting the glucose concentration to maintain a glucose concentration of 0.5 to 8.0 g/L, such as 1.0 to 3.0 g/L, by automatically delivering several doses of glucose per hour to maintain post-translational modifications of the secreted protein up to 1.030.0%. In one embodiment, the software code is further configured to cause the system to correlate peaks in the spectral data with glucose concentrations. In another implementation, the program code is further configured to perform fractional least squares regression modeling of the spectral data. In yet another implementation, the software code is further configured to perform a spectral data denoising method. In other embodiments, regulation of glucose concentration is performed using automatic feedback control software.
Краткое описание графических материаловBrief description of graphic materials
Дополнительные признаки и преимущества изобретения могут быть установлены из следующего подробного описания, которое предоставлено в связи с чертежами, описанными ниже:Additional features and advantages of the invention may be ascertained from the following detailed description, which is provided in connection with the drawings described below:
фиг. 1 представляет собой блок-схему последовательности операций способа контроля переменных процесса в культуре клеток в соответствии с одним вариантом реализации настоящего изобретения;fig. 1 is a flow diagram of a method for monitoring process variables in cell culture, in accordance with one embodiment of the present invention;
фиг. 2 представляет собой принципиальную схему системы контроля переменных процесса в культуре клеток, связанной с фиг. 1, в соответствии с настоящим изобретением;fig. 2 is a schematic diagram of a cell culture process variable control system associated with FIG. 1, in accordance with the present invention;
фиг. 3 представляет собой график, показывающий прогнозируемые значения процесса подачи питательных веществ, подтвержденные автономными образцами питательных веществ;fig. 3 is a graph showing the predicted values of the nutrient supply process confirmed by offline nutrient samples;
фиг. 4 представляет собой график, показывающий отфильтрованные конечные значения концентрации питательных веществ процесса подачи после обработки сигнала в соответствии с настоящим изобретением;fig. 4 is a graph showing filtered feed process nutrient concentration endpoints after signal processing in accordance with the present invention;
фиг. 5 представляет собой график, показывающий прогнозируемые значения концентрации питательных веществ процесса и отфильтрованные конечные значения концентрации питательных веществ процесса после сдвига в предварительно определенном заданном значении концентрации питательных веществ;fig. 5 is a graph showing predicted process nutrient concentrations and filtered final process nutrient concentration values after a shift in a predetermined nutrient concentration setpoint;
фиг. 6 представляет собой линейный график, показывающий влияние концентрации глюкозы на посттрансляционные модификации при непрерывной подпитке питательными веществами с контролируемой обратной связью в соответствии с настоящим изобретением и при болюсной подпитке питательными веществами;fig. 6 is a line graph showing the effect of glucose concentration on post-translational modifications with continuous controlled-feedback nutrient feeding according to the present invention and bolus nutrient feeding;
фиг. 7 представляет собой график, показывающий предсказанные Раманом значения концентрации глюкозы in situ при непрерывной подпитке питательными веществами с контролируемой обратной связью в соответствии с настоящим изобретением и при болюсной подпитке питательными веществами;fig. 7 is a graph showing Raman's predicted in situ glucose concentration values for continuous, controlled-feedback nutrient feeding according to the present invention and bolus nutrient feeding;
фиг. 8 представляет собой линейный график, показывающий титр антитела при непрерывной подпитке питательными веществами с контролируемой обратной связью в соответствии с настоящим изобретением и при болюсной подпитке питательными веществами;fig. 8 is a line graph showing antibody titer during continuous, controlled feedback nutrient feeding according to the present invention and during bolus nutrient feeding;
- 2 042735 фиг. 9 представляет собой гистограмму, показывающую нормализованный процент посттрансляционных модификаций как результат значения концентрации глюкозы;- 2 042735 fig. 9 is a bar graph showing the normalized percentage of post-translational modifications as a result of the glucose concentration value;
фиг. 10 представляет собой график, показывающий концентрации глюкозы при непрерывной подпитке питательными веществами с контролируемой обратной связью в соответствии с настоящим изобретением и при болюсной подпитке питательными веществами;fig. 10 is a graph showing glucose concentrations during continuous, controlled-feedback nutrient feeding in accordance with the present invention and during bolus nutrient feeding;
фиг. 11 представляет собой график, показывающий, что культура клеток с обратной связью может снижать ПТМ вплоть до 50% по сравнению с культурой клеток со стратегией болюсной подпитки.fig. 11 is a graph showing that cell culture with feedback can reduce PTM by up to 50% compared to cell culture with a bolus feed strategy.
Подробное описание изобретенияDetailed description of the invention
Определения.Definitions.
Используемые в данном документе формы единственного числа включают также формы множественного числа, если контекст явно не предписывает иное.As used herein, the singular forms also include the plural forms, unless the context clearly dictates otherwise.
Перечисление диапазонов значений в данном документе просто предназначено для того, чтобы служить кратким способом индивидуальной ссылки на каждое отдельное значение, попадающее в этот диапазон, если в данном документе не указано иное, и каждое отдельное значение включается в описание, как если бы оно было отдельно указано в данном документе.The listing of ranges of values in this document is merely intended to serve as a concise way of individually referring to each individual value falling within that range, unless otherwise noted in this document, and each individual value is included in the description as if it were separately specified. in this document.
Использование термина около предназначено для описания значений выше или ниже заявленного значения в диапазоне приблизительно +/- 10%; в других вариантах реализации значения могут находиться в диапазоне либо выше, либо ниже заявленного значения в диапазоне приблизительно +/- 5%; в других вариантах реализации значения могут находиться в диапазоне либо выше, либо ниже заявленного значения в диапазоне приблизительно +/- 2%; в других вариантах реализации значения могут находиться в диапазоне либо выше, либо ниже заявленного значения в диапазоне приблизительно +/-1%. Предполагается, что предыдущие диапазоны будут понятны из контекста, и никаких дополнительных ограничений не предполагается. Все способы, описанные в данном документе, могут быть выполнены в любом подходящем порядке, если иное не указано в настоящем документе или иное явно не противоречит контексту. Использование любого и всех примеров или примерных формулировок (например, таких как), представленных в данном документе, предназначено просто для лучшего освещения изобретения и не налагает ограничения на объем изобретения, если не заявлено иное. Ни одна из формулировок в описании не должен быть истолкована как указывающая на любой не заявленный элемент как существенный для практического применения изобретения.The use of the term about is intended to describe values above or below the stated value, in the range of approximately +/- 10%; in other embodiments, the values may be in the range either above or below the declared value in the range of approximately +/- 5%; in other embodiments, the values may be in the range either above or below the declared value in the range of approximately +/- 2%; in other embodiments, the values may be in the range either above or below the declared value in the range of approximately +/-1%. The previous ranges are intended to be clear from context and no further restrictions are intended. All of the methods described herein may be performed in any suitable order, unless otherwise specified herein or otherwise clearly contradicts the context. The use of any and all examples or exemplary language (eg, such as) provided herein is intended merely to better illuminate the invention and does not limit the scope of the invention unless otherwise stated. None of the language in the specification is to be construed as indicating any element not claimed to be essential to the practice of the invention.
Термин биопродукт относится к любому антителу, фрагменту антитела, модифицированному антителу, белку, гликопротеину или слитому белку, а также к конечным лекарственным веществам, полученным в процессе биореактора.The term bioproduct refers to any antibody, antibody fragment, modified antibody, protein, glycoprotein, or fusion protein, as well as drug end products produced in a bioreactor process.
Термины контроль и контролирование относятся к регулированию количества или уровня концентрации технологической переменной в культуре клеток до предварительно определенного заданного значения.The terms control and control refer to adjusting the amount or concentration level of a process variable in a cell culture to a predetermined set point.
Термин мониторинг относится к регулярной проверке количества или уровня концентрации технологического параметра в культуре клеток или состояния процесса в культуре клеток.The term monitoring refers to the regular checking of the amount or concentration level of a process parameter in a cell culture or the state of a process in a cell culture.
Термин устойчивое состояние относится к поддержанию концентрации питательных веществ, параметров процесса или качественных признаков в культуре клеток на неизменном, постоянном или стабильном уровне. Понятно, что неизменный, постоянный или стабильный уровень относится к уровню в пределах предварительно определенных заданных значений. Определенные значения и, следовательно, уровни установившегося состояния могут быть смещены оператором во время культивирования культуры клеток.The term steady state refers to maintaining the concentration of nutrients, process parameters or traits in cell culture at a constant, constant or stable level. It is understood that a constant, constant or stable level refers to a level within predetermined predetermined values. Certain values, and therefore steady state levels, can be shifted by the operator during cell culture cultivation.
Способы производства биопродуктов.Methods for the production of bioproducts.
Один из вариантов реализации обеспечивает способы мониторинга и контроля одной или нескольких переменных процесса в культуре клеток биореактора с целью улучшения качества и постоянства продукта. Переменные процесса включают, но не ограничиваются ими, концентрацию глюкозы, аминокислот, витаминов, факторов роста, белков, количества жизнеспособных клеток, кислорода, азота, рН, количества мертвых клеток, цитокинов, лактата, глютамина, других Сахаров, таких как фруктоза и галактоза, аммония, осмоляльность и их комбинации. В раскрываемых способах и системах используются способы рамановской спектроскопии in situ и хемометрического моделирования для оценки культуры клеток в режиме реального времени в сочетании со способами обработки сигналов для точной непрерывной обратной связи и прогнозирующего контроля параметров переменных процесса культивирования клеток. Рамановская спектроскопия in situ содержимого биореактора позволяет анализировать одну или несколько переменных процесса в биореакторе без физического извлечения образца, содержащегося в биореакторе, для тестирования. Благодаря использованию данных в реальном времени из рамановской спектроскопии, переменные процесса в культуре клеток могут непрерывно или периодически контролироваться, и автоматизированные контроллеры с обратной связью поддерживают переменные процесса на заданных значениях или поддерживают специальный протокол подпитки, который подает переменные количества агентов в биореактор для максимизации качества биопродуктов.One embodiment provides methods for monitoring and controlling one or more process variables in a cell culture bioreactor to improve product quality and consistency. Process variables include, but are not limited to, concentration of glucose, amino acids, vitamins, growth factors, proteins, viable cell count, oxygen, nitrogen, pH, dead cell count, cytokines, lactate, glutamine, other sugars such as fructose and galactose, ammonium, osmolality and combinations thereof. The disclosed methods and systems utilize in situ Raman spectroscopy and chemometric modeling techniques for real-time cell culture evaluation in combination with signal processing techniques for accurate continuous feedback and predictive control of cell culture process variable parameters. In situ Raman spectroscopy of the contents of a bioreactor allows the analysis of one or more process variables in a bioreactor without physically removing the sample contained in the bioreactor for testing. Through the use of real-time data from Raman spectroscopy, process variables in cell culture can be monitored continuously or intermittently, and automated feedback controllers maintain process variables at setpoints or support a dedicated feed protocol that feeds variable amounts of agents into the bioreactor to maximize bioproduct quality. .
Раскрытые способы и системы контролируют одну или несколько переменных процесса в процессе культивирования клеток. Термины культура клеток и среда для культивирования клеток могут ис- 3 042735 пользоваться взаимозаменяемо и включают любое твердое, жидкое или полутвердое вещество, предназначенное для поддержки роста и поддержания микроорганизмов, клеток или клеточных линий. Такие компоненты, как полипептиды, сахара, соли, нуклеиновые кислоты, клеточный дебрис, кислоты, основания, буферы рН, кислород, азот, агенты для модуляции вязкости, аминокислоты, факторы роста, цитокины, витамины, кофакторы и питательные вещества могут присутствовать в среде для культивирования клеток. Один вариант реализации обеспечивает процесс культивирования клеток млекопитающих и включает клетки или линии клеток млекопитающих. Например, процесс культивирования клеток млекопитающих может использовать клеточную линию яичников китайского хомячка (СНО), выращенную в химически определенной базальной среде.The disclosed methods and systems control one or more process variables during cell culture. The terms cell culture and cell culture medium can be used interchangeably and include any solid, liquid or semi-solid substance intended to support the growth and maintenance of microorganisms, cells or cell lines. Components such as polypeptides, sugars, salts, nucleic acids, cellular debris, acids, bases, pH buffers, oxygen, nitrogen, viscosity modulating agents, amino acids, growth factors, cytokines, vitamins, cofactors, and nutrients may be present in the medium for cell culture. One embodiment provides a mammalian cell culture process and includes mammalian cells or cell lines. For example, a mammalian cell culture process may use a Chinese Hamster Ovary (CHO) cell line grown in a chemically defined basal medium.
Процесс культивирования клеток можно проводить в биореакторе. Биореакторы включают систему посевных ферментеров, подпиточные и непрерывные биореакторы. Биореакторы могут иметь объем от около 2 до около 10000 л. В одном варианте реализации биореактор может представлять собой биореактор из нержавеющей стали на 60 л. В другом варианте реализации биореактор может представлять собой биореактор объемом 250 л. Каждый биореактор также должен поддерживать количество клеток в диапазоне от около 5x106 до примерно 100x106 клеток/мл. Например, биореактор должен поддерживать количество клеток от около 20x106 клеток/мл до около 80 клеток/мл.The cell culture process can be carried out in a bioreactor. Bioreactors include a system of seed fermenters, make-up and continuous bioreactors. Bioreactors may have a volume of from about 2 to about 10,000 liters. In one embodiment, the bioreactor may be a 60 L stainless steel bioreactor. In another embodiment, the bioreactor may be a 250 L bioreactor. Each bioreactor must also maintain a cell count in the range of about 5x106 to about 100x106 cells/mL. For example, the bioreactor should maintain a cell count from about 20x106 cells/mL to about 80 cells/mL.
Раскрытые способы и системы могут мониторить и контролировать любой аналит, который присутствует в культуре клеток и имеет детектируемый рамановский спектр. Например, способы настоящего изобретения могут использоваться для мониторинга и контроля любого компонента среды для культивирования клеток, включая компоненты, добавляемые в культуру клеток, вещества, выделяемые из клетки, и компоненты клетки, присутствующие при гибели клетки. Компоненты среды для культивирования клеток, которые могут мониториться и/или контролироваться раскрытыми системами и способами, включают, но не ограничиваются ими, питательные вещества, такие как аминокислоты и витамины, лактат, кофакторы, факторы роста, скорость роста клеток, рН, кислород, азот, количество жизнеспособных клеток, кислоты, основания, цитокины, антитела и метаболиты.The disclosed methods and systems can monitor and control any analyte that is present in cell culture and has a detectable Raman spectrum. For example, the methods of the present invention can be used to monitor and control any component of the cell culture medium, including components added to the cell culture, substances released from the cell, and components of the cell present at cell death. Components of the cell culture medium that can be monitored and/or controlled by the disclosed systems and methods include, but are not limited to, nutrients such as amino acids and vitamins, lactate, cofactors, growth factors, cell growth rate, pH, oxygen, nitrogen , number of viable cells, acids, bases, cytokines, antibodies and metabolites.
Один вариант реализации обеспечивает способы мониторинга и контроля концентраций питательных веществ в культуре клеток. Используемый в данном документе термин питательное вещество может относиться к любому соединению или веществу, которое обеспечивает питание, необходимое для роста и выживания. Примеры питательных веществ включают, но не ограничиваются ими, простые сахара, такие как глюкоза, галактоза, лактоза, фруктоза или мальтоза; аминокислоты; и витамины, такие как витамин А, витамины группы В и витамин Е. В другом варианте реализации способы настоящего изобретения могут включать мониторинг и контроль концентраций глюкозы в культуре клеток. Путем контроля концентрации питательных веществ, например, концентрации глюкозы в культуре клеток, было обнаружено, что биопродукты, такие как белки, могут продуцироваться в более низком диапазоне концентраций, чем это было возможно ранее с использованием стратегии ежедневной болюсной подпитки питательными веществами.One embodiment provides methods for monitoring and controlling nutrient concentrations in cell culture. As used herein, the term nutrient can refer to any compound or substance that provides nutrition necessary for growth and survival. Examples of nutrients include, but are not limited to, simple sugars such as glucose, galactose, lactose, fructose, or maltose; amino acids; and vitamins such as vitamin A, B vitamins, and vitamin E. In another embodiment, the methods of the present invention may include monitoring and controlling glucose concentrations in cell culture. By controlling nutrient concentrations, such as glucose concentration in cell culture, it has been found that bioproducts such as proteins can be produced at a lower range of concentrations than was previously possible using a daily nutrient bolus strategy.
Кроме того, путем контроля концентрации питательных веществ и другие переменные процесса в культуре клеток, способы настоящего изобретения дополнительно обеспечивают модуляцию одной или нескольких посттрансляционных модификаций белка. Не будучи связанными какой-либо конкретной теорией, полагают, что обеспечивая более низкие концентрации питательных веществ в культуре клеток, могут быть уменьшены посттрансляционные модификации белков и антител. Примеры посттрансляционных модификаций, которые могут модулироваться настоящим изобретением, включают, но не ограничиваются ими, гликирование, гликозилирование, ацетилирование, фосфорилирование, амидирование, дериватизация известными защитными/блокирующими группами, протеолитическое расщепление и модификация не встречающимися в природе аминокислотами. В другом варианте реализации предложены способы и системы для модулирования гликирования белка. Например, обеспечивая более низкие диапазоны концентраций глюкозы в среде для культивирования клеток, уровни гликирования в секретируемом белке или антителе могут быть снижены в конечном биопродукте.In addition, by controlling nutrient concentrations and other process variables in cell culture, the methods of the present invention further provide for the modulation of one or more post-translational protein modifications. Without being bound by any particular theory, it is believed that by providing lower nutrient concentrations in cell culture, post-translational modifications of proteins and antibodies can be reduced. Examples of post-translational modifications that may be modulated by the present invention include, but are not limited to, glycation, glycosylation, acetylation, phosphorylation, amidation, derivatization with known protecting/blocking groups, proteolytic cleavage, and modification by unnatural amino acids. In another embodiment, methods and systems are provided for modulating protein glycation. For example, by providing lower ranges of glucose concentrations in the cell culture medium, glycation levels in the secreted protein or antibody can be reduced in the final bioproduct.
Фиг. 1 представляет собой блок-схему последовательности операций примерного способа контроля одной или нескольких переменных процесса, например, концентрации питательных веществ, в культуре клеток биореактора. Предварительно определенные значения для каждой из переменных процесса, которые должны мониториться и контролироваться, могут быть запрограммированы в системе. Предустановленные заданные значения представляют количество переменных процесса в культуре клеток, которое должно поддерживаться или корректироваться в течение всего процесса. Концентрация глюкозы является одним из примеров питательного вещества, которую можно контролировать и модулировать. Как кратко обсуждалось выше, было обнаружено, что биопродукты (например, белки, антитела, слитые белки и лекарственные вещества) могут продуцироваться клетками в среде для культивирования культуры, которая содержит низкие уровни глюкозы по сравнению с концентрациями глюкозы в среде с использованием стратегии подачи суточной болюсной дозы питательных веществ. В одном варианте реализации определенное заданное значение для концентрации питательных веществ является самой низкой концентрацией питательного вещества, необходимой для роста и размножения линии клеток. Раскрытые спосоFig. 1 is a flowchart of an exemplary method for controlling one or more process variables, such as nutrient concentration, in a bioreactor cell culture. Predefined values for each of the process variables to be monitored and controlled can be programmed into the system. Preset setpoints represent the number of cell culture process variables that must be maintained or adjusted throughout the entire process. Glucose concentration is one example of a nutrient that can be controlled and modulated. As briefly discussed above, it has been found that bioproducts (e.g., proteins, antibodies, fusion proteins, and drugs) can be produced by cells in a culture medium that contains low levels of glucose compared to the glucose concentrations in the medium using a daily bolus strategy. doses of nutrients. In one embodiment, the specific nutrient concentration setpoint is the lowest nutrient concentration required for growth and expansion of the cell line. Disclosed methods
- 4 042735 бы и системы могут вводить множество небольших доз питательных веществ в среду для культивирования клеток в течение определенного периода времени или могут обеспечивать постоянный поток питательного вещества в среду для культивирования клеток. В некоторых вариантах реализации предварительно заданное значение может быть увеличено или уменьшено во время процесса, в зависимости от условий в среде для культивирования клеток. Например, если предварительно заданное значение концентрации питательных веществ приводит к гибели клеток или неоптимальным условиям роста в среде для культивирования клеток, предварительно заданное значение может быть увеличено. Тем не менее, концентрацию питательных веществ следует поддерживать на предварительно заданном значении от около 0,5 до около 10 г/л. В другом варианте реализации концентрацию питательного вещества следует поддерживать на предварительно заданном значении от около 0,5 до около 8 г/л. В еще одном варианте реализации концентрацию питательного вещества следует поддерживать на предварительно заданном значении от около 1 до около 3 г/л. В еще одном варианте реализации концентрацию питательного вещества следует поддерживать на предварительно заданном значении около 2 г/л. Эти предварительно заданные значения, по существу, обеспечивают базовый уровень, при котором концентрация питательных веществ должна поддерживаться на протяжении всего процесса.- 4 042735 would and systems can introduce many small doses of nutrients into the cell culture medium over a certain period of time, or can provide a constant flow of nutrient into the cell culture medium. In some embodiments, the preset value may be increased or decreased during the process, depending on the conditions in the cell culture medium. For example, if the nutrient concentration preset value results in cell death or suboptimal growth conditions in the cell culture medium, the preset value may be increased. However, the nutrient concentration should be maintained at a predetermined value of about 0.5 to about 10 g/L. In another embodiment, the nutrient concentration should be maintained at a predetermined value of about 0.5 to about 8 g/L. In another embodiment, the nutrient concentration should be maintained at a predetermined value of about 1 to about 3 g/L. In yet another embodiment, the nutrient concentration should be maintained at a predetermined value of about 2 g/l. These preset values essentially provide a baseline at which the nutrient concentration must be maintained throughout the process.
В одном варианте реализации мониторинг одной или нескольких переменных процесса, например, концентрации питательных веществ, в культуре клеток проводят посредством рамановской спектроскопии (стадия 101). Рамановская спектроскопия - это форма вибрационной спектроскопии, которая предоставляет информацию о молекулярных колебаниях, которую можно использовать для идентификации и количественного определения образцов. В некоторых вариантах реализации мониторинг переменных процесса выполняется с использованием рамановской спектроскопии in situ. Рамановский анализ in situ это способ анализа образца в его исходном местоположении без необходимости извлечения части образца для анализа в рамановском спектрометре. Рамановский анализ in situ выгоден тем, что спектрометры рамановской спектроскопии неинвазивны, что снижает риск загрязнения и не разрушителен, не влияет на жизнеспособность культуры клеток или качество белка.In one embodiment, the monitoring of one or more process variables, such as nutrient concentrations, in cell culture is performed by Raman spectroscopy (step 101). Raman spectroscopy is a form of vibrational spectroscopy that provides information about molecular vibrations that can be used to identify and quantify samples. In some embodiments, monitoring of process variables is performed using in situ Raman spectroscopy. In situ Raman analysis is a method of analyzing a sample at its original location without having to remove a portion of the sample for analysis in a Raman spectrometer. In situ Raman analysis has the advantage that Raman spectroscopy spectrometers are non-invasive, which reduces the risk of contamination and is non-destructive, does not affect cell culture viability or protein quality.
Рамановский анализ in situ может обеспечить оценку в реальном времени одной или нескольких переменных процесса в культурах клеток. Например, необработанные спектральные данные, полученные с помощью рамановской спектроскопии in situ, можно использовать для получения и мониторинга текущего количества концентрации питательных веществ в культуре клеток. В этом аспекте, чтобы гарантировать, что необработанные спектральные данные постоянно обновляются, спектральные данные из рамановской спектроскопии должны сниматься примерно каждые от 10 мин до 2 ч. В другом варианте реализации спектральные данные должны сниматься примерно каждые от 15 мин до 1 ч. В еще одном варианте реализации спектральные данные должны сниматься примерно каждые от 20 до 30 мин.Raman analysis in situ can provide a real-time assessment of one or more process variables in cell cultures. For example, raw spectral data obtained by in situ Raman spectroscopy can be used to obtain and monitor the current amount of nutrient concentration in a cell culture. In this aspect, to ensure that the raw spectral data is constantly updated, spectral data from Raman spectroscopy should be taken approximately every 10 minutes to 2 hours. In another implementation, spectral data should be taken approximately every 15 minutes to 1 hour. In an embodiment, spectral data should be taken approximately every 20 to 30 minutes.
В этом аспекте мониторинг одной или нескольких переменных процесса в культуре клеток можно анализировать с помощью любого коммерчески доступного рамановского спектроскопического анализатора, который позволяет проводить рамановский анализ in situ. Рамановский анализатор in situ должен быть способен получать необработанные спектральные данные в культуре клеток (например, рамановский анализатор должен быть снабжен зондом, который может быть вставлен в биореактор). Подходящие рамановские анализаторы включают, но не ограничиваются ими, анализаторы RamanRXN2 и RamanRXN4 (Kaiser Optical Systems, Inc. Ann Arbor, MI).In this aspect, the monitoring of one or more process variables in cell culture can be analyzed using any commercially available Raman spectroscopic analyzer that allows in situ Raman analysis. The in situ Raman analyzer must be capable of obtaining raw spectral data in cell culture (eg, the Raman analyzer must be equipped with a probe that can be inserted into the bioreactor). Suitable Raman analyzers include, but are not limited to, the RamanRXN2 and RamanRXN4 analyzers (Kaiser Optical Systems, Inc. Ann Arbor, MI).
На стадии 102 необработанные спектральные данные, полученные с помощью рамановской спектроскопии in situ, можно сравнить с автономными измерениями конкретной переменной процесса, которая должна мониториться или контролироваться (например, измерения концентрации питательных веществ в автономном режиме), чтобы сопоставить пики в спектральных данных с переменной процесса. Например, если переменная процесса, которая должна мониториться или контролироваться, представляет собой концентрацию глюкозы, измерения концентрации глюкозы в автономном режиме могут использоваться для определения того, какие спектральные области показывают сигнал глюкозы. Данные измерений в автономном режиме могут быть собраны любым подходящим аналитическим способом. Кроме того, любой тип пакета мультивариантного программного обеспечения, например, SIMCA 13 (MKS Data Analytic Solutions, Umea, Sweden), может использоваться для корреляции пиков в исходных спектральных данных с автономными измерениями конкретной переменной процесса, которая должна мониториться или контролироваться. Однако в некоторых вариантах реализации может потребоваться предварительная обработка необработанных спектральных данных спектральными фильтрами для удаления любых изменяющихся базовых линий. Например, необработанные спектральные данные могут быть предварительно обработаны любым типом техники сглаживания точек или техникой нормализации. Нормализация может потребоваться для корректировки любого изменения мощности лазера и времени экспозиции с помощью рамановского анализатора. В одном варианте реализации необработанные спектральные данные могут обрабатываться точечным сглаживанием, таким как 1-я производная с точечным сглаживанием 21см-1, и нормализацией, такой как нормализация стандартного отклонения случайной величины с нормальным распределением (SNV - англ. Standard Normal Variate).In step 102, the raw spectral data obtained from in situ Raman spectroscopy can be compared with offline measurements of the specific process variable to be monitored or controlled (e.g., offline nutrient concentration measurements) to correlate peaks in the spectral data with the process variable. . For example, if the process variable to be monitored or controlled is glucose concentration, offline glucose concentration measurements can be used to determine which spectral regions show the glucose signal. Offline measurement data can be collected by any suitable analytical method. In addition, any type of multivariate software package, such as SIMCA 13 (MKS Data Analytic Solutions, Umea, Sweden), can be used to correlate peaks in raw spectral data with offline measurements of the specific process variable to be monitored or controlled. However, in some implementations, it may be necessary to pre-process the raw spectral data with spectral filters to remove any changing baselines. For example, the raw spectral data may be pre-processed with any type of point smoothing technique or normalization technique. Normalization may be required to correct for any change in laser power and exposure time using a Raman analyzer. In one embodiment, the raw spectral data can be processed with point smoothing, such as 1st derivative with 21 cm -1 point smoothing, and normalization, such as Standard Normal Variate (SNV) normalization.
Хемометрическое моделирование также может быть выполнено на полученных спектральных данных. В этом аспекте один или несколько многовариантных способов, включая, но не ограничиваясь ими,Chemometric modeling can also be performed on the acquired spectral data. In this aspect, one or more multivariate methods, including, but not limited to,
- 5 042735 дробные наименьшие квадраты (ДНК), анализ главных компонент (АГК), ортогональные дробные наименьшие квадраты (ОДНК), мультивариантная регрессия, каноническая корреляция, факторный анализ, кластерный анализ, графические процедуры и т.п., могут быть использованы относительно спектральных данных. В одном варианте реализации полученные спектральные данные используются для создания модели регрессии методом ДНК. Модель регрессии ДНК может быть создана путем проецирования предсказанных переменных и наблюдаемых переменных в новое пространство. В этом аспекте модель регрессии ДНК может быть создана с использованием значений измерения, полученных из рамановского анализа и значений измерения в автономном режиме. Модель регрессии ДНК предоставляет прогнозируемые значения процесса, например, прогнозируемые значения концентрации питательных веществ.- 5 042735 fractional least squares (DNA), principal component analysis (PCA), orthogonal fractional least squares (ODLS), multivariate regression, canonical correlation, factor analysis, cluster analysis, graphical procedures, etc., can be used with respect to spectral data. In one embodiment, the resulting spectral data is used to generate a DNA regression model. A DNA regression model can be created by projecting predicted variables and observed variables into a new space. In this aspect, a DNA regression model can be generated using measurement values obtained from Raman analysis and offline measurement values. The DNA regression model provides process predictions, such as nutrient concentration predictions.
После хемометрического моделирования способ обработки сигнала может быть применен к прогнозируемым значениям процесса (например, прогнозируемым значениям концентрации питательных веществ) (стадии 103). В одном варианте реализации методика обработки сигнала включает методику шумоподавления. В этом аспекте один или несколько методов шумоподавления могут применяться к прогнозируемым значениям процесса. Может быть использован любой способ шумоподавления, известный специалистам в данной области техники. Например, способ шумоподавления может включать сглаживание данных и/или подавление сигнала. Сглаживание достигается с помощью ряда алгоритмов сглаживания и фильтров, в то время как при подавлении сигнала используются характеристики сигнала для идентификации данных, которые не следует включать в анализируемые спектральные данные. В одном варианте реализации прогнозируемые значения процесса являются шумом, уменьшенным фильтром шумоподавления. Фильтр шумоподавления предоставляет конечные отфильтрованные значения процесса (например, конечные отфильтрованные значения концентрации питательных веществ). В этом аспекте способ шумоподавления объединяет необработанные измерения с оценкой на основе модели того, что измерение должно дать в соответствии с моделью. В одном варианте реализации способ шумоподавления объединяет текущее прогнозируемое значение процесса с его неопределенностями. Неопределенности могут быть определены повторяемостью предсказанных значений процесса и текущих условий процесса. После того как будет получено следующее прогнозируемое значение процесса, оценка прогнозируемого значения процесса (например, прогнозируемого значения концентрации питательных веществ) обновляется с использованием взвешенного среднего, где больший вес придается оценкам с более высокой достоверностью. Используя итеративный подход, окончательные значения процесса могут обновляться на основе предыдущего измерения и текущих условий процесса. В этом аспекте алгоритм должен быть рекурсивным и способен работать в режиме реального времени, чтобы использовать текущее прогнозируемое значение процесса, предыдущее значение и экспериментально определенные константы. Способ шумоподавления повышает надежность измерений, полученных из рамановского анализа и прогнозов ДНК, за счет снижения шума, на который будет воздействовать автоматический контроллер обратной связи.After the chemometric simulation, a signal processing method can be applied to the process predictions (eg, nutrient concentration predictions) (step 103). In one embodiment, the signal processing technique includes a noise reduction technique. In this aspect, one or more noise reduction techniques may be applied to the predicted process values. Any noise reduction method known to those skilled in the art may be used. For example, the noise reduction method may include data smoothing and/or signal suppression. Smoothing is achieved using a range of smoothing algorithms and filters, while signal suppression uses signal characteristics to identify data that should not be included in the analyzed spectral data. In one embodiment, the process predictions are noise reduced by the noise reduction filter. The denoising filter provides the final filtered values of the process (for example, the final filtered values of nutrient concentration). In this aspect, the denoising method combines the raw measurements with a model-based estimate of what the measurement should give according to the model. In one implementation, the noise reduction method combines the current predicted value of the process with its uncertainties. Uncertainties can be determined by the repeatability of predicted process values and current process conditions. After the next process predictor is obtained, the process predictor estimate (eg, nutrient concentration predictor) is updated using a weighted average, with more weight given to higher confidence estimates. Using an iterative approach, final process values can be updated based on previous measurement and current process conditions. In this aspect, the algorithm must be recursive and able to work in real time in order to use the current predicted value of the process, the previous value and experimentally determined constants. The noise reduction method improves the reliability of the measurements obtained from the Raman analysis and DNA predictions by reducing the noise that will be affected by the automatic feedback controller.
После получения окончательных отфильтрованных значений процесса (например, конечных отфильтрованных значений концентрации питательных веществ) конечные значения могут быть отправлены в автоматический контроллер обратной связи (стадия 104). Автоматический контроллер обратной связи может использоваться для контроля и поддержания переменной процесса (например, концентрации питательных веществ) на предварительно определенном заданном значении. Автоматический контроллер обратной связи может включать любой тип контроллера, который способен вычислять значение ошибки как разность между желаемым заданным значением (например, предварительно заданное значение) и измеренной переменной процесса и автоматически применять точную и отзывчивую коррекцию. Контроллер автоматической обратной связи также должен иметь элементы контроля, которые можно изменять в режиме реального времени из интерфейса платформы. Например, автоматический контроллер обратной связи должен иметь пользовательский интерфейс, который позволяет регулировать предварительно заданное значение. Контроллер автоматической обратной связи должен быть способен реагировать на изменение предварительно заданного значения.Once the final filtered process values (eg, final filtered nutrient concentration values) are received, the final values may be sent to an automatic feedback controller (step 104). An automatic feedback controller can be used to control and maintain a process variable (eg nutrient concentration) at a predetermined setpoint. An automatic feedback controller may include any type of controller that is capable of calculating an error value as the difference between a desired setpoint (eg, a preset value) and a measured process variable and automatically apply an accurate and responsive correction. The automatic feedback controller should also have controls that can be changed in real time from the platform interface. For example, an automatic feedback controller should have a user interface that allows the preset value to be adjusted. The automatic feedback controller must be able to respond to a change in the preset value.
В одном варианте реализации автоматический контроллер обратной связи может быть пропорционально-интегральным дифференциальным (ПИД) регулятором. В этом аспекте ПИД-регулятор работает для вычисления разности между предварительно определенным значением и измеренной переменной процесса (например, измеренной концентрацией питательных веществ) и автоматически применяет точную коррекцию. Например, когда необходимо контролировать концентрацию питательных веществ в культуре клеток, ПИД-регулятор может быть в состоянии рассчитать разницу между отфильтрованным значением питательного вещества и предварительно заданным значением и обеспечить коррекцию в количестве питательных веществ. В этом аспекте ПИД-регулятор может быть оперативно подключен к питательному насосу на биореакторе, так что корректирующее количество питательного вещества может быть закачано в биореактор (стадия 105).In one embodiment, the automatic feedback controller may be a proportional-integral derivative (PID) controller. In this aspect, the PID controller operates to calculate the difference between a predetermined value and a measured process variable (eg, measured nutrient concentration) and automatically applies a fine correction. For example, when it is necessary to control the concentration of nutrients in a cell culture, a PID controller may be able to calculate the difference between a filtered nutrient value and a preset value and provide a correction in the amount of nutrients. In this aspect, the PID controller may be operatively connected to a feed pump on the bioreactor such that a corrective amount of nutrient may be pumped into the bioreactor (step 105).
Посредством использования рамановского анализа в реальном времени и контроля с обратной связью способы настоящего изобретения способны обеспечить непрерывную и пониженную концентрацию питательных веществ для культуры клеток. Таким образом, способ настоящего изобретения способен обеспечить устойчивое добавление питательных веществ к культуре клеток. В одном варианте реализаThrough the use of real-time Raman analysis and feedback control, the methods of the present invention are able to provide a continuous and reduced concentration of nutrients for cell culture. Thus, the method of the present invention is able to provide a sustainable addition of nutrients to the cell culture. In one implementation
- 6 042735 ции для поддержания заданной концентрации питательных веществ, питательные вещества могут непрерывно закачиваться в клеточную культуру через питательный насос в течение определенного периода времени. В другом варианте реализации питательные вещества могут быть добавлены к клеточной культуре через питательный насос в рабочем цикле. Например, в этом аспекте добавление питательных веществ может осуществляться с перерывами или происходить периодически в течение некоторого периода времени.- 6 042735 In order to maintain a given concentration of nutrients, nutrients can be continuously pumped into the cell culture through a nutrient pump for a certain period of time. In another embodiment, nutrients may be added to the cell culture via a feed pump in an operating cycle. For example, in this aspect, the addition of nutrients may be intermittent or occur intermittently over a period of time.
Раскрытые способы и системы также позволяют производить биопродукты в культуральной среде, которая содержит более низкий диапазон концентраций питательных веществ, например, диапазон концентраций глюкозы, чем концентрации питательных веществ в культуральной среде, с использованием стратегии ежедневной болюсной подпитки питательными веществами. В одном варианте реализации концентрации питательных веществ, например, концентрации глюкозы по меньшей мере на 3 г/л ниже, чем при болюсной подпитке. В другом варианте реализации концентрации питательных веществ, например, концентрации глюкозы по меньшей мере на 5 г/л ниже, чем концентрации питательных веществ в культуральной среде, полученных с использованием болюсной подпитки питательными веществами. В еще одном варианте реализации концентрации питательных веществ, например, концентрации глюкозы по меньшей мере на 6 г/л ниже, чем концентрации питательных веществ, полученные с использованием болюсной подпитки питательными веществами.The disclosed methods and systems also allow the production of bioproducts in a culture medium that contains a lower range of nutrient concentrations, such as a range of glucose concentrations, than nutrient concentrations in the culture medium using a daily nutrient bolus strategy. In one embodiment, nutrient concentrations, such as glucose concentrations, are at least 3 g/L lower than when fed with a bolus. In another embodiment, nutrient concentrations, such as glucose concentrations, are at least 5 g/L lower than nutrient concentrations in the culture medium obtained using a nutrient bolus. In yet another embodiment, nutrient concentrations, eg, glucose concentrations, are at least 6 g/L lower than nutrient concentrations obtained using a nutrient bolus.
Кроме того, более низкие концентрации питательных веществ в культуральной среде и добавление в стационарном состоянии, достигаемые раскрытыми системами и способами, позволяют снизить посттрансляционную модификацию белков и моноклональных антител. В одном варианте реализации раскрытые способы и системы обеспечивают введение питательных веществ около или со скоростью, с которой питательные вещества поглощаются или потребляются клетками в культуре. Постоянное добавление малых доз питательных веществ с течением времени позволяет получать биопродукты, имеющие более низкие уровни посттрансляционных модификаций, например, более низкие уровни гликирования, по сравнению со стандартной болюсной подпиткой. Важно, что постоянное добавление пониженных концентраций питательных веществ не влияет на выработку антител. В одном варианте реализации уменьшенные концентрации питательных веществ обеспечивают уменьшение посттрансляционной модификации на целых 30% по сравнению с посттрансляционными модификациями, наблюдаемыми при стандартной болюсной подпитке. В другом варианте реализации уменьшенные концентрации питательных веществ обеспечивают уменьшение посттрансляционной модификации на целых 40% по сравнению с посттрансляционными модификациями, наблюдаемыми при стандартной болюсной подпитке. В еще одном варианте реализации уменьшенные концентрации питательных веществ обеспечивают уменьшение посттрансляционной модификации на целых 50% по сравнению с посттрансляционными модификациями, наблюдаемыми при стандартной болюсной подпитке.In addition, the lower culture media nutrient concentrations and steady state addition achieved by the disclosed systems and methods allow for reduced post-translational modification of proteins and monoclonal antibodies. In one embodiment, the implementation of the disclosed methods and systems provide for the introduction of nutrients at or at the rate at which nutrients are taken up or consumed by cells in culture. The continuous addition of small doses of nutrients over time allows bioproducts to be obtained having lower levels of post-translational modifications, such as lower levels of glycation, compared to a standard bolus feed. It is important that the constant addition of reduced concentrations of nutrients does not affect the production of antibodies. In one embodiment, reduced nutrient concentrations provide as much as a 30% reduction in post-translational modification compared to post-translational modifications seen with standard bolus feeding. In another embodiment, reduced nutrient concentrations provide a reduction in post-translational modification by as much as 40% compared to the post-translational modifications seen with standard bolus feeding. In yet another embodiment, reduced nutrient concentrations provide as much as a 50% reduction in post-translational modification compared to post-translational modifications seen with standard bolus feeding.
Биореакторные системы.bioreactor systems.
Другой вариант реализации обеспечивает системы для мониторинга и контроля одной или нескольких переменных процесса в культуре клеток биореактора. Несколько компонентов интегрированы в единую систему с одним пользовательским интерфейсом. Ссылаясь на фиг. 2, рамановский анализатор 200 может быть функционально подключен к биореактору 300. В этом аспекте рамановский зонд может быть вставлен в биореактор 300 для получения необработанных спектральных данных одной или нескольких переменных процесса, например, концентрации питательных веществ, в культуре клеток. Рамановский анализатор 200 также может быть функционально подключен к компьютерной системе 500, так что полученные необработанные спектральные данные могут быть получены и обработаны.Another embodiment provides systems for monitoring and controlling one or more process variables in a cell culture bioreactor. Several components are integrated into a single system with a single user interface. Referring to FIG. 2, a Raman analyzer 200 may be operatively connected to a bioreactor 300. In this aspect, a Raman probe may be inserted into the bioreactor 300 to obtain raw spectral data of one or more process variables, such as nutrient concentration, in cell culture. The Raman analyzer 200 can also be operatively connected to the computer system 500 so that the resulting raw spectral data can be acquired and processed.
Компьютерная система 500 обычно может быть реализована с использованием одной или нескольких программируемых компьютерных систем общего назначения, таких как встроенные процессоры, системы на чипе, персональные компьютеры, рабочие станции, серверные системы и мини-ЭВМ или мэйнфрейм-компьютеры или в распределенных сетевых вычислительных средах. Компьютерная система 500 может включать один или несколько процессоров (CPU) 502A-502N, схему 504 ввода/вывода, сетевой адаптер 506 и память 508. CPU 502A-502N выполняют программные инструкции для выполнения функций настоящих систем и способов. Как правило, процессоры CPU 502A-502N представляют собой один или несколько микропроцессоров, например, процессор INTEL CORE®.Computer system 500 may typically be implemented using one or more general purpose programmable computer systems such as embedded processors, systems on a chip, personal computers, workstations, server systems, and minicomputers or mainframe computers, or in distributed networked computing environments. Computer system 500 may include one or more processors (CPUs) 502A-502N, I/O circuitry 504, network adapter 506, and memory 508. CPUs 502A-502N execute program instructions to perform the functions of the present systems and methods. Typically, CPUs 502A-502N are one or more microprocessors, such as an INTEL CORE® processor.
Схема 504 ввода/вывода обеспечивает возможность ввода или вывода данных из компьютерной системы 500. Например, схема ввода/вывода может включать устройства ввода, такие как клавиатуры, мыши, сенсорные панели, трекболы, сканеры, аналого-цифровые преобразователи и т.д., устройства вывода, такие как видеоадаптеры, мониторы, принтеры и т.д., и устройства ввода/вывода, такие как модемы и т.д. Сетевой адаптер 506 связывает устройство 500 с сетью 510. Сеть 510 может быть любой общедоступной или проприетарной локальной или глобальной сетью, включая, но не ограничиваясь этим, Интернет.The input/output circuit 504 allows data to be input or output from the computer system 500. For example, the input/output circuit may include input devices such as keyboards, mice, touch pads, trackballs, scanners, A/D converters, etc., output devices such as video adapters, monitors, printers, etc. and input/output devices such as modems, etc. Network adapter 506 couples device 500 to network 510. Network 510 can be any public or proprietary LAN or WAN, including but not limited to the Internet.
Память 508 хранит программные инструкции, которые выполняются и данные, которые используются и обрабатываются процессором 502 для выполнения функций компьютерной системы 500. Память 508 может включать, например, электронные запоминающие устройства, такие как оперативное запоминающее устройство (RAM), постоянное запоминающее устройство (ROM), программируемое постоянное запоминающее устройство (PROM), электрически стираемое программируемое постоянное запоминаюMemory 508 stores program instructions that are executed and data that is used and processed by processor 502 to perform the functions of computer system 500. Memory 508 may include, for example, electronic storage devices such as random access memory (RAM), read only memory (ROM) , programmable read-only memory (PROM), electrically erasable programmable read-only memory
- 7 042735 щее устройство (EEPROM), флэш-память и т.д. и электромеханическую память, такую как магнитные дисководы, ленточные накопители, оптические дисководы и т.д., которые могут использовать встроенные интерфейсные накопители (IDE) или их изменения или расширения, такие как расширенный IDE (EIDE) или ультра-прямой доступ к памяти (UDMA), или интерфейс на основе интерфейса небольшой компьютерной системы (SCSI), или их разновидность или усовершенствование, такие как быстрый-SCSI, широкий-SCSI, быстрый и широкий-SCSI и т.д., или последовательный интерфейс обмена данными с накопителями информации (SATA), или их разновидность или усовершенствование, или интерфейс ответвления волоконно-оптического канала с арбитражной логикой (FC-AL).- 7 042735 Main device (EEPROM), flash memory, etc. and electromechanical memory such as magnetic disk drives, tape drives, optical drives, etc., which may use built-in interface drives (IDE) or variations or extensions thereof, such as enhanced IDE (EIDE) or ultra-direct memory access ( UDMA), or Small Computer System Interface (SCSI) based interface, or a variant or enhancement thereof such as fast-SCSI, wide-SCSI, fast-wide-SCSI, etc., or serial storage interface (SATA), or a variation or enhancement thereof, or an Arbitrary Logic Fiber Channel (FC-AL) drop interface.
Память 508 может включать контроллер регулярных операций 512, контроллер данных 514 и операционную систему 520. Контроллер регулярных операций 512 может включать программный продукт регулярных операций для обеспечения работы одного или нескольких контроллеров. Контроллер данных 514 может включать данные, необходимые контроллеру регулярных операций 512 для выполнения обработки. В одном варианте реализации контроллер регулярных операций 512 может включать мультивариантное программное обеспечение для выполнения мультивариантного анализа, такого как. модель регрессии ДНК. В этом аспекте контроллер регулярных операций 512 может включать SLMCA-QPp (MKS Data Analytic Solutions, Umea, Sweden) для выполнения хемометрического моделирования ДНК. В другом варианте реализации контроллер регулярных операций 512 также может включать программное обеспечение для выполнения шумоподавления для набора данных. В этом аспекте контроллер регулярных операций 512 может включать MATLAB Runtime (The Mathworks Inc., Natick, MA) для выполнения моделей фильтра шумоподавления. Кроме того, контроллер регулярных операций 512 может включать программное обеспечение, такое как MATLAB Runtime, для работы с автоматическим контроллером обратной связи, например, контроллером ПИД. Программное обеспечение для управления автоматическим контроллером обратной связи должно быть способно рассчитать разницу между предварительно заданным значением и измеренной переменной процесса (например, измеренной концентрацией питательных веществ) и автоматически применить точную коррекцию. Соответственно, компьютерная система 500 также может быть оперативно соединена с питательным насосом 400, так что корректирующее количество питательного вещества может быть закачано в биореактор 300.The memory 508 may include a recurring controller 512, a data controller 514, and an operating system 520. The recurring controller 512 may include a recurring software product to operate one or more controllers. The data controller 514 may include data required by the regular operations controller 512 to perform processing. In one implementation, the regular operations controller 512 may include multivariate software for performing multivariate analysis, such as. DNA regression model. In this aspect, the regular operations controller 512 may include SLMCA-QPp (MKS Data Analytic Solutions, Umea, Sweden) to perform DNA chemometric modeling. In another implementation, the schedule controller 512 may also include software to perform denoising on the data set. In this aspect, the regular operation controller 512 may include a MATLAB Runtime (The Mathworks Inc., Natick, MA) to execute denoising filter models. In addition, the regular operation controller 512 may include software, such as MATLAB Runtime, to work with an automatic feedback controller, such as a PID controller. The control software for the automatic feedback controller must be able to calculate the difference between the preset value and the measured process variable (eg measured nutrient concentration) and automatically apply a fine correction. Accordingly, the computer system 500 may also be operatively connected to the feed pump 400 so that a corrective amount of nutrient may be pumped into the bioreactor 300.
Раскрытые системы могут контролировать и мониторить переменные процесса в одном биореакторе или множестве биореакторов. В одном варианте реализации система может контролировать и мониторить переменные процесса по меньшей мере в двух биореакторах. В другом варианте реализации система может контролировать и мониторить переменные процесса по меньшей мере в трех биореакторах или по меньшей мере в четырех биореакторах. Например, система может контролировать до четырех биореакторов в 1 ч.The disclosed systems may control and monitor process variables in a single bioreactor or multiple bioreactors. In one embodiment, the system may control and monitor process variables in at least two bioreactors. In another embodiment, the system may control and monitor process variables in at least three bioreactors or at least four bioreactors. For example, the system can control up to four bioreactors per hour.
ПримерыExamples
Следующие неограничивающие примеры демонстрируют способы контроля одной или нескольких переменных процесса в культуре клеток биореактора в соответствии с настоящим изобретением. Примеры являются просто иллюстрацией предпочтительных вариантов реализации настоящего изобретения и не должны рассматриваться как ограничивающие изобретение, объем которого определяется прилагаемой формулой изобретения.The following non-limiting examples demonstrate methods for controlling one or more process variables in a cell culture bioreactor in accordance with the present invention. The examples are merely illustrative of the preferred embodiments of the present invention and should not be construed as limiting the invention, the scope of which is defined by the appended claims.
Пример 1.Example 1
Материалы и способы.Materials and methods.
В процессе культивирования клеток млекопитающих использовали клеточную линию яичника китайского хомячка (СНО), выращенную в химически определенной базальной среде. Производство осуществлялось в экспериментальном 60-л биореакторе из нержавеющей стали с программным обеспечением RSLogix 5000 (Rockwell Automation, Inc. Milwaukee, WI).The mammalian cell culture process used a Chinese Hamster Ovary (CHO) cell line grown in a chemically defined basal medium. Production was carried out in an experimental 60 L stainless steel bioreactor with RSLogix 5000 software (Rockwell Automation, Inc. Milwaukee, WI).
Сбор данных для модели включал спектральные данные с анализаторов Kaiser RamanRXN2 и RamanRXN4 (Kaiser Optical Systems, Inc.Ann Arbor, MI) с использованием оптики BIO-PRO (Kaiser Optical Systems, Inc.Ann Arbor, MI). Рабочие параметры анализаторов RamanRXN2 и RamanRXN4 были установлены на время сканирования 10 с для 75 накоплений. ОРС Reader/Writer для RSLinx OPC Server был использован для передачи данных.Data acquisition for the model included spectral data from Kaiser RamanRXN2 and RamanRXN4 analyzers (Kaiser Optical Systems, Inc. Ann Arbor, MI) using BIO-PRO optics (Kaiser Optical Systems, Inc. Ann Arbor, MI). The operating parameters of the RamanRXN2 and RamanRXN4 analyzers were set to a scan time of 10 s for 75 acquisitions. OPC Reader/Writer for RSLinx OPC Server was used for data transfer.
SIMCA 13 (MKS Data Analytic Solutions, Umea, Sweden) использовали для корреляции пиков в спектральных данных с измерениями глюкозы в автономном режиме. Последующая спектральная фильтрация была выполнена на необработанных спектральных данных: 1-я производная со сглаживанием точки 21 см-1 для удаления изменяющихся базовых линий и нормализации стандартной нормальной вариации (СНВ) для корректировки изменения мощности лазера и времени воздействия.SIMCA 13 (MKS Data Analytic Solutions, Umea, Sweden) was used to correlate peaks in spectral data with offline glucose measurements. Subsequent spectral filtering was performed on the raw spectral data: 1st derivative with smoothing of the 21 cm −1 point to remove changing baselines and standard normal variation (SNV) normalization to correct for changes in laser power and exposure time.
Регрессионная модель частичных наименьших квадратов была создана с соответствующими автономными измерениями, выполненными на Nova Bioprofile Flex (Nova Biomedical, Waltham, MA). В табл. 1А ниже приведены детальные данные хемометрической модели регрессии методом дробных наименьших квадратов значений концентрации питательных веществ.A partial least squares regression model was generated with corresponding offline measurements performed on the Nova Bioprofile Flex (Nova Biomedical, Waltham, MA). In table. 1A below are the details of the chemometric regression model of fractional least squares nutrient concentration values.
- 8 042735- 8 042735
Таблица 1АTable 1A
Детальные данные хемометрической модели регрессии методом дробных наименьших квадратов значений концентрации питательных веществDetailed data of the chemometric regression model using the method of fractional least squares of nutrient concentration values
Также были выполнены способы обработки сигналов, в частности, фильтрация шумоподавления. Техника шумоподавления объединила необработанное измерение с оценкой на основе модели того, что измерение должно дать в соответствии с моделью. Используя итеративный подход, он позволяет обновлять отфильтрованное измерение на основе предыдущего измерения и текущих условий процесса.Signal processing techniques have also been performed, in particular noise reduction filtering. The denoising technique combined the raw measurement with a model-based estimate of what the measurement should give according to the model. Using an iterative approach, it allows you to update the filtered dimension based on the previous dimension and the current process conditions.
Использовали обратнодействующее пропорционально-интегрально-дифференциальное (ПИД) регулирование, имеющее алгоритм, запрограммированный отдельно в MATLAB Runtime (The Mathworks Inc., Natick, MA). Все переменные ПИД-регулятора, такие как константы настройки, могут изменяться в режиме реального времени из интерфейса платформы.An inverse proportional-integral-derivative (PID) control was used, having an algorithm programmed separately in MATLAB Runtime (The Mathworks Inc., Natick, MA). All PID controller variables, such as tuning constants, can be changed in real time from the platform interface.
Результаты.Results.
Фиг. 3 показывает прогнозируемое значение процесса питания, подтвержденные автономными образцами питательных веществ. Как видно из фиг. 3, рамановский анализатор и хемометрическая модель предсказывали значения концентрации питательных веществ в пределах изменчивости автономного аналитического способа. Это демонстрирует, что рамановская спектроскопия in situ и хемометрическое моделирование в соответствии со способами настоящего изобретения обеспечивают точные измерения значений концентрации питательных веществ.Fig. 3 shows the predicted value of the nutrition process, confirmed by offline nutrient samples. As can be seen from FIG. 3, the Raman analyzer and the chemometric model predicted nutrient concentration values within the variability of the offline analytical method. This demonstrates that in situ Raman spectroscopy and chemometric modeling according to the methods of the present invention provide accurate measurements of nutrient concentration values.
Фиг. 4 показывает отфильтрованные конечные значения процесса подачи питательных веществ после способа обработки сигнала. Как видно из фиг. 4, способ обработки сигнала уменьшает шум исходных прогнозированных значений процесса питания. Фильтрация прогнозируемых значений питательных веществ с помощью шумоподавления повышает надежность всей системы контроля с обратной связью.Fig. 4 shows the filtered endpoints of the nutrient supply process after the signal processing method. As can be seen from FIG. 4, the signal processing method reduces the noise of the original power process predictions. Filtering predicted nutrient values with noise reduction improves the reliability of the entire feedback control system.
Фиг. 5 показывает прогнозируемые значения процесса подачи питательных веществ и отфильтро ванные конечные значения процесса подачи питательных веществ после сдвига в предварительно определенном заданном значении концентрации питательных веществ в партии с непрерывной подпиткой с контролируемой обратной связью. Как видно из корректировки значений отфильтрованного процесса подачи питательных веществ, успешный отклик от контроллера обратной связи наблюдается, когда происходит сдвиг в значении концентрации питательных веществ. Действительно, ПИД-регулятор был способен быстро реагировать на изменение заданного значения, оперируя отфильтрованным значением шума питательных веществ процесса.Fig. 5 shows the predicted nutrient process values and the filtered nutrient process endpoints after a shift in a predetermined setpoint nutrient concentration in a feed-back batch with controlled feedback. As can be seen from the adjustment of the values of the filtered process of nutrient supply, a successful response from the feedback controller is observed when there is a shift in the value of the concentration of nutrients. Indeed, the PID controller was able to quickly respond to a setpoint change by operating on the filtered value of the process nutrient noise.
На основании результатов, показанных на фиг. 3-5, способы настоящего изобретения предоставляют данные в реальном времени, которые обеспечивают автоматическое управление с обратной связью для непрерывного и постоянного добавления питательных веществ.Based on the results shown in FIG. 3-5, the methods of the present invention provide real-time data that provides automatic feedback control for continuous and constant nutrient addition.
Пример 2.Example 2
Материалы и способы.Materials and methods.
Производство осуществлялось в отдельных биореакторах объемом 250 л. Была создана модель регрессии методом дробных наименьших квадратов. В табл. 1В ниже приведены детальные данные хемометрической модели регрессии методом дробных наименьших квадратов значений концентрации питательных веществ.Production was carried out in separate bioreactors with a volume of 250 liters. A regression model was created using the fractional least squares method. In table. 1B below are the details of the chemometric regression model of fractional least squares nutrient concentrations.
- 9 042735- 9 042735
Таблица 1ВTable 1B
Детальные данные хемометрической модели регрессии методом дробных наименьших квадратов значений концентрации питательных веществDetailed data of the chemometric regression model using the method of fractional least squares of nutrient concentration values
Методы шумоподавления не использовались в этом примере.No noise reduction techniques were used in this example.
Результаты.Results.
Фиг. 6 показывает влияние концентрации глюкозы на посттрансляционные модификации. Как видно из фиг. 6, чем выше концентрация глюкозы, тем выше процент ПТМ. Данные на фиг. 6 для нормализованного % посттрансляционных модификаций (ПТМ) и концентрации глюкозы в день исследования серии показаны в табл. 2 ниже.Fig. 6 shows the effect of glucose concentration on post-translational modifications. As can be seen from FIG. 6, the higher the glucose concentration, the higher the percentage of PTM. The data in FIG. 6 for normalized % post-translational modifications (PTM) and glucose concentration on the day of the study series are shown in Table. 2 below.
Таблица 2table 2
Нормализованный % ПТМ и данные концентрации глюкозы для фиг. 6Normalized % PTM and glucose concentration data for FIG. 6
Фиг. 7 представляет собой график, показывающий предсказанные рамановской спектроскопией in situ значения концентрации глюкозы при непрерывной подпитке питательными веществами с контролируемой обратной связью в соответствии с настоящим изобретением и при болюсной подпитке питательными веществами. Черная жирная линия на фиг. 7 представляет предварительно определенное заданное значение. Предварительно определенное заданное значение (ЗЗ1) первоначально было установлено на уровне 3 г/л (ЗЗ1) и было увеличено до 5 г/л (ЗЗ2). Как видно из фиг. 7, предсказанные рамановской спектроскопией концентрации глюкозы точно скорректированы во время сдвига в заранее заданных значениях. Данные наблюдений на фиг. 7 для рамановских значений концентрации глюкозы в день исследования серии показаны в табл. 3 ниже.Fig. 7 is a graph showing the predicted in situ Raman spectroscopy values of glucose concentration under continuous feed with controlled feedback in accordance with the present invention and under bolus feed with nutrients. The black thick line in Fig. 7 represents a predetermined setpoint. The predetermined setpoint (331) was initially set at 3 g/l (331) and has been increased to 5 g/l (332). As can be seen from FIG. 7, the glucose concentrations predicted by Raman spectroscopy are accurately corrected during the shift at predetermined values. The observational data in Fig. 7 for Raman values of glucose concentration on the day of the study series are shown in table. 3 below.
- 10 042735- 10 042735
Таблица 3Table 3
Данные концентрации глюкозы, прогнозируемые раманом для фиг. 7Glucose concentration data predicted by Raman for FIG. 7
- 11 042735- 11 042735
- 12 042735- 12 042735
- 13 042735- 13 042735
- 14 042735- 14 042735
Фиг. 8 показывает титр антитела при непрерывной подпитке питательными веществами с контролируемой обратной связью и при болюсной подпитке питательными веществами. Как видно на фиг. 8, на выработку антитела не влияет ни один из способов. В приведенных ниже табл. 4 и 5 показаны данные титра антитела при болюсной подпитке и контрольного титра антитела с обратной связью, соответсвенно, для фиг. 8.Fig. 8 shows the antibody titer during continuous feed with controlled feedback and during bolus feed with nutrients. As seen in FIG. 8, antibody production is not affected by any of the methods. In the tables below. 4 and 5 show bolus fed antibody titer and feedback control antibody titer data, respectively, for FIG. 8.
Таблица 4Table 4
Данные титра антитела при болюсной подпитке для фиг. 8The bolus feed antibody titer data for FIG. 8
Таблица 5Table 5
Данные титра антитела при подпитке с обратной связью для фиг. 8The fed-back antibody titer data for FIG. 8
- 15 042735- 15 042735
Фиг. 9 показывает нормализованный процент ПТМ как результат концентрации глюкозы. Как видно из фиг. 9, наблюдается снижение ПТМ при снижении концентрации глюкозы от примерно 6-8 г/л (заданное значение (33) для сбора при болюсной подпитке) до 5 г/л (заданное значение 2) до 3 г/л (заданное значение 1). Другими словами, снижение воздействия питательных веществ приводит к снижению ПТМ.Fig. 9 shows the normalized percentage of PTM as a result of glucose concentration. As can be seen from FIG. 9, a decrease in PMT is observed as the glucose concentration decreases from about 6-8 g/L (setpoint (33) for bolus feed collection) to 5g/L (setpoint 2) to 3g/L (setpoint 1). In other words, a decrease in nutrient exposure leads to a decrease in PTM.
Данные на фиг. 9 для нормированного процента ПТМ показаны в табл. 6 ниже.The data in FIG. 9 for the normalized percentage of PTM are shown in table. 6 below.
Таблица 6Table 6
Данные нормализованного % ПТМ для фиг. 9The normalized % PTM data for FIG. 9
Фиг. 10 представляет собой график, показывающий концентрации глюкозы при непрерывной подпитке питательными веществами с контролируемой обратной связью в соответствии с настоящим изобретением и при болюсной подпитке питательными веществами. Как видно из фиг. 10, способы настоящего изобретения способны обеспечить пониженные, устойчивые концентрации глюкозы. Данные на фиг. 10 для концентраций глюкозы показаны в табл. 7 ниже.Fig. 10 is a graph showing glucose concentrations during continuous, controlled-feedback nutrient feeding according to the present invention and during bolus nutrient feeding. As can be seen from FIG. 10, the methods of the present invention are capable of providing reduced, stable glucose concentrations. The data in FIG. 10 for glucose concentrations are shown in table. 7 below.
Таблица 7Table 7
Данные концентрации глюкозы для фиг. 10The glucose concentration data for FIG. 10
- 16 042735- 16 042735
- 17042735- 17042735
- 18 042735- 18 042735
- 19042735- 19042735
-20042735-20042735
- 21 042735- 21 042735
- 22 042735- 22 042735
- 23 042735- 23 042735
- 24 042735- 24 042735
Пример 2. Сравнение контроля с обратной связью и стратегии болюсной подпитки.Example 2: Comparison of feedback control and bolus feeding strategy.
Материалы и способы.Materials and methods.
Клетки культивировали под контролем обратной связи и с использованием стратегии болюсной подпитки, как описано выше.Cells were cultured under feedback control and using the bolus feed strategy as described above.
Результаты.Results.
На фиг. 11 показаны различия ПТМ в клетках, культивируемых с использованием обратной связи и стратегии болюсной подпитки. Каждая пара колонок соответствует дню исследования серии. В каждой паре колонок левая колонка соответствует данным контроля с обратной связью, а правая колонка соответствует данным болюсной подпитки. Подтверждали, что стратегия контроля с обратной связью (левая колонка в каждой паре колонок) снижала уровень % ПТМ в последующем эксперименте по сравнению со стратегией болюсной подпитки (правая колонка в каждой паре колонок). Контролируя заданное значение концентрации питательных веществ на постоянном уровне, надежно поддерживали % ПТМ в течение производства. % ПТМ также снижался относительно стратегии болюсной подпитки, что, таким образом, демонстрирует возможность контроля качества антитела благодаря контролю с обратной связью посредством рамановской спектроскопии.In FIG. 11 shows the differences in PTMs in cells cultured using feedback and a bolus feeding strategy. Each pair of columns corresponds to the day of the series study. In each pair of columns, the left column corresponds to feedback control data and the right column corresponds to bolus feed data. It was confirmed that the feedback control strategy (left column in each column pair) reduced the % PTM level in the subsequent experiment compared to the bolus feed strategy (right column in each column pair). By controlling the nutrient concentration set point at a constant level, the % PTM was reliably maintained during production. The % PTM also decreased relative to the bolus feed strategy, thus demonstrating the ability to control the quality of the antibody due to feedback control by Raman spectroscopy.
Описанные контролируемые обратной связью системы культивирования и способы обеспечивают многокомпонентный анализ без удаления образца. Данные, полученные в реальном времени, делают возможным автоматический контроль с обратной связью для непрерывного добавления питательных веществ. Сниженные установившиеся концентрации активных питательных веществ в биореакторе приводят к уровню ПТМ антитела, на 50% более низкому, чем при стандартной болюсной подпитке, что, таким образом, улучшает качество и постоянство продукта.The feedback-controlled culture systems and methods described provide for multicomponent analysis without sample removal. Real-time data enables automatic feedback control for continuous nutrient addition. The reduced steady-state concentrations of active nutrients in the bioreactor result in an antibody PTM level 50% lower than with a standard bolus feed, thus improving product quality and consistency.
Хотя в изложенном выше описании настоящее изобретение описано со ссылкой на некоторые варианты его осуществления, и множество деталей использовано в иллюстративных целях, специалисту в этой области будет очевидно, что изобретение предусматривает дополнительные варианты осуществления, и что некоторые из деталей, представленных в настоящем описании, могут значительно варьироваться без отклонения от основных принципов настоящего изобретения.Although the present invention has been described in the foregoing description with reference to certain embodiments thereof, and many details are used for illustrative purposes, it will be apparent to a person skilled in the art that the invention provides for additional embodiments, and that some of the details presented in the present description may vary significantly without deviating from the basic principles of the present invention.
Все ссылки, процитированные в настоящем описании, включены в него в полном объеме. Настоящее изобретение может быть воплощено в других конкретных формах без отклонения от его сущности или существенных признаков, и, соответственно, следует ссылаться на прилагаемую формулу изобретения, а не на предшествующее описание, как на указание объема изобретения.All references cited in the present description are incorporated herein in their entirety. The present invention may be embodied in other specific forms without departing from its spirit or essential features, and accordingly, reference should be made to the appended claims, and not to the foregoing description, as an indication of the scope of the invention.
--
Claims (35)
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US62/572,828 | 2017-10-16 | ||
US62/662,322 | 2018-04-25 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
EA042735B1 true EA042735B1 (en) | 2023-03-21 |
Family
ID=
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US20190112569A1 (en) | In Situ Raman Spectroscopy Systems and Methods for Controlling Process Variables in Cell Cultures | |
JP2020195370A5 (en) | ||
Schwarz et al. | Monitoring of amino acids and antibody N-glycosylation in high cell density perfusion culture based on Raman spectroscopy | |
JP2020022492A (en) | Pre-programmed non-feedback controlled continuous feeding of cell cultures | |
JP7412839B2 (en) | Methods in bioprocess purification systems | |
Chen et al. | Viable cell density on-line auto-control in perfusion cell culture aided by in-situ Raman spectroscopy | |
US11774287B2 (en) | Raman spectroscopy integrated perfusion cell culture system for monitoring and auto-controlling perfusion cell culture | |
Dowd et al. | Predictive control of hollow‐fiber bioreactors for the production of monoclonal antibodies | |
EA042735B1 (en) | IN SITU RAMAN SPECTROSCOPY SYSTEMS AND METHODS FOR MONITORING PROCESS VARIABLES IN CELL CULTURES | |
US20210180003A1 (en) | Systems and Methods for Auto-Inoculation in Seed Train and Production Processes | |
US20240132835A1 (en) | Dynamic monosaccharide control processes | |
US20240168033A1 (en) | Multiparameter materials, methods and systems for enhanced bioreactor manufacture | |
JP2024514265A (en) | Dynamic nutrient control process | |
Feidl | Digitalization platform and supervisory control of an integrated continuous bioprocess | |
EA044918B1 (en) | SYSTEMS AND METHODS OF AUTOMATIC INOCULATION IN THE SYSTEM OF SEED FERMENTERS AND PRODUCTION METHODS | |
CA3214345A1 (en) | Multiparameter materials, methods and systems for bioreactor glycated species manufacture | |
Romann et al. | Raman‐controlled pyruvate feeding to control metabolic activity and product quality in continuous biomanufacturing | |
CN117460448A (en) | Multiparameter materials, methods, and systems for bioreactor saccharified material fabrication | |
Zalai | A quality by design approach for enhanced process understanding in biopharmaceutical process development |