SE518174C2 - Detection method of unwanted microbial infection in animal cell culture - Google Patents
Detection method of unwanted microbial infection in animal cell cultureInfo
- Publication number
- SE518174C2 SE518174C2 SE9904125A SE9904125A SE518174C2 SE 518174 C2 SE518174 C2 SE 518174C2 SE 9904125 A SE9904125 A SE 9904125A SE 9904125 A SE9904125 A SE 9904125A SE 518174 C2 SE518174 C2 SE 518174C2
- Authority
- SE
- Sweden
- Prior art keywords
- cell culture
- sensors
- culture
- electronic nose
- gas
- Prior art date
Links
- 238000004113 cell culture Methods 0.000 title claims abstract description 43
- 208000015181 infectious disease Diseases 0.000 title claims abstract description 34
- 238000001514 detection method Methods 0.000 title claims abstract description 26
- 210000004102 animal cell Anatomy 0.000 title claims abstract description 20
- 230000000813 microbial effect Effects 0.000 title claims abstract description 18
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 63
- 244000005700 microbiome Species 0.000 claims abstract description 17
- 238000003909 pattern recognition Methods 0.000 claims abstract description 10
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 claims abstract description 9
- 210000004027 cell Anatomy 0.000 claims description 31
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims description 29
- 238000013528 artificial neural network Methods 0.000 claims description 25
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 24
- 102000001690 Factor VIII Human genes 0.000 claims description 10
- 108010054218 Factor VIII Proteins 0.000 claims description 10
- 210000004978 chinese hamster ovary cell Anatomy 0.000 claims description 10
- 241000589517 Pseudomonas aeruginosa Species 0.000 claims description 9
- 241000193755 Bacillus cereus Species 0.000 claims description 7
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 claims description 7
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims description 7
- 241000894006 Bacteria Species 0.000 claims description 6
- 208000035143 Bacterial infection Diseases 0.000 claims description 6
- 208000022362 bacterial infectious disease Diseases 0.000 claims description 6
- 239000006143 cell culture medium Substances 0.000 claims description 6
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 102000004169 proteins and genes Human genes 0.000 claims description 3
- 108090000623 proteins and genes Proteins 0.000 claims description 3
- 241000699800 Cricetinae Species 0.000 claims description 2
- 229920001940 conductive polymer Polymers 0.000 claims description 2
- 239000013078 crystal Substances 0.000 claims description 2
- 230000005669 field effect Effects 0.000 claims description 2
- 239000010453 quartz Substances 0.000 claims description 2
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 241001465754 Metazoa Species 0.000 claims 1
- 210000001672 ovary Anatomy 0.000 claims 1
- 210000001331 nose Anatomy 0.000 description 57
- 230000004044 response Effects 0.000 description 49
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 42
- 239000002609 medium Substances 0.000 description 14
- 238000011109 contamination Methods 0.000 description 12
- 238000004422 calculation algorithm Methods 0.000 description 11
- 238000000855 fermentation Methods 0.000 description 11
- 230000004151 fermentation Effects 0.000 description 11
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 11
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 10
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 10
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 10
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 10
- 238000012937 correction Methods 0.000 description 9
- 230000008859 change Effects 0.000 description 8
- 230000007717 exclusion Effects 0.000 description 8
- 229960000301 factor viii Drugs 0.000 description 7
- 238000011081 inoculation Methods 0.000 description 7
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 7
- 230000001580 bacterial effect Effects 0.000 description 6
- 239000001963 growth medium Substances 0.000 description 6
- 241000193830 Bacillus <bacterium> Species 0.000 description 5
- 241000589516 Pseudomonas Species 0.000 description 5
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 5
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 5
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 5
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 5
- 125000002485 formyl group Chemical class [H]C(*)=O 0.000 description 5
- 238000005070 sampling Methods 0.000 description 5
- 238000010187 selection method Methods 0.000 description 5
- 235000014469 Bacillus subtilis Nutrition 0.000 description 4
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 4
- 238000000513 principal component analysis Methods 0.000 description 4
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 4
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 4
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 4
- 244000063299 Bacillus subtilis Species 0.000 description 3
- 239000002028 Biomass Substances 0.000 description 3
- 102000007056 Recombinant Fusion Proteins Human genes 0.000 description 3
- 108010008281 Recombinant Fusion Proteins Proteins 0.000 description 3
- 240000004808 Saccharomyces cerevisiae Species 0.000 description 3
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 3
- 230000001413 cellular effect Effects 0.000 description 3
- 238000007796 conventional method Methods 0.000 description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 230000008030 elimination Effects 0.000 description 3
- 238000003379 elimination reaction Methods 0.000 description 3
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 3
- 238000012417 linear regression Methods 0.000 description 3
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 3
- 238000004886 process control Methods 0.000 description 3
- IKHGUXGNUITLKF-UHFFFAOYSA-N Acetaldehyde Chemical compound CC=O IKHGUXGNUITLKF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 101000911390 Homo sapiens Coagulation factor VIII Proteins 0.000 description 2
- JVTAAEKCZFNVCJ-UHFFFAOYSA-M Lactate Chemical compound CC(O)C([O-])=O JVTAAEKCZFNVCJ-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 2
- 241000191938 Micrococcus luteus Species 0.000 description 2
- KDLHZDBZIXYQEI-UHFFFAOYSA-N Palladium Chemical compound [Pd] KDLHZDBZIXYQEI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 235000014680 Saccharomyces cerevisiae Nutrition 0.000 description 2
- FAPWRFPIFSIZLT-UHFFFAOYSA-M Sodium chloride Chemical compound [Na+].[Cl-] FAPWRFPIFSIZLT-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 2
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 description 2
- 230000004071 biological effect Effects 0.000 description 2
- 230000001332 colony forming effect Effects 0.000 description 2
- 230000002596 correlated effect Effects 0.000 description 2
- 238000011161 development Methods 0.000 description 2
- 230000018109 developmental process Effects 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 238000004401 flow injection analysis Methods 0.000 description 2
- 235000013305 food Nutrition 0.000 description 2
- 230000012010 growth Effects 0.000 description 2
- 102000057593 human F8 Human genes 0.000 description 2
- 229960000900 human factor viii Drugs 0.000 description 2
- 229930195733 hydrocarbon Natural products 0.000 description 2
- 150000002430 hydrocarbons Chemical class 0.000 description 2
- 238000003018 immunoassay Methods 0.000 description 2
- 230000002458 infectious effect Effects 0.000 description 2
- 238000011068 loading method Methods 0.000 description 2
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 2
- 238000003062 neural network model Methods 0.000 description 2
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 2
- 238000001179 sorption measurement Methods 0.000 description 2
- XOLBLPGZBRYERU-UHFFFAOYSA-N tin dioxide Chemical compound O=[Sn]=O XOLBLPGZBRYERU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 2
- 230000014616 translation Effects 0.000 description 2
- 238000010200 validation analysis Methods 0.000 description 2
- 230000035899 viability Effects 0.000 description 2
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- OILXMJHPFNGGTO-UHFFFAOYSA-N (22E)-(24xi)-24-methylcholesta-5,22-dien-3beta-ol Natural products C1C=C2CC(O)CCC2(C)C2C1C1CCC(C(C)C=CC(C)C(C)C)C1(C)CC2 OILXMJHPFNGGTO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- RQOCXCFLRBRBCS-UHFFFAOYSA-N (22E)-cholesta-5,7,22-trien-3beta-ol Natural products C1C(O)CCC2(C)C(CCC3(C(C(C)C=CCC(C)C)CCC33)C)C3=CC=C21 RQOCXCFLRBRBCS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- HIXDQWDOVZUNNA-UHFFFAOYSA-N 2-(3,4-dimethoxyphenyl)-5-hydroxy-7-methoxychromen-4-one Chemical compound C=1C(OC)=CC(O)=C(C(C=2)=O)C=1OC=2C1=CC=C(OC)C(OC)=C1 HIXDQWDOVZUNNA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- OQMZNAMGEHIHNN-UHFFFAOYSA-N 7-Dehydrostigmasterol Natural products C1C(O)CCC2(C)C(CCC3(C(C(C)C=CC(CC)C(C)C)CCC33)C)C3=CC=C21 OQMZNAMGEHIHNN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229920001817 Agar Polymers 0.000 description 1
- 238000012935 Averaging Methods 0.000 description 1
- UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N Carbon monoxide Chemical class [O+]#[C-] UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 241001660259 Cereus <cactus> Species 0.000 description 1
- 241000196324 Embryophyta Species 0.000 description 1
- DNVPQKQSNYMLRS-NXVQYWJNSA-N Ergosterol Natural products CC(C)[C@@H](C)C=C[C@H](C)[C@H]1CC[C@H]2C3=CC=C4C[C@@H](O)CC[C@]4(C)[C@@H]3CC[C@]12C DNVPQKQSNYMLRS-NXVQYWJNSA-N 0.000 description 1
- 241000588724 Escherichia coli Species 0.000 description 1
- 241000233866 Fungi Species 0.000 description 1
- 241000238631 Hexapoda Species 0.000 description 1
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 241000192130 Leuconostoc mesenteroides Species 0.000 description 1
- 241000192041 Micrococcus Species 0.000 description 1
- 241000191936 Micrococcus sp. Species 0.000 description 1
- NINIDFKCEFEMDL-UHFFFAOYSA-N Sulfur Chemical compound [S] NINIDFKCEFEMDL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000035508 accumulation Effects 0.000 description 1
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 1
- 230000006978 adaptation Effects 0.000 description 1
- 238000005273 aeration Methods 0.000 description 1
- 239000008272 agar Substances 0.000 description 1
- 150000001298 alcohols Chemical class 0.000 description 1
- 230000003698 anagen phase Effects 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 150000001491 aromatic compounds Chemical class 0.000 description 1
- 238000003491 array Methods 0.000 description 1
- 238000012365 batch cultivation Methods 0.000 description 1
- 238000010364 biochemical engineering Methods 0.000 description 1
- 229960000074 biopharmaceutical Drugs 0.000 description 1
- 229920001222 biopolymer Polymers 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 238000009640 blood culture Methods 0.000 description 1
- 229940041514 candida albicans extract Drugs 0.000 description 1
- 238000005251 capillar electrophoresis Methods 0.000 description 1
- 229910002090 carbon oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000003197 catalytic effect Effects 0.000 description 1
- 230000019522 cellular metabolic process Effects 0.000 description 1
- 238000012512 characterization method Methods 0.000 description 1
- 238000012733 comparative method Methods 0.000 description 1
- 238000000205 computational method Methods 0.000 description 1
- 239000000356 contaminant Substances 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 239000003814 drug Substances 0.000 description 1
- 230000009977 dual effect Effects 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 238000003912 environmental pollution Methods 0.000 description 1
- DNVPQKQSNYMLRS-SOWFXMKYSA-N ergosterol Chemical compound C1[C@@H](O)CC[C@]2(C)[C@H](CC[C@]3([C@H]([C@H](C)/C=C/[C@@H](C)C(C)C)CC[C@H]33)C)C3=CC=C21 DNVPQKQSNYMLRS-SOWFXMKYSA-N 0.000 description 1
- RTZKZFJDLAIYFH-UHFFFAOYSA-N ether Substances CCOCC RTZKZFJDLAIYFH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 1
- 210000002950 fibroblast Anatomy 0.000 description 1
- 238000011010 flushing procedure Methods 0.000 description 1
- 239000012737 fresh medium Substances 0.000 description 1
- 230000006870 function Effects 0.000 description 1
- 230000004927 fusion Effects 0.000 description 1
- 230000036541 health Effects 0.000 description 1
- 210000005260 human cell Anatomy 0.000 description 1
- 210000004408 hybridoma Anatomy 0.000 description 1
- -1 hydrocarbons Chemical class 0.000 description 1
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 1
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000001727 in vivo Methods 0.000 description 1
- 238000011065 in-situ storage Methods 0.000 description 1
- 238000011534 incubation Methods 0.000 description 1
- 238000009776 industrial production Methods 0.000 description 1
- 239000002054 inoculum Substances 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 229910052741 iridium Inorganic materials 0.000 description 1
- GKOZUEZYRPOHIO-UHFFFAOYSA-N iridium atom Chemical compound [Ir] GKOZUEZYRPOHIO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000014759 maintenance of location Effects 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 230000000116 mitigating effect Effects 0.000 description 1
- QJGQUHMNIGDVPM-UHFFFAOYSA-N nitrogen group Chemical group [N] QJGQUHMNIGDVPM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000010606 normalization Methods 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 229910052763 palladium Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000037361 pathway Effects 0.000 description 1
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 1
- 229920000515 polycarbonate Polymers 0.000 description 1
- 239000004417 polycarbonate Substances 0.000 description 1
- 102000040430 polynucleotide Human genes 0.000 description 1
- 108091033319 polynucleotide Proteins 0.000 description 1
- 239000002157 polynucleotide Substances 0.000 description 1
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 1
- 238000013341 scale-up Methods 0.000 description 1
- 239000011780 sodium chloride Substances 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 229910052717 sulfur Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011593 sulfur Substances 0.000 description 1
- 238000012549 training Methods 0.000 description 1
- 239000012137 tryptone Substances 0.000 description 1
- 210000003501 vero cell Anatomy 0.000 description 1
- 230000000007 visual effect Effects 0.000 description 1
- 238000012800 visualization Methods 0.000 description 1
- 239000012138 yeast extract Substances 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
- G01N33/48—Biological material, e.g. blood, urine; Haemocytometers
- G01N33/483—Physical analysis of biological material
- G01N33/497—Physical analysis of biological material of gaseous biological material, e.g. breath
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
- G01N33/0004—Gaseous mixtures, e.g. polluted air
- G01N33/0009—General constructional details of gas analysers, e.g. portable test equipment
- G01N33/0027—General constructional details of gas analysers, e.g. portable test equipment concerning the detector
- G01N33/0031—General constructional details of gas analysers, e.g. portable test equipment concerning the detector comprising two or more sensors, e.g. a sensor array
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
- G01N33/0004—Gaseous mixtures, e.g. polluted air
- G01N33/0009—General constructional details of gas analysers, e.g. portable test equipment
- G01N33/0027—General constructional details of gas analysers, e.g. portable test equipment concerning the detector
- G01N33/0036—General constructional details of gas analysers, e.g. portable test equipment concerning the detector specially adapted to detect a particular component
- G01N33/0047—Organic compounds
Landscapes
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Immunology (AREA)
- Food Science & Technology (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- Pathology (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Medicinal Chemistry (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- Molecular Biology (AREA)
- Biomedical Technology (AREA)
- Biophysics (AREA)
- Hematology (AREA)
- Urology & Nephrology (AREA)
- Measuring Or Testing Involving Enzymes Or Micro-Organisms (AREA)
Abstract
Description
25 30 35 ø n | ; nu n 513 174 2 komplicerad provtagning och utvärdering, trots de kost- samma arrangemangen. 25 30 35 ø n | ; now n 513 174 2 complicated sampling and evaluation, despite the costly arrangements.
Ett fàtal nyligen gjorda observationer tyder pà att elektroniska näsor skulle kunna vara attraktiva icke- invasiva alternativ för detektion av mikrobiell kont- amination i bioreaktorer för odling av mikroorganismer 1998). Principen för elektroniska näsor 1994) är välkänd fràn flera till- (Namdev et al, (Gardner och Bartlett, làmpningar för detektion av komponenter i olika typer av prover och medier genom detektion av avgivna gaser.A few recent observations suggest that electronic noses could be attractive non-invasive alternatives for the detection of microbial contamination in bioreactors for the cultivation of microorganisms (1998). The principle of electronic noses 1994) is well known from several to- (Namdev et al, (Gardner and Bartlett, applications for detection of components in various types of samples and media by detection of emitted gases).
Detektionen är baserad pà registrering av den avgivna gasen frán odlingar med hjälp av uppsättningar av gas- sensorer som är känsliga för olika flyktiga föreningar, t ex kolväten, såsom aromatiska föreningar (t ex ergo- sterol), aldehyder (t ex acetaldehyd) och alkoholer (t ex etanol); svavelhaltiga föreningar, kvävehaltiga förening- ar, vätgas och koloxider, som är specifika för varje bak- teriestam. Genom att helt enkelt ta ut ett kontinuerligt provflöde av en fràn en bioreaktor avgiven gas, uppnås en icke-invasiv nästan realtidsövervakning av avgivningen.The detection is based on the registration of the emitted gas from cultures by means of sets of gas sensors which are sensitive to various volatile compounds, eg hydrocarbons, such as aromatic compounds (eg ergosterol), aldehydes (eg acetaldehyde) and alcohols. (eg ethanol); sulfur-containing compounds, nitrogen-containing compounds, hydrogen and carbon oxides, which are specific to each bacterial strain. By simply extracting a continuous sample stream of a gas discharged from a bioreactor, a non-invasive almost real-time monitoring of the release is achieved.
Eftersom olika stammar av organismer ger upphov till specifika gassensorsignalmönster, kan elektroniska näsor nu utgöra en ny typ av instrument för tidig detektion av olika typer av mikrobiell kontaminering av odlingar (Craven et al, 1994; Holmberg et al, 1999). Det faktum att de elektroniska näsorna möjliggör mätning utanför bioreaktorsystemets sterila barriär står i överens- stämmelse med kraven pà industriell produktion och lätt- heten till anpassning för realtidsövervakning samt som operatorstöd.Since different strains of organisms give rise to specific gas sensor signal patterns, electronic noses can now constitute a new type of instrument for early detection of different types of microbial contamination of cultures (Craven et al, 1994; Holmberg et al, 1999). The fact that the electronic noses enable measurement outside the sterile barrier of the bioreactor system is in line with the requirements for industrial production and the ease of adaptation for real-time monitoring and as operator support.
I WO97/08337 (Unipath Ltd) beskrivs en elektronisk näsa för detektion av mikroorganismer i blododlingar som ympats med mikroorganismer.WO97 / 08337 (Unipath Ltd) describes an electronic nose for the detection of microorganisms in blood cultures inoculated with microorganisms.
I Gebrauchsmuster DF299 02 593 Ul beskrivs en gas- analysator för medicinsk diagnostik. 10 15 20 25 30 35 513 174 if? 3 Det har sedan länge funnits ett uttalat behov av en snabbare metod för detektion av mikrobiella infektioner i bioprocesser, särskilt i animaliecellodlingar.Gebrauchsmuster DF299 02 593 Ul describes a gas analyzer for medical diagnostics. 10 15 20 25 30 35 513 174 if? 3 There has long been a clear need for a faster method for the detection of microbial infections in bioprocesses, especially in animal cell cultures.
Det har emellertid varit erkänt bland fackmän inom teknikomràdet att en elektronisk näsa inte skulle vara fördelaktig jämfört med konventionella tekniker för de- tektion av mikrobiella infektioner i animaliecellodling- ar, eftersom det förefaller vara osannolikt att detektion skulle kunna vara möjlig i ett sådant tidigt skede av den mikrobiella kontamineringen, d v s att den elektroniska näsan sannolikt inte skulle ge någon respons alls eller en mycket svag eller diffus respons.However, it has been recognized by those skilled in the art that an electronic nose would not be advantageous over conventional techniques for detecting microbial infections in animal cell cultures, as it seems unlikely that detection could be possible at such an early stage of the microbial contamination, ie that the electronic nose would probably not give any response at all or a very weak or diffuse response.
Vad beträffar detektionen av produktkoncentrationen i animaliecellodlingar för framställning av biofarmaceut- ika, har användningen av sådana odlingar stadigt ökat under de senaste tre decennierna. Efter att inledningsvis ha varit baserad pà ascitisk produktion in vivo eller produktion med rullflaska sedan mitten av 80-talet, har tyngdpunkten nu lagts pà utveckling av högeffektiva ani- maliecellprocesser [16]. Enligt denna trend och under be- aktande av det faktum att direktmätningen i animaliecell- odling fortfarande är begränsad till ett fàtal miljöbe- tingade [l2], har utvecklingen av sofistikerade övervak- ningsmetoder blivit en nödvändighet för exakt process- styrning.As regards the detection of the product concentration in animal cell cultures for the production of biopharmaceuticals, the use of such cultures has steadily increased over the past three decades. After initially being based on ascitic production in vivo or production with a roller bottle since the mid-1980s, the emphasis has now been on the development of highly efficient animal cell processes [16]. According to this trend and taking into account the fact that direct measurement in animal cell culture is still limited to a small number of environmental conditions [l2], the development of sophisticated monitoring methods has become a necessity for precise process control.
En av komplikationerna med effektiv produktion av rekombinant protein i ett biologiskt system är avsaknaden av snabba direktmetoder för detektion av den önskade pro- dukten. Dagens analytiska metoder är ofta alltför lång- samma för effektiv styrning i slutet system ("closed-loop control"), varför proteinproduktionen mäste styras via förutbestämda driftsprofiler.One of the complications of efficient production of recombinant protein in a biological system is the lack of rapid direct methods for the detection of the desired product. Today's analytical methods are often too slow for efficient closed-loop control, which is why protein production must be controlled via predetermined operating profiles.
Konventionell produktövervakning i animaliecell- odlingar förlitar sig ofta pà immunanalytiska metoder som oftast används endast off-line för dokumentationssyfte i stället för direkt Exempel på senare framsteg vid bioproduktanalys är den (on-line) för processtyrning [6] 10 15 20 25 30 35 o ø - . on 518174 4 framgångsrika användningen av kapillärelektrofores [6], en optisk biosensor PH och direkt immunanalys [l5]. Trots deras känslighet och exakthet måste dessa metoder emellertid fortfarande överbrygga problemet med steril och tillförlitlig provtagning in situ från bioreaktorn.Conventional product monitoring in animal cell cultures often relies on immunoassay methods that are usually used only offline for documentation purposes instead of directly. Examples of later advances in bioproduct analysis are those (on-line) for process control [6] 10 15 20 25 30 35 o ø -. successful use of capillary electrophoresis [6], an optical biosensor PH and direct immunoassay [15]. However, despite their sensitivity and accuracy, these methods must still overcome the problem of sterile and reliable in situ sampling from the bioreactor.
Problemet med aseptisk provtagning blir särskilt framträdande vid övervakning av utflödet från bioreak- torns gasutrymme.The problem of aseptic sampling becomes particularly prominent when monitoring the outflow from the bioreactor's gas space.
Andamål med uppfinningen Ett ändamål med föreliggande uppfinning är att eli- minera de ovannämnda problemen som involverar långsam detektion av mikrobiella infektioner i animaliecellkul- turer. Ett annat ändamål med föreliggande uppfinning är att tillhandahålla ett förfarande för uppskattning av produktkoncentrationen i en cellodling.OBJECTS OF THE INVENTION An object of the present invention is to eliminate the above-mentioned problems involving slow detection of microbial infections in animal cell cultures. Another object of the present invention is to provide a method for estimating the product concentration in a cell culture.
Dessa ändamål har uppnåtts med hjälp av förfaranden av inledningsvis nämnt slag, vilka har de i patentkraven l och 6 angivna särdragen. Ytterligare särdrag är definierade i underkraven.These objects have been achieved by means of methods of the kind mentioned in the introduction, which have the features stated in claims 1 and 6. Additional features are defined in the subclaims.
Beskrivning av ritninqarna I fig 1(a) visas tidsprofiler för utvalda sensor- responssignaler från den elektroniska näsan och odlings- parametrar för en rFVIII-odling i produktionsskala. En bakterieinfektion uppkom vid slutet av odlingen. MOSFET 3-responsen visas förstorat i sitt mätintervall av 20 min under infektionsperioden. pO2-sondens första reaktion på infektionen indikeras i kurvan. Odlingsparametrarna var normaliserade mellan O och 1. Sensorsignalerna är angivna i godtyckliga enheter.Description of the drawings Fig. 1 (a) shows time profiles for selected sensor response signals from the electronic nose and culture parameters for an rFVIII culture in production scale. A bacterial infection occurred at the end of the culture. The MOSFET 3 response is shown magnified in its measurement interval of 20 minutes during the infection period. The first reaction of the pO2 probe to the infection is indicated in the curve. The cultivation parameters were normalized between 0 and 1. The sensor signals are given in arbitrary units.
I fig 1(b) visas tidsprofiler för utvalda sensor- responssignaler och odlingsparametrar för en framgångsrik rFVIII-odling i produktionsskala. Odlingsparametrarna var normaliserade. Sensorsignalerna är angivna i godtyckliga enheter.Fig. 1 (b) shows time profiles for selected sensor response signals and culture parameters for a successful production scale rFVIII culture. The culture parameters were normalized. The sensor signals are specified in arbitrary units.
I fig 2(a) visas tidsprofiler för utvalda sensor- responssignaler och odlingsparametrar för en rFVIII- odling i laboratorieskala. Odlingen kontaminerades med 10 15 20 25 30 35 . » a ~ u' n 518 174 5 Bacillus cereus. Fl, F2: introducerade processfel via en minskning av löst syre till 0% mättnad. M: den elektron- iska näsan kopplades bort från processen. MOSFET 3-re- sponsen visas förstorat i sitt mätintervall av 20 min under infektionsperioden. pO2-sondens första reaktion pà infektionen anges i kurvan. Odlingsparametrarna var nor- maliserade. Sensorsignalerna anges i godtyckliga enheter.Fig. 2 (a) shows time profiles for selected sensor response signals and culture parameters for a laboratory scale rFVIII culture. The culture was contaminated with 10 15 20 25 30 35. »A ~ u 'n 518 174 5 Bacillus cereus. F1, F2: introduced process errors via a reduction of dissolved oxygen to 0% saturation. M: the electronic nose was disconnected from the process. The MOSFET 3 response is displayed magnified in its measurement interval of 20 min during the infection period. The first reaction of the pO2 probe to the infection is given in the curve. The cultivation parameters were normalized. The sensor signals are given in arbitrary units.
I fig 2(b) visas tidsprofiler för utvalda sensor- responssignaler och odlingsparametrar för en rFVIII- odling i laboratorieskala. Odlingen kontaminerades med Pseudomonas aeruginosa. MOSFET 3-responsen visas förstor- at i sitt mätintervall av 20 min under infektionsperiod- en. pO2-sondens första reaktion pà infektionen anges il kurvan. Odlingsparametrarna var normaliserade. Sensor- signalerna är angivna i godtyckliga enheter.Fig. 2 (b) shows time profiles for selected sensor response signals and culture parameters for a laboratory scale rFVIII culture. The culture was contaminated with Pseudomonas aeruginosa. The MOSFET 3 response is shown magnified in its measurement interval of 20 minutes during the infection period. The first reaction of the pO2 probe to the infection is given in the curve. The culture parameters were normalized. The sensor signals are specified in arbitrary units.
I fig 3(a) visas tidsprofiler för utvalda sensor- signaler och odlingsparametrar för en kontrollfermenta- tion i laboratorieskala. Pseudomonas aeruginosa sattes till ett referensodlingsmedium vid den angivna tidpunkt- en. Odlingsparametrarna var normaliserade. Sensorsignal- erna är uttryckta i godtyckliga enheter.Fig. 3 (a) shows time profiles for selected sensor signals and culture parameters for a control fermentation on a laboratory scale. Pseudomonas aeruginosa was added to a reference culture medium at the indicated time. The culture parameters were normalized. The sensor signals are expressed in arbitrary units.
I fig 3(b) visas tidsprofiler för utvalda sensor- signaler och odlingsparametrar för en kontrollfermenta- tion i laboratorieskala. Bacillus subtilis sattes till ett referensodlingsmedium vid den angivna tidpunkten.Fig. 3 (b) shows time profiles for selected sensor signals and culture parameters for a control fermentation on a laboratory scale. Bacillus subtilis was added to a reference culture medium at the indicated time.
Odlingsparametrarna var normaliserade. Sensorsignalerna är angivna i godtyckliga enheter.The culture parameters were normalized. The sensor signals are specified in arbitrary units.
I fig 4(a) visas den ursprungliga och justerade gas- sensorsignalen från en rFVIII-odling i produktionsskala.Fig. 4 (a) shows the original and adjusted gas sensor signal from a production scale rFVIII culture.
Sensorsignalerna är angivna i godtyckliga enheter.The sensor signals are specified in arbitrary units.
I fib 4(b) visas tidsprofilerna för utvalda odlings- parametrar och gassensorsignaler för en rFVIII-odling i laboratorieskala. Kommersiella intressen kräver en norma- lisering av odlingsparametrarna mellan O och 1. Sensor- signalerna är uttryckta i godtyckliga enheter. 10 l5 20 25 30 35 ~ n a ~ av o 518174 »uu u 6 I fig 5 visas karaktäriseringen av gassensorbeteen- det vid processparameterändringar. Sensorsignalen är an- given i godtyckliga enheter.Fib 4 (b) shows the time profiles of selected culture parameters and gas sensor signals for a laboratory-scale rFVIII culture. Commercial interests require a normalization of the cultivation parameters between 0 and 1. The sensor signals are expressed in arbitrary units. Fig. 5 shows the characterization of the gas sensor behavior in case of process parameter changes. The sensor signal is specified in arbitrary units.
I fig 6 visas tidsprofiler för utvalda sensorsignal- er från den elektroniska näsan och viktiga odlingspara- metrar för en rFVIII-odling i produktionsskala. Odlings- parametrarna är normaliserade mellan O och 1. Sensorsig- nalerna är angivna i godtyckliga enheter.Fig. 6 shows time profiles for selected sensor signals from the electronic nose and important culture parameters for an rFVIII culture in production scale. The cultivation parameters are normalized between 0 and 1. The sensor signals are specified in arbitrary units.
I fig 7 visas den uppskattade och uppmätta koncen- trationen av rekombinant faktor VIII i förhållande till odlingstiden vid en rFVIII-odling i produktionsskala. De uppskattade värdena erhölls fràn en neural nätverksmodell som tränats med data från en elektronisk näsa fràn 5 rFVIII-odlingar i produktionsskala. rFVIII-koncentra- tionen var normaliserad mellan O och 1.Fig. 7 shows the estimated and measured concentration of recombinant factor VIII in relation to the culture time in a rFVIII culture on a production scale. The estimated values were obtained from a neural network model trained with data from an electronic nose from 5 rFVIII cultures on a production scale. The rFVIII concentration was normalized between 0 and 1.
I fig 8 visas det uppskattade och uppmätta antalet viabla celler i förhållande till odlingstiden frän en rFVIII-odling i laboratorieskala. De uppskattade värdena erhölls fràn en neural nätverksmodell som tränats med data fràn en elektronisk näsa från en rFVIII-odling i laboratorieskala. Antalet viabla celler var normaliserat mellan 0 och 1.Fig. 8 shows the estimated and measured number of viable cells in relation to the culture time from a rFVIII culture on a laboratory scale. The estimated values were obtained from a neural network model trained with data from an electronic nose from a laboratory-scale rFVIII culture. The number of viable cells was normalized between 0 and 1.
Sammanfattning av uppfinningen Föreliggande uppfinnare har överraskande nog funnit ett förfarande för tidig detektion av mikrobiell infek- tion vid en animaliecellodlingsprocess genom användning av elektronisk näsa. Infektioner med definierade cell- koncentrationer har också àstadkommits för att karaktäri- sera den elektroniska näsans respons pà särskilt tre infekterande organismer som är vanliga vid bioprocesser.Summary of the Invention The present inventors have surprisingly found a method for early detection of microbial infection in an animal cell culture process using an electronic nose. Infections with defined cell concentrations have also been established to characterize the electronic nose's response to three infectious organisms in particular that are common in bioprocesses.
Föreliggande uppfinnare har dessutom funnit ett för- farande för detektion av produktkoncentrationen i ani- maliecellodlingar med hjälp av en elektronisk näsa som inbegriper ett artificiellt neuralt nätverk och som har förmåga till mönsterigenkänning, vilket inte tidigare varit känt eller möjligt. 10 15 20 25 30 35 n - ø v oo 518174 .av nu 7 Dessutom kan bàda av de av uppfinnarna framtagna ovannämnda förfarandena utföras samtidigt vid samma cell- odlingsprocess med hjälp av samma elektroniska näsa.The present inventors have furthermore found a method for detecting the product concentration in animal cell cultures by means of an electronic nose which includes an artificial neural network and which has the ability to pattern recognition, which has not been previously known or possible. In addition, both of the above-mentioned methods developed by the inventors can be carried out simultaneously in the same cell culture process by means of the same electronic nose.
De här använda uttrycken "mikrobiell" och "mikro- organism" hänför sig till vilka oönskade bakterier, jäst- arter och svampar som helst som skulle kunna infektera eller kontaminera bioreaktorinnehàllet.The terms "microbial" and "microorganism" as used herein refer to any unwanted bacteria, yeast species and fungi that could infect or contaminate the bioreactor contents.
Cellodlingen i vilken potentiell mikrobiell konta- minering eller infektion skall detekteras är företrädes- vis en animaliecellodling, t ex en human- eller djurcell- odling, t ex en fibroblastcellodling, en hamstercell- odling, en hybridomcellodling, en insektscellodling etc.The cell culture in which potential microbial contamination or infection is to be detected is preferably an animal cell culture, for example a human or animal cell culture, for example a fibroblast cell culture, a hamster cell culture, a hybridoma cell culture, an insect cell culture, etc.
Cellodlingsmediet kan vara vilket konventionellt medium som helst som används på detta område. Volymen av cell- odlingsmediet kan också variera från laboratorieskala upp till stor skala (0,5 - 20 000 l).The cell culture medium can be any conventional medium used in this field. The volume of the cell culture medium can also vary from laboratory scale up to large scale (0.5 - 20,000 l).
Den från cellodlingen avgivna gasen ackumuleras i gasutrymmet ovanför cellodlingsytan i bioreaktorn och in- begriper flyktiga föreningar, t ex kolväten, som avges av och är specifika för vilken mikroorganism som helst i odlingen.The gas emitted from the cell culture accumulates in the gas space above the cell culture surface of the bioreactor and includes volatile compounds, such as hydrocarbons, which are emitted by and are specific for any microorganism in the culture.
Vid en föredragen utföringsform av föreliggande upp- finning detekteras en odling av rekombinanta CHO-celler (ovarieceller från kinesisk hamster), som producerar human faktor VIII (rFVIII), med avseende på mikroorgan- ismer, och tester har utförts i ett lämpligt medium i 2- liters- resp 500-litersskala. Efter en initial satsvis utförd tillsatsfas genomspolas ("perfused") odlingen kontinuerligt med färskt medium genom användning av en extern cellretentionsanordning. Prover togs var 24 h, och cellkoncentrationen och -viabiliteten mättes genom ute- slutning med hjälp av färgämne.In a preferred embodiment of the present invention, a culture of recombinant CHO cells (Chinese hamster ovary cells) producing human factor VIII (rFVIII) is detected with respect to microorganisms, and tests have been performed in a suitable medium for 2 hours. - liter- and 500-liter scale. After an initial batch addition phase, the culture is continuously flushed with fresh medium using an external cell retention device. Samples were taken every 24 hours, and cell concentration and viability were measured by exclusion using dye.
Det här använda uttrycket "elektronisk näsa" avser en anordning innehållande en uppsättning av gassensorer som ger en karaktäristisk respons på ett gasformigt prov, varvid anordningen också möjliggör mönsterigenkänning. 10 15 20 25 30 35 ø o u | co 518174 8 Det här använda uttrycket "artificiellt neuralt nätverk" avser ett system som används vid en beräknings- metod baserad på teorin för artificiellt neuralt nätverk, vilken beskrivs av t ex C M Bishop, Neural Networks for Pattern Recognition, Oxford Univ. tryckt 1995.The term "electronic nose" as used herein refers to a device containing a set of gas sensors that provide a characteristic response to a gaseous sample, the device also enabling pattern recognition. 10 15 20 25 30 35 ø o u | co 518174 8 The term "artificial neural network" as used herein refers to a system used in a computational method based on the theory of artificial neural network, which is described by, for example, C M Bishop, Neural Networks for Pattern Recognition, Oxford University Press 1995.
Det här använda uttrycket "mönsterigenkänning" avser identifiering av ett mönster av responser med kända variabler med hjälp av vilken beräknings- och/eller icke- beräkningsmetod som helst. Icke-beräkningsmetoden är t ex visuell observation av mönster av sensorsignaler.The term "pattern recognition" as used herein refers to the identification of a pattern of responses with known variables using any calculation and / or non-calculation method. The non-calculation method is, for example, visual observation of patterns of sensor signals.
Den föredragna elektroniska näsan som används i sam- band med föreliggande uppfinning är välkänd (NST3310) och är tillgänglig från Nordic Sensor Technologies AB, Teknikringen 8 , Mjärdevik Science Park, 583 30 Linköp- ing, Sverige. Den inbegriper också ett artificiellt neu- ralt nätverkssystem i den utföringsform som avser upp- skattning av produktkoncentrationen. Den elektroniska näsans sensoruppsättning som används vid rFVIII-odlingen av 500 l var i sin föredragna utföringsform försedd med 10 MOSFET-sensorer (metalloxidhalvledarbaserade fält- effekttransistorer, med katalytiska metallstyren av palladium, iridium eller platina, drivna vid olika tem- peraturer (140/170°C), 12 MOS-sensorer (halvledande metalloxidsensorer av Taguchi- eller FIS-typ; SnO2-sen- sorer drivna vid 400°C) och 1 C02-sensor baserad pà in- fraröd adsorption.The preferred electronic nose used in connection with the present invention is well known (NST3310) and is available from Nordic Sensor Technologies AB, Teknikringen 8, Mjärdevik Science Park, 583 30 Linköping, Sweden. It also includes an artificial neural network system in the embodiment that involves estimating the product concentration. The electronic nose sensor set used in the 500 l rFVIII culture was in its preferred embodiment equipped with 10 MOSFET sensors (metal oxide semiconductor field effect transistors, with catalytic metal controls of palladium, iridium or platinum, operated at different temperatures (140/170). ° C), 12 MOS sensors (semiconductor metal oxide sensors of the Taguchi or FIS type; SnO2 sensors operated at 400 ° C) and 1 CO2 sensor based on infrared adsorption.
Vid ovannämnda rFVIII-odlingar av 2 l innehöll sensoruppsättningen 10 MOSFET-sensorer, 19 MOS-sensorer och 1 CO2~sensor baserad på infraröd adsorption. En mass- flödesreglerare upprätthöll ett stabilt flöde över sen- sorerna.In the aforementioned 2 L rFVIII cultures, the sensor set contained 10 MOSFET sensors, 19 MOS sensors and 1 CO2 sensor based on infrared adsorption. A mass flow regulator maintained a stable flow across the sensors.
Sensorerna var arrangerade i ett gasflödesinjek- tionssystem där gasflödet först passerade MOSFET-sensor- erna och därefter MOS-sensorerna och C02-sensorn. Den elektroniska näsan var utanför den sterila barriären ansluten till bioreaktorns ledning för angiven gas. Prov- tagning utfördes kontinuerligt från den från reaktorn 10 15 20 25 30 35 518174 aus ua 9 avgivna gasen under vanligtvis 30 sek var 20 min genom- gående under hela processen.The sensors were arranged in a gas flow injection system where the gas flow first passed the MOSFET sensors and then the MOS sensors and the C02 sensor. The electronic nose was connected outside the sterile barrier to the bioreactor line for the specified gas. Sampling was performed continuously from the gas discharged from the reactor for usually 30 seconds every 20 minutes throughout the process.
Typerna och antalet av sensorer i den elektroniska näsan beror pà odlingsmediets sammansättning och organ- ismerna i mediet som skall detekteras. Sålunda kan ett varierande antal MOSFET-, MOS- och C02-sensorer och olika kombinationer därav användas för detektionen av mikro- organismer.The types and number of sensors in the electronic nose depend on the composition of the culture medium and the organisms in the medium to be detected. Thus, a varying number of MOSFET, MOS and CO 2 sensors and various combinations thereof can be used for the detection of microorganisms.
Andra sensorer som skulle kunna vara användbara är sensorer baserade på kvartskristall, ledande polymerer och/eller halvledare.Other sensors that could be useful are quartz crystal, conductive polymers and / or semiconductor sensors.
Gassensorresponserna fràn rFVIII-odlingarna uppvisa- de olika signalskiften. Skiftena avlägsnades genom an-I vändning av en algoritm som subtraherar/adderar den kvar- varande förskjutningen fràn ett sensorsignalskifte.The gas sensor responses from the rFVIII cultures showed different signal shifts. The shifts were removed using an algorithm that subtracts / adds the remaining offset from a sensor signal shift.
Kontrollfermentationer utfördes i ett bioreaktor- system av 3 l (Chemoferm AB, Sverige) som var försett med en processtyrningsenhet av typ KENT-B2® (Belach Bioteknik AB, Sverige). Odlingsparametrarna ställdes in så att de överensstämde med rFVIII-odlingsbetingelserna_ Gasflödet hölls genomgående under processen konstant vid 800 ml/min av komprimerad och filtrerad luft.Control fermentations were performed in a 3 l bioreactor system (Chemoferm AB, Sweden) which was equipped with a process control unit of type KENT-B2® (Belach Bioteknik AB, Sweden). The culture parameters were set to conform to the rFVIII culture conditions. The gas flow was kept constant at 800 ml / min of compressed and filtered air throughout the process.
En kvadropolmasspektrometer anslöts till bioreak- torns ledning för avgiven gas (Multi-Gas, Leda-Mass Ltd, Cheshire, UK). Instrumentet försågs med ett dubbeldetek- torsystem (faraday- och elektronmultiplikatordetektor).A quadropole mass spectrometer was connected to the bioreactor line for emitted gas (Multi-Gas, Leda-Mass Ltd, Cheshire, UK). The instrument was equipped with a dual detector system (faraday and electron multiplier detector).
Den från bioreaktorn avgivna gasen screenades med avse- ende pà atomvikterna 1-300 vid maximal uppdaterings- hastighet (ca 5 min).The gas emitted from the bioreactor was screened for atomic weights 1-300 at maximum refresh rate (about 5 minutes).
Den elektroniska näsan som var ansluten till bio- reaktorsystemet var samma instrument som användes för de ovan beskrivna rFVIII-odlingarna av 2 l.The electronic nose connected to the bioreactor system was the same instrument used for the 2 l rFVIII cultures described above.
Vilken mikroorganism som helst, t ex en bakterie- stam, som kontaminerar eller infekterar ett cellodlings- medium kan detekteras med hjälp av den elektroniska näsan vid förfarandet enligt föreliggande uppfinning, men före- 10 15 20 25 30 35 n ø n v ao w 518 174 åïqb ¶ïHELESh" 10 trädesvis detekteras Bacillus cereus och Pseudomonas aeruginosa.Any microorganism, such as a bacterial strain, which contaminates or infects a cell culture medium can be detected by the electronic nose in the method of the present invention, but in addition to 518 174 Bacillus cereus and Pseudomonas aeruginosa are detected.
Bacillus cereus- och Pseudomonas aeruginosa- bakteriestammarna som användes för infektionsstudier vid rFVIII-odlingarna av 2 l isolerades av Pharmacia & Upjohn AB.The Bacillus cereus and Pseudomonas aeruginosa bacterial strains used for infection studies in the 2 L rFVIII cultures were isolated by Pharmacia & Upjohn AB.
Stammarna som användes vid kontrollfermentationerna var Pseudomonas aeruginosa (isolerad pà Linköpings Uni- versitetssjukhus, Linköping, Sverige), Bacillus subtilis (CCUG l63B) och Micrococcus luteus (CCUG 5858). LB-medium (l% trypton, 0,5% jästextrakt och 1% NaCl) användes för upprätthållande av stammen. Kontrollfermentationer ut- fördes i ett definierat serumfritt Eagles MEM-liknande cellodlingsmedium (Shuler et al, 1992).The strains used in the control fermentations were Pseudomonas aeruginosa (isolated at Linköping University Hospital, Linköping, Sweden), Bacillus subtilis (CCUG l63B) and Micrococcus luteus (CCUG 5858). LB medium (1% tryptone, 0.5% yeast extract and 1% NaCl) was used to maintain the strain. Control fermentations were performed in a defined serum-free Eagle's MEM-like cell culture medium (Shuler et al, 1992).
Antalet kolonibildande enheter (cfu) bestämdes genom koloniräkning efter inkubation av medieprover pà agar- plattor. Kopior av medieprover applicerades pà LB-aga- plattor och inkuberades vid 30°C under 24-48 h.The number of colony forming units (cfu) was determined by colony counting after incubation of media samples on agar plates. Copies of media samples were applied to LB aga plates and incubated at 30 ° C for 24-48 hours.
Med föreliggande uppfinning kan, oavsett mikroorgan- ism som skall detekteras, detektionen sålunda utföras flera timmar, d v s ca 50 h, vanligtvis ca 1-10 h, och helst 5 h, tidigare för varje mikroorganism än vid jäm- förande metoder, vilket är av särskilt intresse vid stor- skaliga bioprocesser. Olika mikroorganismer kan detekter- as vid olika tidpunkter i sin tillväxtfas, men i allmän- het är detektionen möjlig inom ovannämnda tidsintervaller tidigare än vad som är möjligt med konventionella metod- er. j Vad beträffar utföringsformen avseende uppskattning av produktkoncentration kan åtskilliga typer av produkter detekteras med hjälp av förfarandet enligt föreliggande uppfinning, företrädesvis proteiner, men även andra bio- polymerer, såsom polykolväten och polynukleotider.Thus, with the present invention, regardless of the microorganism to be detected, the detection can be performed for several hours, i.e. about 50 hours, usually about 1-10 hours, and most preferably 5 hours, earlier for each microorganism than in comparative methods, which is by special interest in large-scale bioprocesses. Different microorganisms can be detected at different times in their growth phase, but in general the detection is possible within the above-mentioned time intervals earlier than is possible with conventional methods. As for the product concentration estimation embodiment, several types of products can be detected by the method of the present invention, preferably proteins, but also other biopolymers, such as polycarbonates and polynucleotides.
Det är överraskande att gasformiga föreningar i av- gaserna avgivna fràn bioreaktorer och härrörande fràn vissa produkter i odlingsmediet kan detekteras. Denna utföringsform avseende uppskattning är inte begränsad 10 15 20 25 30 35 a n - q en 518174 ll till animaliecellodlingar, utan även till mikroorganism- cellodlingar och andra typer av medier. Företrädesvis möjliggör denna utföringsform av föreliggande uppfinning direkt uppskattning av faktor VIII-koncentrationen i odlingar i produktionsskala.It is surprising that gaseous compounds in the exhaust gases emitted from bioreactors and derived from certain products in the culture medium can be detected. This embodiment regarding estimation is not limited to animal cell cultures, but also to microorganism cell cultures and other types of media. Preferably, this embodiment of the present invention allows direct estimation of the factor VIII concentration in production scale cultures.
Försök och resultat för utförinqsformen avseende detek- tion av mikrobiell infektion I fig l(a) visas hur det är möjligt att spåra före- komsten av bakterieinfektion i en rekombinant faktor VIII-odling av 500 l med utgångspunkt från den elek- troniska näsans responssignaler. De tre sensorsignalerna i diagrammet visar övervakningen av odlingen under en period av 18 h parallellt med det uppmätta antalet viabla celler, rFVIII-koncentrationen och totala flödeshastig- heten genom bioreaktorn. Signalerna avspeglar de grund- läggande ändringarna i produkttitern och koncentrationen av viabla celler, såsom rapporterats i detalj på annat 1999b). På den sjuttonde odlingsdagen uppkom en teknisk defekt i anläggningen, vilket förmodades ha orsakat en bakteriell kontaminering ställe (Bachinger et al, i odlingen. Efter 16 h bekräftades kontamineringen genom en reduktion av koncentrationen av löst syre i mediet, vilket övervakades med DO-elektroden. Senare verifierades infektionen, och den infekterande organismen identifierades som Bacillus cereus.Experiments and results for the embodiment regarding detection of microbial infection Fig. 1 (a) shows how it is possible to trace the occurrence of bacterial infection in a recombinant factor VIII culture of 500 l based on the response signals of the electronic nose. The three sensor signals in the diagram show the monitoring of the culture for a period of 18 hours in parallel with the measured number of viable cells, the rFVIII concentration and the total flow rate through the bioreactor. The signals reflect the fundamental changes in the product titer and the concentration of viable cells, as reported in detail in other 1999b). On the seventeenth day of culture, a technical defect occurred in the plant, which was thought to have caused a bacterial contamination site (Bachinger et al., In the culture. After 16 hours, the contamination was confirmed by a reduction in the concentration of dissolved oxygen in the medium, which was monitored with the DO electrode. Later, the infection was verified, and the infecting organism was identified as Bacillus cereus.
Såsom framgår av fig l(a) indikerade responsen från den elektroniska näsan infektionen redan 6-8 h efter det att processdefekten hade uppkommit. I figuren visas också att antalet viabla celler och flödeshastigheten var stabila under denna period. En jämförelse med en rFVIII- odling av 500 l visar de tydliga skillnaderna mellan sensorsignalmönstrena från båda odlingarna (fig l(b)).As shown in Fig. 1 (a), the response from the electronic nose indicated the infection as early as 6-8 hours after the process defect had occurred. The figure also shows that the number of viable cells and the flow rate were stable during this period. A comparison with a rFVIII culture of 500 l shows the clear differences between the sensor signal patterns from both cultures (Fig. 1 (b)).
Den elektroniska näsan har sålunda förmåga att indikera bakterieinfektionen ca 10 h före DO-sensorn. Det bör emellertid noteras att sensorerna inte explicit avslöjar skälet till signalavvikelsen och infektionen. 10 15 20 25 30 35 _1 cfu/ml medium. 5, 8 1,4 = fr: ua 12 I syfte att ytterligare utvärdera potentialen för elektroniska näsor för snabb detektion av kontaminering i animaliecellodlingsprocesser, sattes tre ofta förekomm- ande bakteriestammar avsiktligt till testodlingar.The electronic nose is thus able to indicate the bacterial infection about 10 hours before the DO sensor. It should be noted, however, that the sensors do not explicitly reveal the reason for the signal deviation and infection. 10 15 20 25 30 35 _1 cfu / ml medium. 5, 8 1,4 = fr: ua 12 In order to further evaluate the potential of electronic noses for rapid detection of contamination in animal cell culture processes, three frequently occurring bacterial strains were intentionally added to test cultures.
För det första sattes Bacillus cereus till en ned- skalad rFVIII-odling av 2 l i en koncentration av I fig 2(a) visas den elektroniska näsans responssignaler. 8 h före tillsättningen av bakterierna introducerades en processdefekt vid den tidpunkt som är markerad med F2 i diagrammet. Koncentrationen av löst syre minskades manuellt till 0% under 30 min, och sensor- signalerna indikerade omedelbart processavvikelsen (se_ fig 2(a)). Sensorsignalerna återhämtade sig emellertid inte, utan sjönk i stället gradvis efter denna incident.First, Bacillus cereus was added to a 2 L scaled-down rFVIII culture at a concentration of Fig. 2 (a) showing the response signals of the electronic nose. 8 hours before the addition of the bacteria, a process defect was introduced at the time marked F2 in the diagram. The concentration of dissolved oxygen was manually reduced to 0% over 30 minutes, and the sensor signals immediately indicated the process deviation (see Fig. 2 (a)). However, the sensor signals did not recover, but instead decreased gradually after this incident.
När samma processdefekt introducerades under en period 10 h tidigare vid odlingen (Fl), uppnådde sensorerna omedelbart den ursprungliga signalnivàn efter det att pO2 àterställts. En förklaring av detta beteende kan vara att cellerna efter nästan tre veckors odling var mer sårbara än i början av odlingen. Gassensorerna övervakade den cellulära aktiviteten, som gradvis sjönk, vilket in- dikerade att cellerna inte återhämtade sig korrekt efter att ha exponerats för làga syrekoncentrationer. Sensor- signalerna stabiliserades plötsligt ca 1 h efter det att bakterierna sattes till cellodlingen. Detta ägde rum 9 h innan pO2-sensorn registrerade en minskning av koncentra- tionen av löst syre.When the same process defect was introduced during a period 10 hours earlier in the culture (F1), the sensors immediately reached the original signal level after pO2 was reset. One explanation for this behavior may be that the cells after almost three weeks of culture were more vulnerable than at the beginning of the culture. The gas sensors monitored the cellular activity, which gradually decreased, indicating that the cells did not recover properly after being exposed to low oxygen concentrations. The sensor signals were suddenly stabilized about 1 hour after the bacteria were added to the cell culture. This took place 9 hours before the pO2 sensor detected a decrease in the concentration of dissolved oxygen.
För det andra sattes Pseudomonas aeruginosa i en koncentration av 0,1 cfu/ml medium (fig 2(b)) till samma odlings- och reaktorsystem. Ingen signalresponsändring noterades efter tillsättning av bakterierna. En signal- avvikelse fràn den ursprungliga vägen kunde detekteras först 15 h efter infektionen. pO2-sensorn identifierade processavvikelsen 6 h därefter.Second, Pseudomonas aeruginosa was added at a concentration of 0.1 cfu / ml medium (Fig. 2 (b)) to the same culture and reactor system. No signal response change was noted after addition of the bacteria. A signal deviation from the original pathway could not be detected until 15 hours after the infection. The pO2 sensor identified the process deviation 6 hours later.
I syfte att ytterligare verifiera giltigheten av signalerna fràn den elektroniska näsan för Bacillus- och Pseudomonas-arterna inkuberades dessa i samma medium, men 10 15 20 25 30 35 13 utan CHO-kulturen. I fig 3(a) visas den elektroniska näsans respons pà en kontrollfermentation där 100 koloni- bildande enheter (cfu) av Pseudomonas aeruginosa per ml cellkulturmedium ympats. l h efter ympningen indikerades kontamineringen genom en responsändring i den utvalda MOSFET-sensorn. 14 h efter ympningen indikerade pO2- sensorn en minskning av halten löst syre. Parallellt användes en masspektrometer i direktanslutning vid denna odling för övervakning av den från bioreaktorn avgivna gasen. Det registrerade partialtrycket för C02 visar att masspektrometern inte indikerar infektionen tidigare än pO2-sensorn.In order to further verify the validity of the electronic nose signals for the Bacillus and Pseudomonas species, these were incubated in the same medium, but without the CHO culture. Figure 3 (a) shows the response of the electronic nose to a control fermentation in which 100 colony forming units (cfu) of Pseudomonas aeruginosa per ml of cell culture medium were inoculated. 1 h after inoculation, the contamination was indicated by a response change in the selected MOSFET sensor. 14 hours after inoculation, the pO2 sensor indicated a decrease in dissolved oxygen content. In parallel, an in-line mass spectrometer was used in this culture to monitor the gas emitted from the bioreactor. The recorded partial pressure for CO 2 shows that the mass spectrometer does not indicate the infection earlier than the pO2 sensor.
Den elektroniska näsans respons på en kontrollfer- mentation där 4000 cfu/ml av Bacillus subtilis ympats visas i fig 3(b). Detta stora cellantal orsakade en omedelbar signaländring hos en av sensorerna som plottats i fig 3(b). pO2-sensorn övervakade en minskande halt av löst syre 7 h efter ympning. Partialtrycket av C02 som registrerats av masspektrometern indikerade inte heller här infektionen tidigare än pO2-sensorn.The response of the electronic nose to a control fermentation in which 4000 cfu / ml of Bacillus subtilis was inoculated is shown in Fig. 3 (b). This large number of cells caused an immediate signal change in one of the sensors plotted in Fig. 3 (b). The pO2 sensor monitored a decreasing level of dissolved oxygen 7 hours after inoculation. The partial pressure of CO2 recorded by the mass spectrometer also did not indicate the infection earlier than the pO2 sensor.
Genom upprepning av odlingarna i cellfria medier med P. aeruginosa och B. subtilis vid lägre koncentrationer (0,5 cfu/ml resp 20 cfu/ml) uppvisades förväntade längre responstider för den elektroniska näsan.By repeating the cultures in cell-free media with P. aeruginosa and B. subtilis at lower concentrations (0.5 cfu / ml and 20 cfu / ml, respectively), expected longer response times for the electronic nose were demonstrated.
En infektion av cellfritt medium med Micrococcus luteus verifierade våra tidigare observationer i 500 l där den elektroniska näsan gav respons med en tydlig signalavvikelse för en kontaminering som senare iden- tifierades som Micrococcus sp. Där hade vi rapporterat identifieringen av bakterieinfektionen med hjälp av den elektroniska näsan ca 2 dagar innan pOš-signalen indiker- ade kontamineringen. Vid denna kontrollfermentation fram- gick det att pO2-sensorn indikerade tillväxt 39 h efter ympning. En signaländring fràn den elektroniska näsan kunde observeras 10 h efter ympningen.An infection of cell-free medium with Micrococcus luteus verified our previous observations in 500 l where the electronic nose responded with a clear signal deviation for a contamination that was later identified as Micrococcus sp. There we had reported the identification of the bacterial infection using the electronic nose about 2 days before the pOš signal indicated contamination. During this control fermentation, it was found that the pO2 sensor indicated growth 39 hours after inoculation. A signal change from the electronic nose could be observed 10 hours after inoculation.
I Tabell I är resultaten av kontamineringstesterna sammanfattade. 10 15 20 25 30 35 518174 o n uoovoc 14 Sálunda undersöktes särskilt responsen fràn en elek- tronisk näsa försedd med halvledande metalloxidsensorer på genomspolade CHO-odlingar som producerar rekombinant human faktor VIII. skala kunde bakterieinfektioner av rekombinant faktor I produktionsskala och laboratorie- VIII-odlingar identifieras tidigare än med hjälp av en konventionell metod, d v s en elektrod för löst syre.In Table I, the results of the contamination tests are summarized. 10 15 20 25 30 35 518174 o n uoovoc 14 Thus, in particular, the response from an electronic nose equipped with semiconductor metal oxide sensors on flushed CHO cultures producing recombinant human factor VIII was examined. scale, bacterial infections of recombinant factor In production scale and laboratory VIII cultures could be identified earlier than by a conventional method, i.e. an electrode for dissolved oxygen.
Oavsiktlig och reglerad tillsättning av bakterie- kontaminanter till faktor VIII-odlingar resulterade i en tydlig sensorresponsmönsterändring ca 5-10 h tidigare än den förväntade minskningen av halten löst syre. Den elek- troniska näsan kommer emellertid inte att förklara orsak- en till den indikerade mönsterändringen. Det är därför mer realistiskt vid denna specifika tillämpning att instrumentet endast fungerar som ett stöd för operatören.Accidental and controlled addition of bacterial contaminants to factor VIII cultures resulted in a clear sensor response pattern change approximately 5-10 hours earlier than the expected reduction in dissolved oxygen content. However, the electronic nose will not explain the reason for the indicated pattern change. It is therefore more realistic in this specific application that the instrument only serves as a support for the operator.
Den reglerade tillsättningen av ett litet cellantal av Pseudomonas- och Bacillus-stammar visade den elektron- iska näsans stora känslighet. Detta resultat bekräftar också att instrumentet är en känslig övervakningsenhet för biomassa.The regulated addition of a small number of cells of Pseudomonas and Bacillus strains showed the high sensitivity of the electronic nose. This result also confirms that the instrument is a sensitive biomass monitoring unit.
Försök och resultat för utförinqsformen avseende uDD- skattning av produktkoncentration Försök avseende uppskattningen av produktkoncentra- tionen i en cellodling utfördes med samma utrustning för den elektroniska näsan som vid föregående utföringsform avseende detektion av mikrobiell infektion, men var kom- pletterad med ett neuralt nätverk samt var också i skalan 2 l resp 500 l.Experiments and results for the embodiment regarding UDD estimation of product concentration Experiments regarding the estimate of the product concentration in a cell culture were performed with the same equipment for the electronic nose as in the previous embodiment regarding detection of microbial infection, but were supplemented with a neural network and were also in the scale 2 l and 500 l respectively.
Den genomsnittliga odlingstiden var ca 5 veckor.The average cultivation time was about 5 weeks.
Prover togs var 24 h, och cellkoncentrationen och -via- biliteten mättes genom uteslutning med hjälp av färgämne.Samples were taken every 24 hours, and cell concentration and viability were measured by exclusion using dye.
Laktatkoncentrationen analyserades genom användning av en YSI-analysator av modell 2700 (Yellow Springs Instruments, Yellow Springs, OH). Koncentrationen och den biologiska aktiviteteten för rFVIII bestämdes genom an- vändning av godkända metoder. 10 15 20 25 30 35 ¿._,.._.__. _, _ _: ____: 518 174 ="="-=- =: =-s s.'=- :en =' - u . - u n. u n ... .. 0 Z 15 Avståndet mellan den elektroniska näsan och bioreak- torns utlopp var 3 m.The lactate concentration was analyzed using a Model 2700 YSI analyzer (Yellow Springs Instruments, Yellow Springs, OH). The concentration and biological activity of rFVIII were determined using approved methods. 10 15 20 25 30 35 ¿._, .._.__. _, _ _: ____: 518 174 = "=" - = - =: = -s s. '= -: en =' - u. - u n. u n ..... .. 0 Z 15 The distance between the electronic nose and the bioreactor outlet was 3 m.
Bioreaktorsystemet arrangerades på ett sådan sätt att det överensstämde sà mycket som möjligt med beting- elserna för produktionsskala. Prover togs i varierande tidsintervallet var 12 eller 24 hl Analyser utanför systemet utfördes såsom beskrivs i sektion 2.1.The bioreactor system was arranged in such a way that it complied as much as possible with the conditions for production scale. Samples were taken in varying time intervals every 12 or 24 hl Analyzes outside the system were performed as described in section 2.1.
Den elektroniska näsan var försedd med 10 MOSFET- sensorer, 19 MOS-sensorer och 1 C02-sensor. Dessutom var en massflödesstyrningsanordning introducerad i flödes- injektionssystemet för upprättande av ett stabilt gas- flöde över sensorerna. Provgränsytan som beskrivs under 2.1 var modifierad pá sà sätt att avståndet till bioreak- torutloppet var ytterligare reducerat till 0,7 m.The electronic nose was equipped with 10 MOSFET sensors, 19 MOS sensors and 1 C02 sensor. In addition, a mass flow control device was introduced into the flow injection system to establish a stable gas flow across the sensors. The sample interface described under 2.1 was modified in such a way that the distance to the bioreactor outlet was further reduced to 0.7 m.
Den elektroniska näsa som användes vid odlingarna i produktionsskala var också införlivad i övervaknings- utrustningen.The electronic nose used in the production scale crops was also incorporated into the monitoring equipment.
Algoritmen för sensorskiftesexklusion och median- filtret utvecklades i Object Pascal (Delphi 4, Inprise Corp., CA, USA). Skiftesexklusionsalgoritmen subtra- herar/adderar den kvarvarande förskjutningen från en gas- sensorsignal när skiftet överstiger en viss procenthalt och signalnivà och fortskrider i endast en riktning.The sensor shift exclusion algorithm and the median filter were developed in Object Pascal (Delphi 4, Inprise Corp., CA, USA). The shift exclusion algorithm subtracts / adds the remaining offset from a gas sensor signal when the shift exceeds a certain percentage and signal level and progresses in only one direction.
Implementeringen av algoritmen för direkt omräkning bör vara okomplicerad. Medianfiltret applicerades pà data fràn en skiftesexklusionssensor med en fönsterstorlek täckande fem pà varandra följande mätpunkter.The implementation of the algorithm for direct conversion should be uncomplicated. The median filter was applied to data from a shift exclusion sensor with a window size covering five consecutive measurement points.
Programmeringsspráket MATLABTM (The MathWork Inc., MA, USA), understött med MATLABTM-verktygslàdor för neurala nätverk och kemometri, användes för utförande av beräkningar med det artificiella neurala nätverket (ANN) och vid huvudkomponentanalys (PCA). PLS-verktygslådan för MATLABTM användes för komponentkorrektionsmetoden och den framàtverkande selektionsproceduren ("forward selection procedure")(Eigenvector Technologies, Manson, WA).The programming language MATLABTM (The MathWork Inc., MA, USA), supported by MATLABTM toolboxes for neural networks and chemometrics, was used for performing calculations with the artificial neural network (ANN) and in main component analysis (PCA). The PLAT toolbox for MATLABTM was used for the component correction method and the forward selection procedure (Eigenvector Technologies, Manson, WA).
Huvudkomponentanalys (PCA) är en linjär oövervakad mönsterigenkänningsteknik som kan användas för reduktion 10 15 20 25 30 35 ø n | o v: o n 518 174 ä? 16 av dimensionaliteten av multivariata data BJJ. Beräkning- en resulterar i huvudkomponenter som beskriver riktningen av variationen i datauppsättningen. Resultaten presenter- as i diagram där de tvà viktigaste huvudkomponenterna är plottade mot varandra, antingen som en poängplot ("scorei plot"), som beskriver hur proverna är relaterade till varandra, eller såsom en "loadings plot", som beskriver förhållandena mellan variablerna.Principal Component Analysis (PCA) is a linear unattended pattern recognition technique that can be used for reduction 10 15 20 25 30 35 ø n | o v: o n 518 174 ä? 16 of the dimensionality of multivariate data BJJ. The calculation results in main components that describe the direction of the variation in the data set. The results are presented in diagrams where the two most important main components are plotted against each other, either as a score plot, which describes how the samples are related to each other, or as a "loading plot", which describes the relationships between the variables.
Den i detta arbete använda neurala nätverksstruktur- en var en standardmässig àterpropagerande ANN med dolt skikt ("hidden layer backpropagation" ANN) [17] med en sigmoidal aktiverad funktion och Levenberg-Marquardt- uppdateringsalgoritmen [14] Nätverksstrukturen för uppskattningen av rFVIII- koncentrationen innehöll 11 noder i det dolda skiktet, 4 insignalvariabler och 1 utsignal. Den minimala felgrad- ienten var 0,000l, initialvärdet för Ä var 0,001 och multiplikatorerna för ökande och minskande Ä var 10 resp 0,1. Felmàlet var satt till 30, och 20 övningscykler krävdes för uppnàende av en optimal prestanda för modell- en.The neural network structure used in this work was a standard hidden layer backpropagation ANN (17N) with a sigmoidally activated function and the Levenberg-Marquardt update algorithm [14] The network structure for estimating the rFVIII concentration 11 nodes in the hidden layer, 4 input signal variables and 1 output signal. The minimum error gradient was 0.000l, the initial value for Ä was 0.001 and the multipliers for increasing and decreasing Ä were 10 and 0.1, respectively. The error rate was set to 30, and 20 practice cycles were required to achieve optimal performance for the model.
För uppskattning av antalet viabla celler utgjordes ANN-utrustningen av 9 dolda noder, 6 insignaler och 1 utsignal. Den minimala felgradienten var 0,0001, det ini- tiala värdet för Ä var 0,001 och multiplikatorerna för ökande och minskande Ä var 10 resp 0,1. Felmàlet var 0,5, och 30 övningscykler utfördes.To estimate the number of viable cells, the ANN equipment consisted of 9 hidden nodes, 6 input signals and 1 output signal. The minimum error gradient was 0.0001, the initial value for Ä was 0.001 and the multipliers for increasing and decreasing Ä were 10 and 0.1, respectively. The error rate was 0.5, and 30 practice cycles were performed.
I Vid komponentkorrektionsmetoden (CC, DJ) utnyttjas ett filter för reduktion av sensordriften i syfte att öka livstiden för mönsterigenkänningsmodeller. CC förutsätter att driften inte är slumpmässigt spridd, utan att den i stället har en föredragen riktning i mätutrymmet. En PCA- laddningsvektor ("loading vector") beräknas med utgångs- punkt fràn kalibreringsmâtningarna, som infángar rikt- ningen i responsutrymmet. Subtraktion av datauppsättning- en från den ursprungliga odlingen från projektionen av odlingsvärdena pà denna laddningsvektor resulterar i den 10 15 20 25 30 35 518 174 :--; f..= t» 1"* 17 önskade elimineringen av riktningen som beskriver drift- en. Därigenom bevaras samtliga andra riktningar och be- tydande varianser som àtskiljer anhopningar och koncen- treringar. 20 kalibreringsmätningar utfördes genom mätning av responsen pà odlingsmediet i den biologiska reaktorn före ympning. En trendlinje anpassades genom linjär regression till medelvärdet för kalibreringsmàtningarna för varje sensorsignal som täcker samtliga utförda odlingar.In the component correction method (CC, DJ), a filter is used to reduce sensor operation in order to increase the service life of pattern recognition models. CC assumes that the operation is not randomly distributed, but instead has a preferred direction in the measuring space. A PCA loading vector is calculated on the basis of the calibration measurements, which capture the direction in the response space. Subtraction of the data set from the original culture from the projection of the culture values on this charge vector results in the 1018 20 25 30 35 518 174: -; f .. = t »1" * 17 desired the elimination of the direction describing the operation. This preserves all other directions and significant variances that separate accumulations and concentrations. A trend line was adjusted by linear regression to the mean of the calibration measurements for each sensor signal covering all performed cultures.
Odlingsvärdena var medelvärdescentrerade vid utförande av komponentkorrektionsmetoden med anpassade kalibrerings- data.The culture values were mean-centered when performing the component correction method with adapted calibration data.
Detaljer om det framätverkande selektionsförfarandet anges av Eklöv et al [5]. Syftet är att finna en under- uppsättning av ursprungliga sensorsignaler som minimerar ett selektionskriterium. Selektionskriteriet är det för- utsägbara felet fràn en modell av multipel linjär regres- sion i en riktning mot det önskade modellutbytet (pro- cessvariabel). En framàtverkande selektion adderar en variabel åt gången till modellen tills selektionskriter- iet uppnår ett minimum. De selekterade sensorsignalerna innehåller relevant information för variabeluppskattning, vilket sålunda representerar tillfredsställande paramet- rar för användning som insignaler till det artificiella neurala nätverket.Details of the forward-looking selection procedure are given by Eklöv et al [5]. The purpose is to find a subset of original sensor signals that minimizes a selection criterion. The selection criterion is the predictable error from a model of multiple linear regression in a direction towards the desired model yield (process variable). A forward-looking selection adds one variable at a time to the model until the selection criterion reaches a minimum. The selected sensor signals contain relevant information for variable estimation, which thus represents satisfactory parameters for use as input signals to the artificial neural network.
Odlingsdatauppsättningarna behandlades med skiftes- exklusionsalgoritmen, filtrerades och kalibrerades innan en sökning utfördes med avseende pà korrelation gentemot rFVIII-koncentration och antalet viabla celler.The culture data sets were processed with the shift exclusion algorithm, filtered and calibrated before a search was performed for correlation against rFVIII concentration and the number of viable cells.
Den elektroniska näsans multisignalrespons möjliggör direkt uppskattning av huvudparametrarna genom utnyttj- ande av mönsterigenkänningsmodeller. Teoretiskt sett bör en modell vara uppbyggd av ett maximalt antal av dataupp-' sättningar för säkerställande av att den täcker hela variationen vid processen. Detta och graden av korrela- tion av signalerna gentemot den uppskattade parametern 10 15 20 25 30 35 51 3 1 7 4 Ü ÃÃ-åi-.Ií- 18 bestämmer modellerna, flexibiliteten och tillförlitlig- heten.The electronic nose's multi-signal response enables direct estimation of the main parameters through the use of pattern recognition models. Theoretically, a model should be made up of a maximum number of data sets to ensure that it covers the entire variation of the process. This and the degree of correlation of the signals with respect to the estimated parameter 10 15 20 25 30 35 51 3 1 7 4 Ü ÃÃ-åi-.Ií- 18 determine the models, the flexibility and the reliability.
Vid föreliggande studie övervakades 6 odlingar av faktor VIII (rFVIII) i produktionsskala med den elektron- iska näsan. Var och en av odlingarna ägde rum under 5 veckor, och den totala övervakningstiden förlängdes med' mer än 5 000 h av direktoperationen. Därför täcktes en betydande del av processens variation in, liksom instru- mentprestandan och -kalibreringen.In the present study, 6 factor VIII (rFVIII) cultures were monitored on a production scale with the electronic nose. Each of the cultures took place for 5 weeks, and the total monitoring time was extended by more than 5,000 hours of the direct operation. Therefore, a significant part of the variation of the process was covered, as well as the instrument performance and calibration.
En representativ gassensorsignal från en av odling- arna visas i fig 4(a) (se MOSFET-respons). Plötsliga re- sponsskiften kan observeras i signalen. Användning av multivariata metoder för parameteruppskattning omöjlig- görs av detta fenomen.A representative gas sensor signal from one of the cultures is shown in Fig. 4 (a) (see MOSFET response). Sudden response shifts can be observed in the signal. The use of multivariate methods for parameter estimation is made impossible by this phenomenon.
I syfte att bättre förstå dessa skiften och validera gassensorernas responsegenskaper, skalades rFVIII-odling- arna ner till 2 l och övervakades parallellt med två elektroniska näsor.In order to better understand these shifts and validate the response characteristics of the gas sensors, the rFVIII cultures were scaled down to 2 l and monitored in parallel with two electronic noses.
En huvudfråga vid tolkning av dessa signaländringar var huruvida de var resultatet av CHO-cellmetabolismen, bioreaktoruppsättningen i produktionsskala eller själva instrumentet. Såsom kan observeras i fig 4(b) återkom liknande signalskiften i de nedskalade odlingarna (se MOSFET 2-respons). Detta utesluter utformningen och dimensionen av bioreaktorn i produktionsskala som orsak.A major question in interpreting these signal changes was whether they were the result of CHO cell metabolism, the production scale bioreactor set, or the instrument itself. As can be seen in Fig. 4 (b), similar signal shifts recurred in the scaled-down cultures (see MOSFET 2 response). This excludes the design and dimension of the bioreactor on a production scale as a cause.
Instrumentdefekter kan också uteslutas eftersom båda de elektroniska näsorna uppvisade samma responsegenskaper.Instrument defects can also be ruled out because both electronic noses showed the same response characteristics.
Vi förmodade därför att den biologiska aktiviteten hos CHO-cellerna under produktionen av rFVIII orsakade signalskiftena. Vid långvarig odling av en VERO-cellinje med genomspolning noterades dessutom inte skiftena.We therefore hypothesized that the biological activity of the CHO cells during the production of rFVIII caused the signal shifts. In addition, during long-term culture of a VERO cell line with flushing, the shifts were not noted.
I syfte att mera fullständigt förstå gassensorns beteende är det viktigt att identifiera de icke-biolog- iska parametrar vid processen som har en direkt inverkan på gassensorernas respons. Mätningar på ett referens- odlingsmedium visade att ändringar i temperatur och kon- centration av löst syre resulterade i en permanent re- 10 15 20 25 30 35 518 174 ä? Iå-åß Iš. 19 sponsändring för metalloxidsensorer (fig 5). Det har tidigare visats att en ändring av luftningshastigheten inte har någon direkt inverkan pà sensorresponsen D3].In order to more fully understand the behavior of the gas sensor, it is important to identify the non-biological parameters in the process that have a direct impact on the gas sensors' response. Measurements on a reference culture medium showed that changes in temperature and concentration of dissolved oxygen resulted in a permanent re- 10 15 20 25 30 35 518 174 ä? Iå-åß Iš. 19 sponsorship change for metal oxide sensors (Fig. 5). It has previously been shown that a change in the aeration speed has no direct effect on the sensor response D3].
Driftsparameterändringar av denna typ förekommer ofta i rFVIII-odlingar, och resulterande signalskiften bör där- för elimineras fràn sensorsignalerna.Operating parameter changes of this type often occur in rFVIII cultures, and the resulting signal shifts should therefore be eliminated from the sensor signals.
De ovan presenterade observationerna tyder också pà att det är ett korrekt tillvägagångssätt att avlägsna skiften som vi förmodar orsakas av cellerna. Sålunda ut- vecklades en algoritm som möjliggjorde reglerad eliminer- ing av signalförskjutningarna ("signal offsets"). En justerad sensorresponssignal från en rFVIII-odling i produktionsskala visas i fig 4 (se MOSFET-skiftes- eliminerad respons).The observations presented above also indicate that it is a correct approach to remove the shifts that we presume are caused by the cells. Thus, an algorithm was developed that enabled controlled elimination of the signal offsets. An adjusted sensor response signal from a production scale rFVIII culture is shown in Fig. 4 (see MOSFET shift eliminated response).
Driften av gassensorer i fast tillstànd är ett stort problem för tekniken med elektronisk näsa [8]. Etablerade mönsterigenkänningsmodeller skulle kräva konstant om- kalibrering i det fall då ingen driftsmotverkan används.The operation of solid state gas sensors is a major problem for electronic nose technology [8]. Established pattern recognition models would require constant recalibration in the event that no operational mitigation is used.
Särskilt för långvariga bioprocesser skulle detta vara tidskrävande och ineffektivt.Especially for long-term bioprocesses, this would be time consuming and inefficient.
En möjlighet vore att upprepade gånger omkalibrera sensorerna med en lämplig referensgas eller -gasbland- ning. Referensgasblandningen bör inte endast vara korre- lerad till det uppmätta provet, utan även driften av bàdadera bör vara i hög grad korrelerad. Vid en biopro- cess mäste man emellertid teoretiskt sett först identifi- era de viktigaste flyktiga föreningarna som produceras under fermentationsförloppet och använda dessa som referens. Detta skulle emellertid vara opraktiskt, och det är därför bättre att hitta ett gemensamt ämne som är närvarande i höga koncentrationer genomgående under pro- cessen.One possibility would be to repeatedly recalibrate the sensors with a suitable reference gas or gas mixture. The reference gas mixture should not only be correlated to the measured sample, but also the operation of both should be highly correlated. In a bioprocess, however, one must theoretically first identify the most important volatile compounds produced during the fermentation process and use these as a reference. However, this would be impractical, and it is therefore better to find a common substance that is present in high concentrations throughout the process.
Kalibreringen av gassensorerna förverkligades genom registrering av deras respons på de flyktiga föreningarna frän odlingsmediet i bioreaktorn kort före ympningen. I detta skede innehåller gasutrymmet huvudsakligen vatten- ånga. Vattenånga har tidigare befunnits vara lämplig för 10 15 20 25 30 35 ø - | - .v 513 174 Ü -.I=' 'z 20 kalibreringssyften vid àtskilliga tillämpningar pài livsmedelsprover [9]. Vi har erfarit att detta kalibrer- ingsförfarande ger en korrekt representation av driften av gassensorer som exponeras för en bioprocess.The calibration of the gas sensors was realized by recording their response to the volatile compounds from the culture medium in the bioreactor shortly before inoculation. At this stage, the gas space mainly contains water vapor. Water vapor has previously been found to be suitable for 10 15 20 25 30 35 ø - | - .v 513 174 Ü -.I = '' z 20 calibration purposes in several applications on food samples [9]. We have experienced that this calibration procedure provides a correct representation of the operation of gas sensors that are exposed to a bioprocess.
Tjugo kalibreringsmätningar utfördes kort före ymp- ningen av var och en av odlingarna. Responsen för varje sensor omräknades till ett medelvärde, och en trendlinje anpassades genom linjär regression täckande samtliga utförda odlingar. Driften över en tidsperiod av 1 år för utvalda sensorer anges i Tabell 2. Åtskilliga driftmotverkande metoder har utvecklats under senare år [10,9,1]. Vid denna studie applicerades komponentkorrigerings(CC)-metoden Ü] pà sensorsignalerna, såsom beskrivs i sektion 2.4. Sensordrift som för vissa sensorer uppgick till 30% under 1 år avlägsnades med stor framgång med hjälp av denna metod.Twenty calibration measurements were performed shortly before the inoculation of each of the cultures. The response for each sensor was recalculated to a mean, and a trend line was adjusted by linear regression covering all performed cultures. Operation over a period of 1 year for selected sensors is listed in Table 2. Several anti-operational methods have been developed in recent years [10,9,1]. In this study, the component correction (CC) method Ü] was applied to the sensor signals, as described in section 2.4. Sensor operation, which for some sensors amounted to 30% for 1 year, was removed with great success using this method.
I fig 4(b) är àtskilliga sensorsignaler fràn den nedskalade rFVIII-odlingen plottade. Den högre signal- variationen jämfört med den i produktionsskalan var ett resultat av installation av instrumentet nära reaktor- utloppet. Signalerna behandlades med ett anslutet medel- värdesframtagande filter för reduktion av bruset och underlättande av visualisering.In Fig. 4 (b), several sensor signals from the scaled-down rFVIII culture are plotted. The higher signal variation compared to that in the production scale was a result of installation of the instrument near the reactor outlet. The signals were processed with a connected averaging filter to reduce noise and facilitate visualization.
Tillstàndsvariabler och selekterade sensorsignaler fràn en odling i produktionsskala visas i fig 6. De plottade signalerna behandlades med ovan beskrivna skiftesexklusionsalgoritm och representerar en selektion av signalvariationen bland de 110 olika signaler som härletts fràn gassensorarrangemanget.State variables and selected sensor signals from a production scale production are shown in Fig. 6. The plotted signals were processed using the above-described shift exclusion algorithm and represent a selection of the signal variation among the 110 different signals derived from the gas sensor arrangement.
Vissa av sensorresponssignalerna i fig 6 uppvisar korrelation med rFVIII-koncentrationen i bioreaktorn.Some of the sensor response signals in Fig. 6 show correlation with the rFVIII concentration in the bioreactor.
Avvikelsesignalen följer á andra sidan ökningen i speci- fik laktatbildning vid slutet av odlingen. Korrelationen med antalet viabla celler framgàr av vissa av.signal- responserna. Upplösningen av sensorsignalerna är emeller- tid inte tillräckligt hög i början av odlingen för en exakt direkt uppskattning av cellantalet. Detta berodde 10 15 20 25 30 35 ø ø u . av u n 513 174 É-*Éïïš Ü Én* = u u nu. u. 21 sannolikt pà det lànga avståndet mellan reaktorutloppet och den elektroniska näsan som var nödvändigt p g a prov- uppsättningen och instrumentdimensionen i produktions- skala. Vid de nedskalade rFVIII-odlingarna var det möj- ligt att upplösa små biomassaändringar även vid ympnings- celltätheter beroende på den reducerade provtagningsupp- sättningen (se fig 4(b)).The deviation signal, on the other hand, follows the increase in specific lactate formation at the end of the cultivation. The correlation with the number of viable cells is evident from some of the signal responses. However, the resolution of the sensor signals is not high enough at the beginning of the culture for an accurate direct estimate of the cell number. This was due to 10 15 20 25 30 35 ø ø u. av u n 513 174 É- * Éïïš Ü Én * = u u nu. u. 21 probably on the long distance between the reactor outlet and the electronic nose which was necessary due to the test set-up and the instrument dimension in production scale. In the scaled-down rFVIII cultures, it was possible to dissolve small biomass changes even at inoculum cell densities due to the reduced sampling set (see Fig. 4 (b)).
Gassensorsignalerna fràn samtliga sex odlingar i produktionsskala, som behandlats med signaleliminerings- algoritmen, där bruset av signalerna delvis avlägsnats genom användning av ett medianfilter, och med komponent- korrektionskalibreringen användes för uppskattning av rFVIII-koncentrationen.The gas sensor signals from all six cultures on a production scale, which were treated with the signal elimination algorithm, where the noise of the signals was partially removed by using a median filter, and with the component correction calibration were used to estimate the rFVIII concentration.
Det framàtverkande selektionsförfarandet som be- skrivs i förfarandeavsnittet användes för selektion av signalparametrarna med den högsta korrelationen med rFVIII-koncentrationen. De utvalda signalerna från fem odlingar i produktionsskala kompilerades, och ett neuralt nätverk tränades med den utanför systemet uppmätta produktkoncentrationen. De utvalda sensorsignalerna var MOSFET 3-off-derivata, MOSFET 1-off-derivata, MOSFET 8- respons och MOSFET 3-respons. Topologin för det neurala nätverket identifierades med hjälp av "trial and error".The forward selection method described in the method section was used to select the signal parameters with the highest correlation with the rFVIII concentration. The selected signals from five cultures on a production scale were compiled, and a neural network was trained with the product concentration measured outside the system. The selected sensor signals were MOSFET 3-off derivatives, MOSFET 1-off derivatives, MOSFET 8-response and MOSFET 3-response. The topology of the neural network was identified using "trial and error".
Modellen med bevarat neuralt nätverk validerades mot en odling som var okänd för modellen. Resultatet av vali- deringen visas i fig 7. Det totala uppskattningsfelet var ca 10% med en genomsnittlig avvikelse av 1,1 IU/ml. Med ett rFVIII-toppvärde som varierade med så mycket som 50% mellan de sex odlingarna, är detta fortfarande ett accep- tabelt resultat. Det tyder också pà att användning av ytterligare odlingsdatauppsättningar för ANN-modell- träningen skulle öka uppskattningens exakthet.The model with a preserved neural network was validated against a culture that was unknown to the model. The result of the validation is shown in Fig. 7. The total estimation error was about 10% with an average deviation of 1.1 IU / ml. With an rFVIII peak value that varied by as much as 50% between the six cultures, this is still an acceptable result. It also suggests that the use of additional culture data sets for the ANN model training would increase the accuracy of the estimate.
För möjliggörande av sofistikerad styrning av rekom- binantproteinproduktion är det viktigt att övervaka an- talet viabla celler. Trots att sensorsignalupplösningen vid odlingar i produktionsskala inte var tillräckligt hög för exakt direkt uppskattning av antalet viabla celler, 10 15 20 25 30 35 51 g 174 Ü 'E o.. u 22 möjliggjorde nedskalade rFVIII-odlingar detta. Värdena från endast tvà odlingar är inte tillräckliga för att täcka variationen av denna process. Den resulterande modellen kommer därför inte att ha samma genomslag som modellen som etablerats för uppskattning av produktkon- centrationen. V A Sensorresponserna behandlades med ovannämnda signal- uteslutningsalgoritm och filtrerades med ett median- filter. en befanns vara marginell (ca 2%). Sensorsignaler med Ingen sensorkalibrering utfördes, eftersom drift- korrelation med antalet viabla celler selekterades genom användning av det framàtverkande selektionsförfarandet.To enable sophisticated control of recombinant protein production, it is important to monitor the number of viable cells. Although the sensor signal resolution in production scale cultures was not high enough for accurate direct estimation of the number of viable cells, 51 g 174 Ü 'E o .. u 22 scaled-down rFVIII cultures allowed this. The values from only two cultures are not sufficient to cover the variation of this process. The resulting model will therefore not have the same impact as the model established for estimating product concentration. V A The sensor responses were processed with the above signal exclusion algorithm and filtered with a median filter. one was found to be marginal (about 2%). Sensor signals with No sensor calibration were performed, as operating correlation with the number of viable cells was selected using the forward-looking selection procedure.
MOSFET 1-respons, MOSFET 3-respons, Taguchi 2-respons, FIS 2-respons, FIS 5-off-derivata och MOSFET 2-"off- integral" identifierades med hjälp av selektionsmetoden.MOSFET 1 response, MOSFET 3 response, Taguchi 2 response, FIS 2 response, FIS 5-off derivatives and MOSFET 2 "off-integral" were identified by the selection method.
De selekterade sensorsignalerna från båda odlingarna slogs samman, och 60% av värdena användes för träning av ett artificiellt neuralt nätverk mot antalet viabla celler. En lämplig neural nätverkstopologi identifierades med hjälp av "trial and error". Den slutliga ANN-modellen validerades mot resterande 40% av datauppsättningen. En medelavvikelse av 0,21 x 105 celler/ml visar att korrela- tionen mot antalet viabla celler finns i sensorsignaler- na.The selected sensor signals from both cultures were pooled, and 60% of the values were used to train an artificial neural network against the number of viable cells. An appropriate neural network topology was identified using trial and error. The final ANN model was validated against the remaining 40% of the data set. An average deviation of 0.21 x 105 cells / ml shows that the correlation with the number of viable cells is found in the sensor signals.
För erhàllande av en representativ modell för upp- skattning av antalet viabla celler tränades ett neuralt nätverk med sensorresponser fràn en av odlingarna. Samma selekterade signaler användes i modellen som beskrivits ovan. I fig 8 visas valideringsresultatet av den tränade modellen mot den andra rFVIII-odlingen. Totalfelet vid uppskattning var ca 10% med en medelavvikelse av 0,41 x 106 celler/ml.To obtain a representative model for estimating the number of viable cells, a neural network was trained with sensor responses from one of the cultures. The same selected signals were used in the model described above. Fig. 8 shows the validation result of the trained model against the second rFVIII culture. The total error in estimation was about 10% with a mean deviation of 0.41 x 10 6 cells / ml.
Användning av en elektronisk näsa för direkt upp- skattning av produktkoncentrationen i en genomspolad od- ling av rekombinanta animalieceller visades sålunda här.The use of an electronic nose for direct estimation of the product concentration in a flushed culture of recombinant animal cells was thus shown here.
Det visades att faktor VIII-koncentrationen i CHO-cell- kulturer i produktionsskala kunde uppskattas med till- 10 | . - Q n. 518174 nu vv 23 fredställande noggrannhet genom kombination av den elek- troniska näsan med artificiell neural nätverksteknologi.It was shown that the factor VIII concentration in CHO cell cultures on a production scale could be estimated at 10 | . - Q n. 518174 nu vv 23 satisfactory accuracy by combining the electronic nose with artificial neural network technology.
Resultaten bekräftar att den elektroniska näsans multivariata respons innehåller avsevärd information om produktkoncentrationen i denna särskilda process. Det kan förmodas att detta är relaterat till cellpàfrestning or- sakad av överdrivet uttryck av det rekombinanta protein- et. Det bör därför vara möjligt att uppskatta produkt- koncentrationen vid vilken rekombinant process som helst.The results confirm that the multivariate response of the electronic nose contains considerable information about the product concentration in this particular process. It can be assumed that this is related to cell stress caused by excessive expression of the recombinant protein. It should therefore be possible to estimate the product concentration in any recombinant process.
Möjligheten att direkt uppskatta antalet viabla celler presenterades också. Vid faktor VIII-odlingar i laboratorieskala uppnådde vi en acceptabel noggrannhet för uppskattning av cellkoncentrationen. 10 l5 20 25 30 35 40 45 - nan nu 518174 24 REFERENSER Bachinger, Th., Riese, U., Eriksson, R., Mandenius, C.F. (1999a) Monitoring cellular state transitions in a production-scale CHO-cell process using a chemical multisensor array. To appear in J. Biotechnol.The possibility to directly estimate the number of viable cells was also presented. In laboratory-scale factor VIII cultures, we achieved an acceptable accuracy for estimating cell concentration. 10 l5 20 25 30 35 40 45 - nan nu 518174 24 REFERENCES Bachinger, Th., Riese, U., Eriksson, R., Mandenius, C.F. (1999a) Monitoring cellular state transitions in a production-scale CHO-cell process using a chemical multisensor array. To appear in J. Biotechnol.
Bachinger, Th., Riese, U., Eriksson, R.K., Mandenius, C.F. (1999b) Estimation of product concentration in a perfused animal cell cultivation using an electronic nose. (som manuskript).Bachinger, Th., Riese, U., Eriksson, R.K., Mandenius, C.F. (1999b) Estimation of product concentration in a perfused animal cell cultivation using an electronic nose. (as a manuscript).
Craven, M.A., Hines, E.L., Gardner, J.W., Horgan, P., Morgan, D., Ene, I.A. (1994) Bacteria detection and classification using artificial neural networks in conjunction with an electronic nose. Neural networks and expert systems in medicine and health care, Plymouth, UK, 1994, sid 226-234.Craven, M.A., Hines, E.L., Gardner, J.W., Horgan, P., Morgan, D., Ene, I.A. (1994) Bacteria detection and classification using artificial neural networks in conjunction with an electronic nose. Neural networks and expert systems in medicine and health care, Plymouth, UK, 1994, pp. 226-234.
Elmroth, I., Valeur, A., Odham, G., Larsson, L (1990) Detection of microbial contamination in fermentation processes: Mass spectrometric determination of Leuconostoc mesenteroides cultures. Biotechnol. Bioeng. 35, 787-792.Elmroth, I., Valeur, A., Odham, G., Larsson, L (1990) Detection of microbial contamination in fermentation processes: Mass spectrometric determination of Leuconostoc mesenteroides cultures. Biotechnol. Bioeng. 35, 787-792.
Gardner, J.W. och Bartlett, P.N. (1994) A brief history of electronic noses. Sensors and Actuators B 18-19, 211- 220. (1999) Exploiting antibody-based technologies 290-296.Gardner, J.W. and Bartlett, P.N. (1994) A brief history of electronic noses. Sensors and Actuators B 18-19, 211- 220. (1999) Exploiting antibody-based technologies 290-296.
Harris, B. to manage environmental pollution. TIBTECH 17, Holmberg, M., Gustafsson F., Hornsten E. G., Winquist F., Nilsson L.E., Ljung L., Lundstrom I. (1998) Bacteria classification based on feature extraction from sensor data. Biotechnol. Techn. l2(4), 319-324.Harris, B. to manage environmental pollution. TIBTECH 17, Holmberg, M., Gustafsson F., Hornsten E. G., Winquist F., Nilsson L.E., Ljung L., Lundstrom I. (1998) Bacteria classification based on feature extraction from sensor data. Biotechnol. Techn. l2 (4), 319-324.
Namdev, P.K., Alroy, Y., Singh, V. (1998) Sniffing out trouble: Use of an electronic nose in bioprocesses.Namdev, P.K., Alroy, Y., Singh, V. (1998) Sniffing out trouble: Use of an electronic nose in bioprocesses.
Biotechnol. Prog. 14, 75-78.Biotechnol. Prog. 14, 75-78.
Shuler, M.L., Kargi, F. (1992) Bioprocess considerations in using animal cell culture. In: Shuler, M.L., Kargi. F. (utg), Bioprocess engineering: basic concepts. Prentice Hall PTR, New Jersey. 10 15 20 25 30 35 40 45 25 1) Artursson, T., Eklöv, T., Lndström, I., Sjöström, M., Mårtensson, P., Holmberg, M.. Drift correction for gas sensors using multivariate methods. Submitted (1999). 2) Bachinger, Th., Mårtensson, P., Mandenius, C.F.: On- line estimation of biomass and specific growth rate in a recombinant Escherichia coli batch cultivation process using a chemical multisensor array. J. Biotechnol. 60 (l998a) 55-66. 3) Bachinger, Th., Lidén, H., Mårtensson, P., Mandenius, C.F.: On-line estimation of state variables in baker's yeast fermentation using an electronic nose. Sem.Shuler, M.L., Kargi, F. (1992) Bioprocess considerations in using animal cell culture. In: Shuler, M.L., Kargi. F. (ed.), Bioprocess engineering: basic concepts. Prentice Hall PTR, New Jersey. 10 15 20 25 30 35 40 45 25 1) Artursson, T., Eklöv, T., Lndström, I., Sjöström, M., Mårtensson, P., Holmberg, M .. Drift correction for gas sensors using multivariate methods. Submitted (1999). 2) Bachinger, Th., Mårtensson, P., Mandenius, C.F .: On-line estimation of biomass and specific growth rate in a recombinant Escherichia coli batch cultivation process using a chemical multisensor array. J. Biotechnol. 60 (l998a) 55-66. 3) Bachinger, Th., Lidén, H., Mårtensson, P., Mandenius, C.F .: On-line estimation of state variables in baker's yeast fermentation using an electronic nose. Sem.
Food Anal. 3 (l998b) 85-91. 4) Bachinger, Th., Riese, U., Eriksson, R.K., Mandenius, C.F.: Monitoring cellular state transitions in a production-scale CHO-cell process using an electronic nose. To appear in J. Biotechnol. (1999). 5) Eklöv, T., Mårtensson, P., Lundström, I.: Selection of variables for interpreting multivariate gas sensor data. Anal. Chim. Acta 381 (1999) 221-232. 6) Freitag, R., Reif, O.-W., Weidmann, R., Kretzmer, G.: Production of recombinant h-ATIII with animal cell cultures using capillary electrophoresis for product monitoring. Cytotechnol. 21 (1996) 205-215. 7) Gill, A., Bracewell, D.G., Maule, C.H., Lowe, P.A., Hoare, M.: Bioprocess monitoring: An optical biosensor for rapid bioproduct analysis. J. Biotechnol. 65 (1998) 69-80. 8) Göpel, W., Schierbaum, K.D.: Definitions and typical examples. In Göpel, W., Jones, T.A., Kleitz, M., Lundström, I. and Seiyama, T. (ed.), Chemical and biochemical sensors, del I, 2, sid 1-28, VCH Verlagsgesellschaft, Weinheim, Germany (1992). 9) Haugen, J.E., Tomic, O., Kvaal, K.: A calibration method for handling the temporal drift of solid state gas sensors. Submitted (1999). 10) Holmberg, M., Davide, F.A.M., Natale, C.Di., D'Amico, A., Winquist, F., Lundström, I.: Drift counteraction in odour recognition applications: Lifelong 10 15 20 25 30 35 40 ø u - o nu 518174 26 calibration method. Sensors & Actuators B 42 (No. 3) (1997) 185-194. 11) Jackson, J.E.: Principal components and factor analysis: Part 1. Principal Components. J. Qual. Tech. 13 (1) (1981). 12) Konstantinov, K., Chuppa, S., Sajan, E., Tsai, Y., Yoon, S., Golini. F.: Real-time biomass-concentration monitoring in animal cell cultures. TIBTECH 12 (1994) 324-333. 13) Mandenius, C.F., Eklöv, T., Lundström, I. Sensor fusion with on-line gas emission multisensor arrays and standard process measuring devices in a Baker's yeast manufacturing process. Biotechnol. Bioeng. 55 (1997), 427-438.Food Anal. 3 (l998b) 85-91. 4) Bachinger, Th., Riese, U., Eriksson, R.K., Mandenius, C.F .: Monitoring cellular state transitions in a production-scale CHO-cell process using an electronic nose. To appear in J. Biotechnol. (1999). 5) Eklöv, T., Mårtensson, P., Lundström, I .: Selection of variables for interpreting multivariate gas sensor data. Anal. Chim. Acta 381 (1999) 221-232. 6) Freitag, R., Reif, O.-W., Weidmann, R., Kretzmer, G .: Production of recombinant h-ATIII with animal cell cultures using capillary electrophoresis for product monitoring. Cytotechnol. 21 (1996) 205-215. 7) Gill, A., Bracewell, D.G., Maule, C.H., Lowe, P.A., Hoare, M .: Bioprocess monitoring: An optical biosensor for rapid bioproduct analysis. J. Biotechnol. 65 (1998) 69-80. 8) Göpel, W., Schierbaum, K.D .: Definitions and typical examples. In Göpel, W., Jones, TA, Kleitz, M., Lundström, I. and Seiyama, T. (eds.), Chemical and biochemical sensors, del I, 2, sid 1-28, VCH Verlagsgesellschaft, Weinheim, Germany (1992). 9) Haugen, J.E., Tomic, O., Kvaal, K .: A calibration method for handling the temporal drift of solid state gas sensors. Submitted (1999). 10) Holmberg, M., Davide, FAM, Natale, C.Di., D'Amico, A., Winquist, F., Lundström, I .: Drift counteraction in odor recognition applications: Lifelong 10 15 20 25 30 35 40 ø u - o nu 518174 26 calibration method. Sensors & Actuators B 42 (No. 3) (1997) 185-194. 11) Jackson, J.E .: Principal components and factor analysis: Part 1. Principal Components. J. Qual. Tech. 13 (1) (1981). 12) Konstantinov, K., Chuppa, S., Sajan, E., Tsai, Y., Yoon, S., Golini. F .: Real-time biomass concentration monitoring in animal cell cultures. TIBTECH 12 (1994) 324-333. 13) Mandenius, C.F., Eklöv, T., Lundström, I. Sensor fusion with on-line gas emission multisensor arrays and standard process measuring devices in a Baker's yeast manufacturing process. Biotechnol. Bioeng. 55 (1997), 427-438.
An algorithm for least-squares Indust. 14) Marquardt, D.W.: estimation of non-linear parameters. J. Soc.An algorithm for least-squares Indust. 14) Marquardt, D.W .: estimation of non-linear parameters. J. Soc.
Appl. Math. 2 (No. 2) (1963) 431-441.Appl. Math. 2 (No. 2) (1963) 431-441.
Schulze, B., Freitag, R., Scheper, On-line immunoanalysis 15) Middendorf, C., Th., Howaldt, M., Hoffmann, H.: for bioprocess control. J. Biotechnol. 31 (1993) 395-403. 16) Omstead, D.R., Frame, K.K., Tsao, E.I., Price, G.P., Glass, J.C., Bohn, M.A., McNamee, K.P., Reese, J.A., Munster, M.J., Jain, D.: Monitoring and control of animal cell cultures. IFAC Modelling and Control of Biotechnical Processes, Colorado, USA (1992) pp. 21-27. 17) Rumelhart, D.E., Hinton, G.E., Williams, R.J.: Learning internal representations by error propagation.Schulze, B., Freitag, R., Scheper, On-line immunoanalysis 15) Middendorf, C., Th., Howaldt, M., Hoffmann, H .: for bioprocess control. J. Biotechnol. 31 (1993) 395-403. 16) Omstead, DR, Frame, KK, Tsao, EI, Price, GP, Glass, JC, Bohn, MA, McNamee, KP, Reese, JA, Munster, MJ, Jain, D .: Monitoring and control of animal cell cultures . IFAC Modeling and Control of Biotechnical Processes, Colorado, USA (1992) pp. 21-27. 17) Rumelhart, D.E., Hinton, G.E., Williams, R.J .: Learning internal representations by error propagation.
In: D.E. Rumelhart and J. McClelland (eds), Parallel data processing. M.I.T. Press: Cambridge, MA (1986). 27 TABELLER Tabell 1. Översikt över utförda infektionsstudier Respons O _ P 2 hes elek- sensor- - Odling Infekterande organism respgns åšïglsk [h efter [h efter infektion] infektion] 2 l rFVIII [O,l cfu/ml] Pseudomonas 21 15 CHO aeruginosa 2 l rFVIII [l cfu/ml] Bacillus 10 1 CHO cereus 2 1 [100 cfu/ml] Pseudomonas _ referens- 14 1 aeruginosa medium 2 1 " [O,5 cfu/ml] Pseudomonas referens- 12 5 aeruginosa medium 2 l [4000 cfu/ml] Bacillus referens- _ 7 O subtilis medium 2 1 [20 cfu/ml] Bacillus referens- 13 6 subtilis medium 2 l [O,l cfu/ml] Micrococcus referens- 39 10 luteus medium 5 28 Tabell 2. Kalibreringsvärden för utvalda kemiska sensorer Sensortyp Odling MF1 MF2 MF3 MF8 I 21,84 18,09 47,8 60,11 II 21,77 17,5 47,6 56,89 III 21,71 16,9 47,4 53,68 IV 21,65 16,31 47,2 50,46 V 21,59 15,71 47 47,25 VI 21,53 15,11 46,8 44,03 Total drift 2 % 16 % 2 % 27 5 Trendlinjeanpassade sensorresponser på bioreaktorbakgrund vid uppstartningsbetingelser. Sensorresponserna är angivna i godtyckliga enheter.In: D.E. Rumelhart and J. McClelland (eds), Parallel data processing. M.I.T. Press: Cambridge, MA (1986). 27 TABLES Table 1. Overview of infection studies performed Response O _ P 2 hes elek- sensor- - Cultivation Infectious organism respgns åšïglsk [h after [h after infection] infection] 2 l rFVIII [0, l cfu / ml] Pseudomonas 21 15 CHO aeruginosa 2 l rFVIII [1 cfu / ml] Bacillus 10 1 CHO cereus 2 1 [100 cfu / ml] Pseudomonas _ reference- 14 1 aeruginosa medium 2 1 "[0.5 cfu / ml] Pseudomonas reference- 12 5 aeruginosa medium 2 l [4000 cfu / ml] Bacillus reference- _ 7 O subtilis medium 2 1 [20 cfu / ml] Bacillus reference- 13 6 subtilis medium 2 l [0.1 cfu / ml] Micrococcus reference- 39 10 luteus medium 5 28 Table 2. Calibration values for selected chemical sensors Sensor type Cultivation MF1 MF2 MF3 MF8 I 21.84 18.09 47.8 60.11 II 21.77 17.5 47.6 56.89 III 21.71 16.9 47.4 53 .68 IV 21.65 16.31 47.2 50.46 V 21.59 15.71 47 47.25 VI 21.53 15.11 46.8 44.03 Total operation 2% 16% 2% 27 5 Trendline adapted sensor responses on a bioreactor background under start-up conditions. ether.
Claims (12)
Priority Applications (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
SE9904125A SE518174C2 (en) | 1999-11-16 | 1999-11-16 | Detection method of unwanted microbial infection in animal cell culture |
AU15651/01A AU1565101A (en) | 1999-11-16 | 2000-11-13 | A method for detecting contaminating microorganisms |
PCT/SE2000/002218 WO2001036664A1 (en) | 1999-11-16 | 2000-11-13 | A method for detecting contaminating microorganisms |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
SE9904125A SE518174C2 (en) | 1999-11-16 | 1999-11-16 | Detection method of unwanted microbial infection in animal cell culture |
Publications (3)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
SE9904125D0 SE9904125D0 (en) | 1999-11-16 |
SE9904125L SE9904125L (en) | 2001-05-17 |
SE518174C2 true SE518174C2 (en) | 2002-09-03 |
Family
ID=20417722
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
SE9904125A SE518174C2 (en) | 1999-11-16 | 1999-11-16 | Detection method of unwanted microbial infection in animal cell culture |
Country Status (3)
Country | Link |
---|---|
AU (1) | AU1565101A (en) |
SE (1) | SE518174C2 (en) |
WO (1) | WO2001036664A1 (en) |
Families Citing this family (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US9353405B2 (en) | 2002-03-12 | 2016-05-31 | Enzo Life Sciences, Inc. | Optimized real time nucleic acid detection processes |
US9359629B2 (en) * | 2007-12-27 | 2016-06-07 | Baxalta Incorporated | Cell culture processes |
WO2011000572A1 (en) | 2009-07-02 | 2011-01-06 | Patenthandel Portfoliofonds I Gmbh & Co. Kg | Method and device for detecting long-term biological effects in cells |
GB201020619D0 (en) * | 2010-12-06 | 2011-01-19 | Syngenta Ltd | Pathogen sensor |
CN103695306A (en) * | 2013-12-19 | 2014-04-02 | 兰州大学 | Multi-sample soil respiration determination film |
CN106996965B (en) * | 2017-05-02 | 2023-03-31 | 华中农业大学 | Rice mould online monitoring system, establishing method and application |
WO2019072352A2 (en) * | 2017-10-09 | 2019-04-18 | Lachlak Nassira | Automated system for detecting bacteria implicated in infections or diseases, using a multisensor system incorporating an olfactometry device recognising the released metabolites |
US20200392448A1 (en) * | 2019-06-14 | 2020-12-17 | Ge Healthcare Uk Limited | Monitoring of Cell Expansion |
Family Cites Families (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DD206683A3 (en) * | 1981-07-16 | 1984-02-01 | Werner Schade | METHOD AND DEVICE FOR DETECTING CONTAMINANTS |
JPS60130398A (en) * | 1983-12-16 | 1985-07-11 | Kurita Water Ind Ltd | Detection of microorganism |
ES2294787T3 (en) * | 1995-06-05 | 2008-04-01 | Biomerieux, Inc. | DEVICE AND METHOD FOR DETECTING MICROORGANISMS. |
AU6821996A (en) * | 1995-08-25 | 1997-03-19 | Unipath Limited | Methods and apparatus for detecting microorganisms |
US5814474A (en) * | 1996-07-23 | 1998-09-29 | Becton Dickinson And Company | Direct identification of microorganisms in culture bottles |
-
1999
- 1999-11-16 SE SE9904125A patent/SE518174C2/en not_active IP Right Cessation
-
2000
- 2000-11-13 AU AU15651/01A patent/AU1565101A/en not_active Abandoned
- 2000-11-13 WO PCT/SE2000/002218 patent/WO2001036664A1/en active Application Filing
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
WO2001036664A1 (en) | 2001-05-25 |
AU1565101A (en) | 2001-05-30 |
SE9904125D0 (en) | 1999-11-16 |
SE9904125L (en) | 2001-05-17 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Gardner et al. | The prediction of bacteria type and culture growth phase by an electronic nose with a multi-layer perceptron network | |
McEntegart et al. | Detection and discrimination of coliform bacteria with gas sensor arrays | |
Haugen et al. | Application of gas-sensor array technology for detection and monitoring of growth of spoilage bacteria in milk: A model study | |
Bonah et al. | Application of electronic nose as a non-invasive technique for odor fingerprinting and detection of bacterial foodborne pathogens: A review | |
Peris et al. | On-line monitoring of food fermentation processes using electronic noses and electronic tongues: A review | |
USRE38186E1 (en) | Method and apparatus for detecting microorganisms | |
Gibson et al. | Detection and simultaneous identification of microorganisms from headspace samples using an electronic nose. | |
Ratiu et al. | An optimistic vision of future: diagnosis of bacterial infections by sensing their associated volatile organic compounds | |
Rutolo et al. | The use of an electronic nose to detect early signs of soft-rot infection in potatoes | |
Holmberg et al. | Bacteria classification based on feature extraction from sensor data | |
Pellegrini et al. | Electrochemical sensor for the detection and presumptive identification of quinolone and tetracycline residues in milk | |
Trincavelli et al. | Direct identification of bacteria in blood culture samples using an electronic nose | |
Eriksson et al. | Detection of mastitic milk using a gas-sensor array system (electronic nose) | |
Alves-Rausch et al. | Real time in-line monitoring of large scale Bacillus fermentations with near-infrared spectroscopy | |
SE518174C2 (en) | Detection method of unwanted microbial infection in animal cell culture | |
Namdev et al. | Sniffing out trouble: use of an electronic nose in bioprocesses | |
Bachinger et al. | Gas sensor arrays for early detection of infection in mammalian cell culture | |
Bachinger et al. | Monitoring cellular state transitions in a production-scale CHO-cell process using an electronic nose | |
Nie et al. | Microbial volatile organic compounds as novel indicators of anaerobic digestion instability: potential and challenges | |
Schiffman et al. | Effectiveness of an electronic nose for monitoring bacterial and fungal growth | |
Bachinger et al. | Electronic nose for estimation of product concentration in mammalian cell cultivation | |
AU2002251318B2 (en) | Diagnosis by sensing volatile components | |
Boholt et al. | A new method for measuring emission of odour from a rendering plant using the Danish Odour Sensor System (DOSS) artificial nose | |
KR101479666B1 (en) | Screening method for cattle tuberculosis by using electronic nose | |
Šetkus et al. | Featuring of bacterial contamination of wounds by dynamic response of SnO2 gas sensor array |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
NUG | Patent has lapsed |