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T1 - Multimodale Spektroskopie zur Überwachung von CHO-Zellkultivierungen

AU - Claßen, Jens Lukas

PY - 2019

Y1 - 2019

N2 - Biopharmazeutika haben heutzutage ein breites Anwendungsgebiet in der medizinischen Versorgung. Zur biotechnologischen Produktion dieser therapeutischen Proteine werden vor allem gentechnisch modifizierte Säugetierzellen eingesetzt. Säugetierzellen sind hoch empfindliche biologische Systeme, die sich nur bei idealen Umgebungsbedingungen vermehren und ein Produkt bilden. Um die richtigen Bedingungen während der Kultivierung von Zellen stets zu erfüllen, hat die Bioprozessüberwachung eine entscheidende Bedeutung. Dabei besteht die besondere Herausforderung, viele Größen, bei oft niedrigen Konzentrationen, über einen langen Zeitraum zu überwachen. Eine gute Möglichkeit zur Überwachung solcher Größen stellt die Spektroskopie dar. Diese Arbeit beschreibt die Evaluierung der 2D-Fluoreszenz-, der UV/VIS-, und der Raman-Spektroskopie zur Überwachung von Säugetierzellkultivierungen. Im ersten Teil der Arbeit wurde untersucht welche im Bioprozess relevanten Analyten nebeneinander in komplexen Lösungen mit den verschiedenen spektroskopischen Methoden detektiert werden können. Es konnte gezeigt werden, dass mit Hilfe der spektroskopischen Methoden unterschiedliche Analyten simultan nebeneinander detektiert werden können. Außerdem wurde im Rahmen dieser Arbeit ein SIP- (engl. Sterilization-in-Place) Bypass-System entwickelt, welches die Adaption spektroskopischer Sensoren an unterschiedliche Reaktorsysteme ermöglicht, ohne die Sterilität zu gefährden. Die sterile Adaption der Sensoren konnte an die sonst nicht zugänglichen Glasbioreaktoren mit dem SIP-Bypass-System ermöglicht werden. Im Hauptteil der Arbeit wurden die spektroskopischen Methoden zur Echtzeitüberwachung von CHO-Zellkultivierungen evaluiert. Mit Hilfe der multivariaten Datenanalyse wurden Kalibrationsmodelle für verschiedene Analyten erstellt. Die Modelle wurden zur Vorhersage von Analyten in weiteren Kultivierungen eingesetzt. Die Ergebnisse zeigen, dass unter anderem schwer zugängliche Größen, wie die metabolische Aktivität und die Viabilität der Zellen, durch die Spektroskopie überwacht werden können. Zudem konnte gezeigt werden, dass anhand der Spektraldaten Prozessabweichungen frühzeitig über Prozesstrajektorien erkannt werden können.

AB - Biopharmazeutika haben heutzutage ein breites Anwendungsgebiet in der medizinischen Versorgung. Zur biotechnologischen Produktion dieser therapeutischen Proteine werden vor allem gentechnisch modifizierte Säugetierzellen eingesetzt. Säugetierzellen sind hoch empfindliche biologische Systeme, die sich nur bei idealen Umgebungsbedingungen vermehren und ein Produkt bilden. Um die richtigen Bedingungen während der Kultivierung von Zellen stets zu erfüllen, hat die Bioprozessüberwachung eine entscheidende Bedeutung. Dabei besteht die besondere Herausforderung, viele Größen, bei oft niedrigen Konzentrationen, über einen langen Zeitraum zu überwachen. Eine gute Möglichkeit zur Überwachung solcher Größen stellt die Spektroskopie dar. Diese Arbeit beschreibt die Evaluierung der 2D-Fluoreszenz-, der UV/VIS-, und der Raman-Spektroskopie zur Überwachung von Säugetierzellkultivierungen. Im ersten Teil der Arbeit wurde untersucht welche im Bioprozess relevanten Analyten nebeneinander in komplexen Lösungen mit den verschiedenen spektroskopischen Methoden detektiert werden können. Es konnte gezeigt werden, dass mit Hilfe der spektroskopischen Methoden unterschiedliche Analyten simultan nebeneinander detektiert werden können. Außerdem wurde im Rahmen dieser Arbeit ein SIP- (engl. Sterilization-in-Place) Bypass-System entwickelt, welches die Adaption spektroskopischer Sensoren an unterschiedliche Reaktorsysteme ermöglicht, ohne die Sterilität zu gefährden. Die sterile Adaption der Sensoren konnte an die sonst nicht zugänglichen Glasbioreaktoren mit dem SIP-Bypass-System ermöglicht werden. Im Hauptteil der Arbeit wurden die spektroskopischen Methoden zur Echtzeitüberwachung von CHO-Zellkultivierungen evaluiert. Mit Hilfe der multivariaten Datenanalyse wurden Kalibrationsmodelle für verschiedene Analyten erstellt. Die Modelle wurden zur Vorhersage von Analyten in weiteren Kultivierungen eingesetzt. Die Ergebnisse zeigen, dass unter anderem schwer zugängliche Größen, wie die metabolische Aktivität und die Viabilität der Zellen, durch die Spektroskopie überwacht werden können. Zudem konnte gezeigt werden, dass anhand der Spektraldaten Prozessabweichungen frühzeitig über Prozesstrajektorien erkannt werden können.

U2 - 10.15488/5238

DO - 10.15488/5238

M3 - Dissertation

CY - Hannover

ER -