분광기를 이용한 ATMP 생산 공정 오염 검출

소개

ATMP(Advanced Therapy Medicinal Products)는 최근 더 이상 치료 옵션이 없는 환자에게 새로운 치료 솔루션을 제공하기 위해 등장했습니다. 일부의 경우, 이는 유전자 변형이나 조직 및 세포 공학에서 파생된 "약물" 세포를 사용하는 것을 기반으로 합니다. 이러한 "살아있는" 약물은 세포가 새로운 생리적 기능, 생물학적 특성 또는 재구성 특성을 획득할 수 있도록 하는 상당한 조작을 거칩니다. 새로운 생물학적 약물의 개발은 조직 재생을 위한 줄기 세포, 암 면역 요법을 위한 림프구 또는 항염증 목적을 위한 사멸 세포 사용과 같은 신체의 자연적 과정에서 영감을 받습니다.

그러나 이러한 약물의 제조에는 세포 분류, 증폭, 유전자 전달, 증폭-분할, 활성화의 복잡한 기술을 구현해야 하며, 이는 생산의 여러 단계와 무균 청정실 유형의 환경에서 이루어져야 합니다. 산업 제품의 경우 생산 비용이 많이 들며, 주로 필요한 복잡한 인프라, 생산 단계를 완료하는 데 필요한 시간 및 복잡한 품질 관리 프로세스 때문입니다.

방법

ATMP 제조 확장 단계에서 가장 큰 우려 사항은 전체 생산 공정을 손상시킬 수 있는 오염 위험입니다. 광학 분광법은 세포 성장을 모니터링할 뿐만 아니라 생물 반응기에서 박테리아와 같은 오염 물질의 존재를 감지하여 이 문제를 해결합니다.

이 연구는 대표적 오염 물질인 대장균(E. coli)을 감지하는 데 중점을 두었습니다. 이 시스템은 림프구와 대장균의 스펙트럼 시그니처를 구별하는 능력이 이 작업에 매우 중요했습니다. 알려진 농도의 대장균을 림프구 배양액에 첨가하여 오염을 시뮬레이션하고 결과 스펙트럼을 분석했습니다.

대장균과 같은 오염 물질의 존재는 배양 환경의 흡수 스펙트럼을 변경합니다. 구체적으로 스펙트럼의 모양이 변하여 림프구와 비교했을 때 오염 물질의 광학적 특성이 다르다는 것을 반영합니다. 기록된 스펙트럼의 모양을 지속적으로 분석함으로써 예상 림프구 전용 스펙트럼과의 편차를 감지할 수 있습니다.

Figure 1: 흡수 스펙트럼의 예. (a) 림프구, (b) 대장균.

이 연구에서는 이 시스템이 2.5 × 107 cells/mL의 박테리아 농도 임계값으로 대장균 오염을 감지할 수 있다는 것을 발견했습니다. 이 임계값은 스펙트럼 측정의 R2 값의 감소를 기반으로 결정되었습니다. R2 값이 사전 결정된 임계값(0.988) 아래로 떨어지면 시스템은 세균 오염 가능성을 경고합니다.

Figure 2: 대장균의 농도에 따른 R2 계수의 진화. 다양한 림프구 농도에 대한 범례는 세포/mL 단위의 림프구 농도에 해당합니다.

오염 탐지의 민감도를 높이기 위해 통계 기법을 사용하여 복잡한 데이터를 데이터 세트 내에서 가장 중요한 변화를 포착하는 구성 요소로 변환했습니다. 이 방법은 기록된 스펙트럼에 적용되어 순수 림프구 배양과 오염된 샘플을 구별할 수 있었습니다.

분석 결과는 순수 림프구와 E. coli 오염 세포의 스펙트럼 데이터를 명확하게 구분했습니다. 식별된 처음 두 구성 요소는 두 가지 상태를 구별하기에 충분했습니다. 오염이 발생했을 때 오염된 샘플에 해당하는 데이터 포인트는 순수 림프구 샘플의 데이터 포인트에서 명확하게  구분되었습니다.

Figure 3: 파란색 원: 림프구, 녹색 십자가: 대장균, 빨간색 사각형: 오염된 배양물, 검은색 선: 순수 배양물과 오염된 배양물 구분.

빌드 시스템

INTINS는 이 애플리케이션을 위한 완전한 시스템을 제공할 수 있습니다. Ocean Optics(Ocean Insight)의 분광기인 QE Pro는 낮은 스트레이 라이트 성능을 갖춘 고감도 분광기입니다. 이 소형 풋프린트 기기는 200-950nm의 UV-VIS 시그니처 데이터와 5µm~200µm 폭의 입구 슬릿 옵션을 제공합니다. QE PRO 분광기는 소형이고 다재다능하며 Ocean Insight 광원 및 액세서리와 호환됩니다.

DH-2000 시리즈는 세계 유일의 균형 잡힌 중수소 할로겐 소스입니다. 혁신적인 필터링 기술을 사용하여 전체 범위에 걸쳐 매끄러운 스펙트럼을 생성하고 215~2500nm에서 균형 잡힌 출력을 제공하며 포화와 관련된 문제를 제거합니다. 이 동일한 기술은 가시광선 영역에서 알파-중수소 선을 제거합니다. 중수소와 할로겐 램프를 조합하여 사용하는 DH-2000은 유연하고 다양한 스펙트럼 영역에서 여러 가지 특징이 있는 샘플을 측정하거나 다양한 샘플을 분석하는 데 이상적입니다. 

1cm 경로 길이의 큐벳용 큐벳 홀더는 SMA 로 끝나는 광섬유를 통해 분광기와 광원에 연결되어 흡광도 실험을 위한 소형 면적 분광 시스템을 만듭니다. 큐벳 홀더는 주변광을 제거하기 위한 완전 통합 커버가 있으며, 큐벳 홀더에 들어오는 조명광 및/또는 큐벳 홀더에서 나가는 감지된 빛을 필터링할 수 있는 2개의 필터 슬롯이 있습니다. 이 장치는 사용자 조정 없이 1cm 정사각형 큐벳을 단단히 고정하도록 설계되어 높은 데이터 반복성을 제공합니다.

결론

생산 공정 초기에 오염을 감지하는 능력은 ATMP 제조에 상당한 영향을 미칩니다. 오염은 비용이 많이 드는 생산 중단, 귀중한 제품의 손실, 환자에게 치료제를 제공하는 데 지연을 초래할 수 있습니다. 광학 분광법은 오염을 감지하는 안정적이고 효율적인 수단을 제공하여 생산 배치당 수만 달러를 절약할 수 있습니다.

또한 이 기술을 기존 생물 반응기 시스템에 통합함으로써 제조업체는 전반적인 품질 관리 프로세스를 개선하여 오염되지 않은 고품질 제품만 환자에게 도달하도록 할 수 있습니다. 이를 통해 ATMP의 전체 비용이 감소하여 더 많은 환자들이 이러한 치료법에 접근할 수 있도록 할 수 있습니다.