Chytrá senzorika pro bezpečnou výrobu buněk

AI-podporované sledování růstu 3D buněčných agregátů v suspensních bioreaktorech. © Fraunhofer IBMT, Bernd Müller

Bioreaktor s integrovanými senzory pro online řízení procesu a optickou charakterizaci vyráběných 3D buněčných agregátů. © Fraunhofer IBMT / Bioreaktor s integrovanými senzory pro online řízení procesu a optickou charakterizaci vyráběných 3D buněčných agregátů. © Fraunhofer IBMT

NFC cívka pro MAUS vyrobená pomocí 3D tiskárny obvodových desek. © Fraunhofer IZFP.

S modulární senzorovou platformou a technologií AI optimalizují výzkumníci z Fraunhofer výrobu 3D modelů tkání. Jejich řešení umožňuje kontinuální kontrolu kvality v bioreaktorech a otevírá nové perspektivy pro biotechnologický a farmaceutický průmysl – nejen z hlediska testování účinnosti bez použití zvířat.

Ať už jde o screening účinných látek nebo testování toxicity: založené na kmenových buňkách 3D modely tkání jsou zásadní součástí biomedicínského výzkumu. Nicméně výroba buněčných agregátů v bioreaktorech je vysoce složitá a nákladná. Dosud je kvalita kontrolována až na konci procesu – s vysokým rizikem z hlediska ztráty času a materiálu.

Ve Fraunhoferově centru pro senzorovou inteligenci ZSI vyvinuli výzkumníci z institutů Fraunhofer IBMT a IZFP společně inteligentní senzorový systém, který monitoruje a optimalizuje celý výrobní proces nepřetržitě. Fraunhofer IBMT přináší své odborné znalosti v oblasti vývoje optimalizovaných, standardizovaných technik kultivace buněk a inovativních modelových systémů pro výzkum kmenových buněk. Přelomové shromažďování a přenos senzorových dat a z nich odvozených informací je realizováno multimodální autonomní senzorovou platformou MAUS od Fraunhofer IZFP.

Optimalizovaná senzoringová technologie, jasné hodnocení kvality

V aktuálním výzkumném projektu SpheroSense vybavili tým Fraunhofer IBMT komerční bioreaktor pro 3D sférické buňky, tedy kulovité modely buněk, které mohou napodobovat tkáně, dvěma úrovněmi senzorů: elektrochemické senzory monitorují prostředí kolem buněk – glukózu, laktát, rozpuštěný kyslík, pH a teplotu. Kamery opticky charakterizují buněčné agregáty. Nepřetržitě a v reálném čase analyzují velikost, počet a kvalitu sfér. Vzniká tak růstová křivka, která umožňuje odhadnout optimální podmínky.

Pro optickou kontrolu kvality spoléhají vědci na dvě cesty kamer: jedna in-situ kamera zaostřuje na rotující trubky reaktoru a rozpoznává sférické buňky v suspensi, druhá kamera je zachycuje při jejich sání skrze mikrofluidní kanál. Zabudovaná AI rozpozná a klasifikuje buněčné agregáty během milisekund. Platforma MAUS-Edge AI shromažďuje všechna senzorová data, vyhodnocuje je přímo na místě a předává výsledky do databáze.

Menší riziko, větší objektivita

Odborníci z Fraunhoferu přinášejí své řešení, které zavádí kontrolu kvality do probíhající výroby – objektivně, automatizovaně a nákladově efektivně, protože samotné média pro kultivaci kmenových buněk jsou drahá a jejich pěstování časově náročné: „Zajišťujeme objektivní hodnocení pomocí AI namísto subjektivního odhadu, průběžné sledování a předvídatelné úpravy parametrů procesu a v neposlední řadě kompatibilitu s moderním řízením procesů v sektorech farmacie a biotechnologie,“ vysvětluje vedoucí projektu Dr. Thomas Velten z Fraunhofer IBMT. „Naše řešení odpovídá moderním konceptům jako Process Analytical Technology (PAT) a Continuous Process Verification, jak je požadují FDA a EMA.“ Systém pracuje bez značení, což znamená, že nejsou potřeba žádné barviva, sférické buňky zůstávají nedotčené.

Datová suverenita od začátku

Další výhodou je, že řešení funguje bez připojení do cloudu, čímž splňuje nejvyšší požadavky na bezpečnost dat. Na přání je možné jej připojit k síti, standardně však zůstávají citlivá procesní data u zadavatele.

Systém lze přizpůsobit různým scénářům použití – od výzkumu kmenových buněk po průmyslovou výrobu buněk: „Naše platforma MAUS nabízí rychlý prototypování pro jakékoli monitorovací aplikace. Modularita umožňuje flexibilní adaptaci a rychlé, jednoduché rozšíření podle potřeby,“ vysvětluje Christoph Weingard, vývojář senzorové inteligence a mikroelektroniky v Fraunhofer IZFP. „Pro SpheroSense jsme například implementovali bezdrátové moduly s Bluetooth a Near Field Communication, tedy NFC, pro čtení senzorů uvnitř trubek – bez dalších kabelů. Stačí nasadit příslušný zásuvný modul – a monitorování běží.“

Celý systém je úspěšně používán v provozu ve Fraunhoferově centru pro senzorovou inteligenci ZSI – s přímou zpětnou vazbou od kolegů, kteří vyrábějí 3D sférické buňky a spolupracují s nimi na dalších projektech.

Představení na analytické konferenci 2026

Odborníci představí své řešení od 24. do 27. března 2026 na konferenci Analytica v Mnichově. Na světové výstavě pro laboratorní techniku, analytiku a biotechnologii si návštěvníci mohou prohlédnout celý systém – včetně senzorů, kamer a analýzy dat v reálném čase.