Intelligens érzékelés a biztonságos cellagyártáshoz

AI-vezérelt felügyelet a 3D-sejtaggregátumok növekedésének nyomon követésében szuszpenzió alapú bioreaktorokban. © Fraunhofer IBMT, Bernd Müller / AI által támogatott nyomon követés a 3D-sejtaggregátumok növekedésében szuszpenzió alapú bioreaktorokban. © Fraunhofer IBMT, Bernd Müller

Bioreaktor integrierten Sensorokkal az online folyamatirányításhoz és a gyártott 3D-sejtcsoportok optikai jellemzéséhez. © Fraunhofer IBMT / Bioreaktor integrált szenzorokkal az online folyamatirányításhoz és a gyártott 3D-sejtcsoportok optikai jellemzéséhez. © Fraunhofer IBMT

Egy NFC tekercs MAUS-hoz, amelyet egy 3D-s áramlábnyomtatóval gyártottak. © Fraunhofer IZFP.

Moduláris érzékelőplatformmal és MI-technológiával a Fraunhofer kutatói optimalizálják a 3D szövetmodellek gyártását. Megoldásuk lehetővé teszi az állandó minőségellenőrzést bioreaktorokban, és új perspektívákat nyit a biotechnológiai és gyógyszeripar számára – nemcsak a kísérleti állatok nélküli hatóanyag-tesztek terén.

Legyen szó hatóanyag-szűrésről vagy toxicitásvizsgálatról: a 3D szövetmodellek, amelyek őssejteken alapulnak, alapvető részei a biomedicinális kutatásnak. Azonban a sejtagglomerátumok gyártása bioreaktorokban rendkívül összetett és költséges. Eddig a minőséget csak a folyamat végén ellenőrizték – magas kockázattal idő- és anyagveszteség szempontjából.

A Fraunhofer IBMT Sensor-Intelligenz központjában a Fraunhofer IBMT és a ZFPI kutatóintézetek közösen fejlesztettek ki egy intelligens érzékelőrendszert, amely folyamatosan figyeli és optimalizálja a teljes gyártási folyamatot. A Fraunhofer IBMT szakértelmét a standardizált sejtkultúra-technológiák és az őssejtkutatás innovatív modellrendszerei fejlesztése terén hozza be. A jövőorientált szenzordata gyűjtés és továbbítás, valamint az ezekből származó információk a Fraunhofer IZFP multimodális autonóm érzékelőplatformja, a MAUS, révén valósul meg.

Egyeztetett érzékelés, egyértelmű minőségnyilatkozat

A jelenlegi kutatási projektben, a SpheroSense-ben, a IBMT csapata egy kereskedelmi bioreaktort szerelt fel 3D sejtszférákkal, vagyis gömb alakú sejtreprodukciós modellekkel, amelyek képesek szöveteket imitálni. Két érzékelő szintet alkalmaznak: az elektromos érzékelők a glükóz, laktát, oldott oxigén, pH-érték és hőmérséklet monitorozására szolgálnak a sejtek környezetében. Kamerák optikailag jellemzik a sejtagglomerátumokat. Folyamatosan és valós idejű elemzéssel mérik a méretüket, számukat és minőségüket a szféra. Így kialakul egy növekedési görbe, amely visszacsatolást ad az optimális körülményekről.

A vizuális minőségellenőrzéshez a kutatók két kamerafolyamatot alkalmaznak: az egyik in-situ kamera fókuszál a reaktor forgó csöveire, és felismeri a lebegő szférákat, a másik kamera pedig a mikrofluidikus csatornán keresztül szívja ki őket. A beépített MI felismeri és osztályozza a sejtagglomerátumokat millimásodpercek alatt. A MAUS-Edge MI-platform összegyűjti az összes érzékelő adatot, helyben értékeli azokat, és az eredményeket adatbázisba továbbítja.

Kevesebb kockázat, nagyobb objektivitás

A Fraunhofer szakemberei megoldásukkal a minőségellenőrzést a folyamatban lévő gyártásba integrálják – objektíven, automatizáltan és költséghatékonyan, mivel az őssejtekhez szükséges médiumok drágák, és a kultiválásuk időigényes: »Az MI által biztosított objektív értékelést garantáljuk, szemben a szubjektív értékeléssel, a folyamatos megfigyeléssel és a folyamatparaméterek jövőbeli beállításával, valamint a modern gyógyszerészeti és biotechnológiai folyamatirányításhoz való alkalmazkodással«, magyarázza a projektvezető, Dr. Thomas Velten, a IBMT-től. »Megoldásunk megfelel a modern koncepcióknak, mint például a Process Analytical Technology (PAT) és a Continuous Process Verification, amelyeket az FDA és az EMA is elvár.« Az rendszer címke nélküli működést biztosít, azaz nincs szükség festékre, a szféra sértetlen marad.

Adatszabadság a kezdetektől

Egy további előny: a megoldás nem igényel felhőalapú csatlakozást, így megfelel a legmagasabb adatbiztonsági követelményeknek. Szükség esetén a csatlakozás lehetősége biztosított, de alapértelmezés szerint az érzékeny folyamatadatok a megrendelőnél maradnak.

A rendszer különböző alkalmazási területekre szabható – a őssejtkutatástól az ipari sejtkultúráig: »A MAUS platformunk gyors prototípus-fejlesztést kínál minden monitorozási alkalmazáshoz. Moduláris kialakításának köszönhetően rugalmasan adaptálható, és igény szerint gyorsan és egyszerűen bővíthető«, magyarázza Christoph Weingard, az érzékelő- és mikroelektronikai fejlesztő a IZFP-től. »A SpheroSense esetében például Bluetooth és Near Field Communication (NFC) modulokat valósítottunk meg, hogy a szenzorokat a csövekben olvashassuk – extra kábelek nélkül. Egyszerűen felhelyezünk egy megfelelő csatlakozómodult – és a megfigyelés működik.«

A teljes rendszer sikeresen működik a Fraunhofer Sensor-Intelligenz központjában ZSI a mindennapi működés során – közvetlen visszacsatolással a kollégáktól, akik 3D sejtszférákat állítanak elő, és további projektekben is velük dolgoznak.

Bemutató az Analytica 2026-on

A szakemberek 2026. március 24–27. között mutatják be megoldásukat Münchenben az Analytica kiállításon. A laboratóriumi technológia, analitika és biotechnológia világkiállításán a látogatók megismerhetik az egész rendszert – beleértve az érzékelőket, kamerákat és a valós idejű adatfeldolgozást.