Sensori intelligenti per una produzione cellulare sicura

Monitoraggio supportato dall'IA della crescita di aggregati cellulari 3D in bioreattori a sospensione. © Fraunhofer IBMT, Bernd Müller

Bioreattore con sensori integrati per il controllo del processo online e la caratterizzazione ottica degli aggregati cellulari 3D prodotti. © Fraunhofer IBMT / Bioreattore con sensori integrati per il controllo del processo online e la caratterizzazione ottica degli aggregati cellulari 3D prodotti. © Fraunhofer IBMT

Una bobina NFC per MAUS realizzata con una stampante di circuiti 3D. © Fraunhofer IZFP.

Con una piattaforma sensoriale modulare e tecnologia AI, i ricercatori Fraunhofer ottimizzano la produzione di modelli di tessuto 3D. La loro soluzione consente il controllo continuo della qualità nei bioreattori e apre nuove prospettive per l'industria biotecnologica e farmaceutica – non solo in termini di test di efficacia senza animali.

Che si tratti di screening di farmaci o di test di tossicità: modelli di tessuto 3D basati su cellule staminali sono una componente essenziale della ricerca biomedica. Tuttavia, la produzione di aggregati cellulari in bioreattori è altamente complessa e costosa. Finora, la qualità viene verificata solo alla fine del processo – con un alto rischio di perdita di tempo e materiali.

Al Fraunhofer-Zentrum für Sensor-Intelligenz ZSI, i ricercatori degli istituti Fraunhofer per la Tecnologia Biomedica IBMT e per i Metodi di Controllo Non Distruttivi IZFP hanno sviluppato congiuntamente un sistema sensoriale intelligente che monitora e ottimizza continuamente l'intero processo di produzione. L'IBMT Fraunhofer porta la sua esperienza nello sviluppo di tecniche di coltura cellulare ottimizzate e standardizzate e di sistemi modello innovativi per la ricerca sulle cellule staminali. La raccolta e trasmissione futura dei dati sensoriali e le informazioni derivate da essi vengono realizzate attraverso la piattaforma sensoriale multimodale autonoma MAUS dell'IZFP Fraunhofer.

Sensori coordinati, chiara affermazione di qualità

Nell'attuale progetto di ricerca SpheroSense, il team dell'IBMT Fraunhofer ha dotato un bioreattore commerciale per sfere cellulari 3D, cioè modelli cellulari sferici che possono imitare i tessuti, di due livelli di sensori: sensori elettrochimici per monitorare glucosio, lattato, ossigeno disciolto, pH e temperatura, che controllano l'ambiente delle cellule. Le telecamere caratterizzano otticamente gli aggregati cellulari. Analizzano continuamente e in tempo reale le dimensioni, il numero e la qualità delle sfere. In questo modo si ottiene una curva di crescita che permette di dedurre le condizioni ottimali.

Per il controllo di qualità ottico, i ricercatori utilizzano due percorsi di telecamera: una telecamera in situ focalizza i tubi rotanti del reattore e riconosce le sfere in sospensione, un'altra telecamera le cattura quando vengono aspirate attraverso un canale microfluidico. L'intelligenza artificiale integrata riconosce e classifica gli aggregati cellulari in millisecondi. La piattaforma AI MAUS-Edge raccoglie tutti i dati sensoriali, li valuta direttamente sul posto e trasferisce i risultati a un database.

Rischio ridotto, maggiore obiettività

Gli esperti Fraunhofer portano la loro soluzione nel controllo di qualità durante la produzione in corso – in modo oggettivo, automatizzato ed efficiente dal punto di vista dei costi, poiché i mezzi per le cellule staminali sono costosi e la loro coltura richiede molto tempo: «Garantiamo una valutazione oggettiva tramite AI invece di una valutazione soggettiva, il monitoraggio continuo e l'adeguamento prospettico dei parametri di processo e, infine, la compatibilità con la moderna gestione dei processi nel settore farmaceutico e biotecnologico», spiega il responsabile del progetto, Dr. Thomas Velten, dell'IBMT Fraunhofer. «La nostra soluzione si allinea ai concetti moderni come Process Analytical Technology (PAT) e Continuous Process Verification, come richiesto dalla FDA e dall'EMA.» Il sistema lavora senza etichette, cioè senza bisogno di coloranti, mantenendo intatti gli sfere cellulari.

Sovranità sui dati fin dall'inizio

Un ulteriore vantaggio: la soluzione funziona senza connessione cloud, soddisfacendo i più elevati requisiti di sicurezza dei dati. Su richiesta, è possibile una connessione appropriata, ma di default i dati sensibili del processo rimangono presso il committente.

Il sistema può essere adattato a diversi scenari di impiego – dalla ricerca sulle cellule staminali alla produzione cellulare industriale: «La nostra piattaforma MAUS offre prototipazione rapida per qualsiasi applicazione di monitoraggio. Progettata modularmente, può essere adattata in modo flessibile e ampliata rapidamente e senza complicazioni secondo le necessità», spiega Christoph Weingard, sviluppatore di sensori intelligenti e microelettronica presso l'IZFP Fraunhofer. «Per SpheroSense, abbiamo implementato moduli radio con Bluetooth e Near Field Communication, cioè NFC, per leggere i sensori all’interno dei tubi – senza cavi aggiuntivi. Basta applicare un modulo di collegamento appropriato – e il monitoraggio è attivo.»

Il sistema complessivo viene utilizzato con successo presso il Fraunhofer-Zentrum für Sensor-Intelligenz ZSI durante il funzionamento normale – con feedback diretto dai colleghi che producono sfere cellulari 3D e collaborano con loro in progetti successivi.

Presentazione all’Analytica 2026

Gli esperti presenteranno la loro soluzione dal 24 al 27 marzo 2026 all’Analytica di Monaco. Alla fiera leader mondiale per tecnologia di laboratorio, analisi e biotecnologia, i visitatori potranno farsi un’idea dell’intero sistema – inclusi sensori, telecamere e analisi dei dati in tempo reale.