Inteligentna sensorystyka dla bezpiecznej produkcji komórek

AI-gestützte Überwachung des Wachstums von 3D-Zellaggregaten in suspensionsbasierten Bioreaktoren. © Fraunhofer IBMT, Bernd Müller / AI-supported monitoring of 3D cell aggregate growth in suspension-based bioreactors. © Fraunhofer IBMT, Bernd Müller

Bioreaktor mit integrierten Sensoren für die Online-Prozesskontrolle und die optische Charakterisierung der produzierten 3D-Zellaggregate. © Fraunhofer IBMT / Bioreaktor mit integrierten Sensoren für die Online-Prozesskontrolle und die optische Charakterisierung der produzierten 3D-Zellaggregate. © Fraunhofer IBMT

Zwojnóg NFC do MAUS wyprodukowany za pomocą drukarki 3D do obwodów drukowanych. © Fraunhofer IZFP.

Za pomocą modułowej platformy sensorowej i technologii AI, naukowcy z Fraunhofer optymalizują produkcję modeli 3D tkanek. Ich rozwiązanie umożliwia ciągłą kontrolę jakości w bioreaktorach i otwiera nowe perspektywy dla przemysłu biotechnologicznego i farmaceutycznego – nie tylko w zakresie testów leków bez użycia zwierząt.

Bez względu na to, czy chodzi o screening leków, czy badania toksyczności: oparty na komórkach macierzystych modele 3D tkanek są kluczowym elementem badań biomedycznych. Jednak produkcja agregatów komórkowych w bioreaktorach jest wysoce skomplikowana i kosztowna. Dotychczas jakość była sprawdzana dopiero na końcu procesu – z dużym ryzykiem utraty czasu i materiału.

W Centrum Sensorowej Inteligencji Fraunhofer ZSI naukowcy z instytutów Fraunhofer IBMT i IZFP opracowali wspólnie inteligentny system sensorowy, który monitoruje i optymalizuje cały proces produkcji w sposób ciągły. Fraunhofer IBMT wnosi swoją wiedzę w zakresie rozwoju zoptymalizowanych, standaryzowanych technik hodowli komórek i innowacyjnych systemów modelowych dla badań nad komórkami macierzystymi. Przełomowe zbieranie i przesyłanie danych sensorycznych oraz wyprowadzonych z nich informacji jest realizowane przez multimodalną autonomiczną platformę sensorową MAUS od Fraunhofer IZFP.

Dopasowana sensorystyka, jasne określenie jakości

W ramach obecnego projektu badawczego SpheroSense zespół z IBMT wyposażył komercyjny bioreaktor do 3D-sferoidów komórkowych, czyli kulistych modeli komórek, które mogą naśladować tkanki, w dwie warstwy sensorów: elektrochemiczne sensory do monitorowania glukozy, mleczanu, rozpuszczonego tlenu, pH i temperatury otoczenia komórek. Kamery charakteryzują optycznie agregaty komórkowe. Analizują one w sposób ciągły i w czasie rzeczywistym rozmiar, ilość i jakość sferoidów. Powstaje w ten sposób krzywa wzrostu, która pozwala wyciągać wnioski na temat optymalnych warunków.

Do optycznej kontroli jakości naukowcy korzystają z dwóch ścieżek kamer: jedna kamera in-situ skupia się na obracających się rurkach reaktora i rozpoznaje sferoidy w zawiesinie, druga rejestruje je, gdy są zasysane przez mikrofluidyczny kanał. Wbudowana sztuczna inteligencja rozpoznaje i klasyfikuje agregaty komórkowe w ciągu milisekund. Platforma MAUS-Edge-KI łączy wszystkie dane sensoryczne, analizuje je bezpośrednio na miejscu i przekazuje wyniki do bazy danych.

Mniej ryzyka, więcej obiektywizmu

Eksperci z Fraunhofer wprowadzają swoje rozwiązanie do bieżącej produkcji – obiektywnie, automatycznie i efektywnie kosztowo, ponieważ same media dla komórek macierzystych są drogie, a ich hodowla czasochłonna: „Zapewniamy obiektywną ocenę za pomocą AI zamiast subiektywnej oceny, ciągłe monitorowanie i perspektywiczne dostosowywanie parametrów procesu, a także zgodność z nowoczesnymi metodami zarządzania procesami w sektorze farmaceutycznym i biotechnologicznym”, wyjaśnia kierownik projektu Dr Thomas Velten z IBMT. „Nasze rozwiązanie odpowiada nowoczesnym koncepcjom, takim jak Process Analytical Technology (PAT) i Continuous Process Verification, które są wymagań FDA i EMA.” System pracuje bez konieczności stosowania barwników, czyli jest bezlabelowy, a sferoidy pozostają nienaruszone.

Suwerenność danych od początku

Dodatkową zaletą jest to, że rozwiązanie działa bez połączenia z chmurą, spełniając najwyższe wymagania dotyczące bezpieczeństwa danych. Na życzenie możliwe jest odpowiednie podłączenie, jednak standardowo wrażliwe dane procesowe pozostają u zamawiającego.

System można dostosować do różnych scenariuszy zastosowań – od badań nad komórkami macierzystymi po przemysłową produkcję komórek: „Nasza platforma MAUS oferuje szybkie prototypowanie dla wszelkich zastosowań monitorujących. Modułowa konstrukcja pozwala na elastyczną adaptację i szybkie, bezproblemowe rozszerzanie w zależności od potrzeb”, wyjaśnia Christoph Weingard, inżynier ds. sensorów i mikroelektroniki w Fraunhofer IZFP. „Dla SpheroSense wdrożyliśmy na przykład moduły radiowe Bluetooth i Near Field Communication, czyli NFC, aby odczytywać sensory wewnątrz rurek – bez dodatkowych kabli. Wystarczy nałożyć odpowiedni moduł wtykowy – i monitorowanie działa.”

Cały system jest z powodzeniem wykorzystywany w Centrum Sensorowej Inteligencji ZSI w ramach bieżącej działalności – z bezpośrednią informacją zwrotną od koleżanek i kolegów, którzy produkują 3D-sferoidy i współpracują z nimi w dalszych projektach.

Prezentacja na Analytica 2026

Eksperci zaprezentują swoje rozwiązanie w dniach od 24 do 27 marca 2026 na targach Analytica w Monachium. Na światowym kongresie dla techniki laboratoryjnej, analityki i biotechnologii odwiedzający będą mogli zobaczyć cały system – w tym sensory, kamery i analizę danych w czasie rzeczywistym.