08 Apr. Zellproduktion in Echtzeit überwachen
Fraunhofer-Forschende entwickeln eine modulare Sensorlösung, um die Herstellung von 3-D-Zellmodellen kontinuierlich zu überwachen und auszuwerten. Die Plattform kombiniert elektrochemische Sensorik, optische Erfassung und KI-gestützte Datenanalyse; damit soll eine laufende Qualitätskontrolle direkt im Bioreaktor möglich sein.
Die Produktion von Zellaggregaten für Wirkstofftests und Toxizitätsanalysen gilt als komplex und kostenintensiv. Bisher prüfen Anwender die Qualität meist erst am Prozessende; dies erhöht jedoch das Risiko von Fehlchargen und Materialverlust. Die neue Lösung setzt früher an und begleitet den gesamten Herstellprozess mit kontinuierlicher Datenerfassung.
Sensorik koppelt Prozessdaten und Bildanalyse
Am Fraunhofer-Zentrum für Sensorintelligenz ZSI bündeln das Fraunhofer IBMT und das Fraunhofer IZFP ihre Kompetenzen. Die Forschenden integrieren mehrere Sensorebenen in einen kommerziellen Bioreaktor für 3-D-Zellsphäroide. Elektrochemische Sensoren erfassen Glukose, Laktat, Sauerstoffgehalt, pH-Wert und Temperatur. Parallel analysieren Kameras die Zellaggregate optisch und bestimmen Größe, Zahl sowie morphologische Merkmale in Echtzeit.
Die optische Erfassung nutzt zwei Messpfade. Eine In-situ-Kamera beobachtet die rotierenden Reaktorröhrchen und detektiert frei schwebende Sphäroide; eine zweite erfasst die Zellaggregate in einem Mikrofluidikkanal. Die Auswertung erfolgt mithilfe einer KI, welche die Objekte innerhalb von Millisekunden klassifiziert. Alle Sensordaten laufen in einer Edge-Plattform; damit verbleiben die Daten beim Betreiber.
Die Lösung arbeitet ohne Marker oder Farbstoffe; sämtliche Zellaggregate bleiben während der Analyse unverändert. Die kontinuierliche Auswertung liefert Wachstumskurven und erlaubt Rückschlüsse auf geeignete Prozessparameter. Anwender können so die Prozessbedingungen anpassen, bevor Abweichungen zu Qualitätsverlusten führen.
Nutzt bewährte Ansätze der Pharmaindustrie
Bioreaktor mit integrierter Sensorik zur optischen Charakterisierung und Echtzeitüberwachung von Zellaggregaten. Bild: Fraunhofer IBMT
Die Plattform orientiert sich an Konzepten wie Process Analytical Technology und kontinuierlicher Prozessverifikation, wie sie in der Pharmaindustrie etabliert sind. Sie überträgt diese Ansätze auf die Produktion von 3-D-Gewebemodellen und schafft eine Grundlage für reproduzierbare und automatisierbare Herstellungsverfahren. Die modulare Architektur erlaubt Anpassungen an unterschiedliche Anwendungen, von der akademischen Stammzellforschung bis zur industriellen Zellproduktion. Funkmodule wie Bluetooth oder NFC übernehmen die drahtlose Datenerfassung aus dem Reaktor, sodass zusätzliche Verkabelung entfällt.
In Forschung und Industrie soll kontinuierliche Prozessüberwachung die Datengrundlage für die Entwicklung von Zellmodellen verbessern und das Risiko von Fehlproduktion senken. In der pharmazeutischen Entwicklung unterstützt sie reproduzierbare Testszenarien und soll helfen, Tierversuche zu ersetzen.
ie Kombination aus elektrochemischer Sensorik und optischer Analyse liefert komplementäre Informationen über den Zellkulturprozess. Während die chemischen Sensoren den Stoffwechsel der Zellen abbilden, beschreibt die Bildanalyse Struktur und Wachstum der Zellaggregate. Erst die Verknüpfung beider Datenquellen erlaubt eine konsistente Bewertung des Prozesszustands.
Mittels 3-D-Leiterplattendrucker gefertigte NFC-Spule . Bild: Fraunhofer IZFP
Die lokale Datenverarbeitung auf Edge-Ebene reduziert Latenzen und ermöglicht unmittelbare Reaktionen auf Prozessänderungen. Das ist besonders relevant in Bioreaktoren mit dynamischen Bedingungen, in denen sich Zellpopulationen schnell verändern können. Gleichzeitig erfüllt die lokale Architektur Anforderungen an Datensicherheit, die in regulierten Umgebungen eine zentrale Rolle spielen.
Die eingesetzte KI dient nicht nur der Klassifikation, sondern auch der Mustererkennung in Zeitreihen. Damit lassen sich Trends im Zellwachstum früh identifizieren. Perspektivisch können solche Ansätze die Grundlage für adaptive Regelstrategien bilden, bei denen Prozessparameter automatisiert nachgeführt werden.
Quelle: www.ibmt.fraunhofer.de
Bild: Fraunhofer IBMT, Bernd Müller