基于GC-IMS的VOC分析技术：细胞与组织培养中微生物污染的快速早期检测新策略

本研究针对细胞培养中微生物污染检测耗时且灵敏度有限的问题，开展了基于气相色谱-离子迁移谱（GC-IMS）的挥发性有机化合物（VOC）分析技术研究。结果表明，GC-IMS能够在接种后2-24小时内检测低至10 CFU的细菌、霉菌和支原体污染，灵敏度高且分析速度快（20分钟/样本）。该技术为生物制造领域提供了快速、高效的污染监测新方案，对保障产品质量和患者安全具有重要意义。

　　

在生物医学研究和生物制造行业中，微生物污染犹如一颗定时炸弹。细菌、霉菌，尤其是难以察觉的支原体，一旦侵入细胞或组织培养体系，便可能迅速增殖，导致整批产品报废，造成巨大的时间和经济损失。随着细胞治疗和组织工程产品的规模化生产需求日益增长，每一批被污染的制品都意味着更高昂的代价。传统的污染检测方法，如平板培养、PCR或ELISA，往往需要数天时间才能得出结果，这种延迟使得生产流程极易受到污染扩散的威胁，无法实现早期预警。

为了解决这一行业痛点，研究人员将目光投向了自然界中无处不在的“化学指纹”——挥发性有机化合物（VOC）。每一种生命体都会释放出独特且复杂的VOC谱图。以往，分析这些VOC通常依赖于气相色谱-质谱联用（GC-MS）技术，但该技术设备庞大、操作复杂、耗时较长，难以满足高通量、快速检测的需求。那么，是否存在一种更灵敏、更快速、更便捷的替代方案呢？

发表在《SLAS Discovery》上的这项研究给出了肯定的答案。研究团队创新性地应用了气相色谱-离子迁移谱（GC-IMS）技术，旨在实现对细胞和组织培养物中细菌、霉菌和支原体污染的快速、早期检测。他们假设，即使是在微生物污染的极早期阶段，其代谢活动所释放的VOC特征也会发生改变，而GC-IMS足以捕捉到这些细微的变化。

为了验证这一设想，研究人员开展了一系列严谨的实验。本研究主要采用了气相色谱-离子迁移谱（GC-IMS）作为核心检测技术，并与传统的气相色谱-质谱联用（GC-MS）进行对比验证。实验样本包括人工接种了标准微生物（如金黄色葡萄球菌、铜绿假单胞菌、枯草芽孢杆菌、白色念珠菌、巴西曲霉和精氨酸支原体）的人骨髓间充质干细胞（MSC）培养物以及组织工程骨构建体（包括含细胞与不含细胞的骨移植体）。通过采集培养物顶空部位的气体样本，利用GC-IMS进行分析，并通过主成分分析（PCA）和偏最小二乘判别分析（PLS-DA）等多元统计方法对产生的VOC指纹图谱数据进行处理，以区分污染与未污染的样本。

3.1. GC-IMS是一种检测细胞和组织培养物中细菌和真菌污染的有效方法

研究人员将未受污染的MSC与分别接种了大约10 CFU的枯草芽孢杆菌、铜绿假单胞菌或金黄色葡萄球菌的培养瓶进行比较。在接种后2小时和4小时采集顶空气体样本。PCA图显示，在接种后仅2小时，受污染与未受污染的培养物之间就存在明显差异，这表明GC-IMS的检测灵敏度可达每4毫升培养基10 CFU。在另一项针对白色念珠菌和巴西曲霉的实验中，即使在接种后6小时和24小时，GC-IMS也能有效区分污染样本。值得注意的是，在这些早期时间点，污染物无法通过肉眼观察发现，但GC-IMS凭借其高灵敏度成功实现了早期鉴别。

3.2. GC-IMS可以检测细胞培养物中的支原体污染

支原体污染因其难以检测而臭名昭著。本研究中使用精氨酸支原体感染MSC培养物，培养24小时后进行顶空取样和GC-IMS分析。PCA结果清晰地展示了接种支原体与未接种样本之间的聚类差异。同时，通过实时PCR对培养基样本进行验证，确认了污染组中支原体的存在以及对照组的清洁。这表明GC-IMS在24小时内能够有效检测出支原体污染，为这一棘手问题的快速诊断提供了新可能。

3.3. GC-IMS可以检测组织工程骨移植体中的污染物

为了评估VOC检测技术在再生医学应用中的实用性，研究团队在 fabricated bone grafts（骨移植体）上重复了类似的污染实验。无论是含有MSC的细胞化骨移植体（cBone）在培养基中培养，还是无细胞的骨移植体（aBone）在PBS中培养，在接种表皮葡萄球菌、金黄色葡萄球菌或巴西曲霉24小时后，GC-IMS均能明确检测到污染的存在。这证明了该技术在不同培养环境和复杂生物基质中应用的潜力。

3.4. GC-MS证实了GC-IMS的发现并识别了区分性的VOC类别

作为VOC检测的金标准，GC-MS被用来验证GC-IMS的结果，并进一步识别导致差异的特定VOC类别。通过PLS-DA模型分析，研究发现受细菌污染的MSC与未污染MSC之间的VOC差异体现在多种化合物类别上，包括醇类、二氢呋喃类、含硫化合物、醚类、酯类和异酞酸类。在真菌污染实验中，也识别出了醚类、醇类、杂环化合物、砜类、苯甲酰胺类和酯类等特征性VOC。这些由GC-MS鉴定出的VOC特征为GC-IMS的检测结果提供了强有力的支持，并初步揭示了微生物污染相关的代谢指纹。

综上所述，本研究系统地论证了GC-IMS技术在快速、早期检测细胞和组织培养物微生物污染方面的卓越性能。该技术不仅能够以极高的灵敏度（低至10 CFU）在感染后极短时间内（细菌2小时，支原体24小时）识别出包括支原体在内的多种标准微生物污染，而且成功应用于复杂的组织工程产品（如骨移植体）的污染监测。与传统的GC-MS相比，GC-IMS具有设备小巧、操作简便、分析快速（约20分钟 per sample）等显著优势。

在讨论中，作者指出，基于VOC“指纹图谱”而非单一标志物的分析策略，能够有效应对生物系统的复杂性，实现稳定可靠的污染判别。尽管在实际大规模生物反应器应用中可能面临顶空取样等挑战，但通过使用预浓缩技术等手段有望克服。该研究为生物制造和生物加工行业提供了一种极具前景的实时、在线污染监控解决方案。将GC-IMS整合到生产工作流程中，可以更早地识别并剔除污染批次，从而避免资源浪费，降低交叉污染风险，最终保障产品质量和患者安全，节省可观的时间、成本和珍贵试剂。这项技术有望成为提升生物制品生产安全性与效率的关键工具。