芯片上的过程分析技术：面向数据驱动的生物工艺开发与优化的分析检测微型化

为解决生物制药生产中离线分析方法耗时费力、难以实现多属性实时监测的问题，研究人员开发了集成微流控平台"PAT-on-a-chip"，通过微型化凝集素检测和亲和检测技术，实现了单克隆抗体(mAb)生产过程中糖型分析、抗体滴度和CHO宿主细胞蛋白(HCP)的在线检测，其性能与毛细管电泳(CE-LIF)等金标准方法高度相关(Pearson R>0.93)，为生物工艺优化提供了新型过程分析技术(PAT)工具。

　　

在生物制药行业蓬勃发展的今天，单克隆抗体(mAb)等生物药的生产正面临严峻挑战。传统离线分析方法如高效液相色谱(HPLC)和酶联免疫吸附试验(ELISA)不仅耗时费力，更难以满足连续生产工艺对实时监测的需求。尤其对于关键质量属性(CQAs)如抗体糖基化谱和宿主细胞蛋白(HCP)含量的监测，现有技术往往需要复杂的前处理步骤，导致数据滞后，严重制约了基于模型的工艺优化。这一瓶颈促使科学家们寻求新一代过程分析技术(PAT)解决方案。

针对这一需求，来自瑞典皇家理工学院等机构的研究团队在《Biosensors and Bioelectronics》发表了创新性研究成果。该研究巧妙融合微流控技术与亲和检测原理，开发了名为"PAT-on-a-chip"的集成分析系统。该系统通过将纳米多孔琼脂糖微珠作为固相载体，结合比色检测策略，实现了在单个芯片上同步检测抗体滴度、CHO HCP含量和高甘露糖糖型比例三大关键参数。

研究团队采用了三项核心技术：1)基于COC材料的微流控芯片加工技术，通过精密铣削制作含多通道的芯片结构；2)光二极管阵列检测系统，采用622nm LED光源和定制光电二极管PCB板实现比色信号采集；3)多模式亲和检测方法，包括抗体-抗原特异性结合、凝集素-糖链识别等相互作用机制。实验使用CHO-M细胞培养上清作为样本来源，通过灌注培养模拟实际生产条件。

在"亲和检测与比色检测联用的微型化分析"部分，研究证实该系统可在60-90分钟内完成检测流程。采用链霉亲和素包被微珠的夹心法检测显示，对Trastuzumab的检测限达1.8ng/mL，CHO HCP检测限为15.1ng/mL，与标准方法相关性R>0.93。特别值得注意的是，通过优化含2M尿素的洗涤缓冲液，成功将糖型检测的信噪比提高3.5倍。

关于"糖型检测方法的优化"，研究发现高甘露糖凝集素标记物浓度与信号强度呈正相关。通过引入尿素作为离液剂，有效增强了糖链暴露度，使特异性信号显著高于非特异性背景。虽然该方法不能实现糖型的绝对定量，但其相对定量结果与CE-LIF检测趋势高度一致，为工艺监控提供了可靠指标。

在"CHO细胞培养上清样本检测"环节，研究跟踪了不同细胞比灌注率(CSPR)条件下的参数变化。数据显示，低CSPR(22-25nL/细胞/天)会导致高甘露糖比例升高(达3.5%)，表明糖基化成熟度下降；而高CSPR(38nL/细胞/天)组则保持较低水平(约1.5%)，印证了营养供应对糖型调控的重要性。所有检测参数与标准方法的相关系数均超过0.9(p<0.01)。

这项研究的重要意义在于：首先，首次实现了糖型分析的微流控集成，填补了PAT技术在该领域的空白；其次，通过比色检测简化了仪器复杂度，使系统更适于车间环境部署；再者，干燥微珠的稳定性验证(5天，4°C)为预装式检测卡盒的开发奠定了基础。研究者特别指出，未来结合自动液体处理系统，该平台可实现自适应样本稀释，进一步拓展检测范围。

从产业角度看，PAT-on-a-chip系统将助力生物制药行业向"质量源于设计"(QbD)范式转型。其多参数联检能力可为建立更精确的机理模型提供数据支持，而实时监测特性则有助于及时调整工艺参数，最终提升产品质量和批次间一致性。随着连续生产工艺的普及，这类微型化、集成化的分析工具必将成为推动生物制药智能制造的关键使能技术。