基于粒子运动生物传感技术的dsDNA片段连续监测系统开发及其在生物制造中的应用研究

针对生物制造过程中宿主细胞DNA（HCD）监测的技术瓶颈，荷兰研究团队开发了基于自由粒子运动（f-BPM）的竞争式双链DNA（dsDNA）连续传感器。该传感器利用抗dsDNA抗体实现序列非依赖性检测，可逆响应纳米至微摩尔浓度范围的dsDNA片段，为上游工艺细胞死亡监控和下游工艺杂质控制提供了创新解决方案。

　　

在生物制药领域，细胞培养过程的复杂性和产品纯度的严苛要求始终是行业痛点。传统生物制造过程中，宿主细胞DNA（HCD）的检测主要依赖qPCR等离线方法，存在耗时长、序列依赖性等技术局限。尤其当细胞发生程序性死亡或机械损伤时，释放到培养体系中的双链DNA（dsDNA）片段既可作为上游工艺细胞状态的"晴雨表"，又是下游纯化工艺的关键杂质指标。然而，现有技术难以实现生产过程中的实时监测，这种"盲操作"状态严重制约了工艺优化和产品质量控制。

荷兰埃因霍温理工大学（Eindhoven University of Technology）的Menno W. J. Prins团队在《Biosensors and Bioelectronics》发表的研究，开创性地将粒子运动生物传感技术（Biosensing by Particle Motion, BPM）应用于dsDNA的连续监测。研究人员采用无系链自由粒子运动（f-BPM）架构，通过竞争式检测设计——传感表面固定抗dsDNA抗体，功能化颗粒携带dsDNA片段，利用布朗运动变化实现实时检测。该技术突破传统方法的局限，在无需序列特异性引物或染料介入的情况下，成功实现对不同碱基对长度dsDNA的可逆性检测，灵敏度跨越nM至μM级浓度范围。

关键技术方法包括：1）自由粒子运动（f-BPM）生物传感平台构建；2）抗dsDNA抗体与dsDNA片段的功能化修饰；3）实时粒子追踪算法分析布朗运动变化；4）动态浓度梯度实验验证传感器响应特性。研究选用链霉亲和素包被的磁性微球（Dynabeads? MyOne? C1）作为载体，通过生物素-亲和素系统实现dsDNA片段固定。

【结果与讨论】
传感器设计方面，研究证实抗dsDNA抗体可特异性识别dsDNA的糖磷酸骨架，这种序列非依赖性结合方式确保了对不同基因组区域DNA片段的普适性检测。在100-1000bp片段长度实验中，传感器均表现出稳定响应，且结合动力学分析显示其相互作用具有完全可逆性。

性能验证数据显示，该传感器可区分不同运动行为的颗粒群体。在模拟生物反应器环境测试中，系统成功捕捉到dsDNA浓度的动态波动，响应时间满足连续监测需求。特别值得注意的是，传感器在多次循环使用后仍保持稳定性能，这对工业化应用至关重要。

【结论与展望】
该研究首次证明f-BPM技术用于dsDNA连续监测的可行性，其竞争式检测设计为生物制造过程控制提供了新工具。相较于qPCR和DNA染料法，该技术具有三大优势：无需序列特异性设计、不消耗检测试剂、可实现真正意义上的实时监测。未来通过优化抗体固定化策略和流体控制系统，有望开发出适用于GMP环境的在线监测装置。

这项技术的潜在应用场景包括：上游工艺中通过HCD释放量实时评估细胞死亡率，下游纯化过程中追踪DNA杂质清除效率。研究团队指出，该平台技术可扩展至其他生物分子（如宿主细胞蛋白）的监测，为构建"智能生物工厂"提供关键技术支撑。荷兰国家增长基金（NxtGen Hightech）和NWO KIEM HighTech计划已对该技术的产业化开发提供后续资助。