Veel bioprocessen steken ongelooflijk nauw. Daarom moet je elke stap strak monitoren, bijvoorbeeld om te zien of de pH goed is, de eiwit- en DNA-concentratie op orde is, en of er geen verontreiniging is opgetreden. ‘Er zitten verschillende nadelen aan de huidige analysetechnieken’, vertelt Olivier Henry, programmadirecteur Life Sciences and Medical Device Technologies van het onderzoekscentrum Imec in Leuven. ‘Ten eerste heb je heel veel van deze probes nodig, want ze meten elk maar één parameter. Ten tweede zijn ze vaak erg groot. Dit is vooral een groot probleem in de kleinere bioreactorvaten; die raken daardoor overbevolkt met sensoren.’

Daarnaast moet je dit soort apparaten ook regelmatig kalibreren. Henry: ‘Dit betekent dat je ze uit het vat moet halen en nadien ook weer precies terug moeten zetten. Dat is niet alleen een tijdrovend werkje maar geeft ook een risico op verontreiniging.’ Imec denkt dat chiptechnologie dé oplossing kan bieden. ‘We kunnen hiermee verschillende sensoren op één enkele geminiaturiseerde chip zetten’, zegt Henry. ‘Denk aan de chips in je telefoon: die hebben ook heel veel functies op een klein oppervlak. Daarnaast kunnen de sensoren vrij stabiel meten over langere periode en is kalibratie niet of nauwelijks nodig. Ten slotte is de opschaalbaarheid en betrouwbaarheid dik in orde, want er is al veel ervaring met siliciumchips.’

‘We meten ook geluid. Dat geeft meer informatie’

Geluidsgolven

Imec heeft nu vijf verschillende chips en sensors beschikbaar voor gebruik in de bioprocesmonitoring. De eerste is de multi-ionsensor. Deze detecteert allerlei typen ionen, van pH en opgelost zuurstof tot onder meer chloride en calcium. Dit gaat op basis van de stroomverandering die optreedt zodra een analyt de sensoroppervlakte raakt. ‘Je kunt deze sensoren makkelijk aanpassen aan de wensen van de gebruiker, dankzij verschillende soorten membranen’, vertelt Henry. Een ander type chip is gebaseerd op een vrij nieuwe techniek, foto-akoestiek. Vaak wordt dit type beeldvorming gebruikt voor medische toepassingen, maar Imec wil het ook gaan inzetten voor bioprocesmonitoring. ‘Bij deze analysetechniek schijn je licht op de moleculen, waardoor deze gaan trillen. Het geluid van die vibratie kunnen wij oppikken met een gevoelige microfoon. Het voordeel ten opzichte van de nu gebruikte spectrometrie is dat we naast lichtverstrooiing ook geluidsgolven meten. Dat geeft meer informatie over je analyt.’ Op die manier konden Henry en zijn collega’s al lage concentraties glucose en lactaat meten.

In het productieproces met levende cellen moet je soms ook de morfologie van de cellen visueel inspecteren. Nu gebruiken producenten daarvoor standaard microscopen. Henry denkt dat de zogenoemde lensvrije microscoop een beter alternatief vormt. ‘Onze microscoop heeft geen optica nodig en is dus veel kleiner.’ Als er licht op het object valt, ontstaat door interferentie – interactie tussen de lichtgolven – een specifiek lichtpatroon op de beeldsensor, zo legt Henry uit. ‘De chip reconstrueert vervolgens uit dit lichtpatroon een digitaal beeld met behulp van kunstmatige intelligentie. Zo komen details in beeld die kleiner zijn dan een micrometer.’ Ter vergelijking: standaardmicroscopie haalt binnen de bioprocessing maar een halve millimeter.

Fotonische chip

Het aflezen van de biologische toestand van cellen in een bioproces gebeurt vaak aan de hand van de eiwitten die ontstaan als bijproduct van de celstofwisseling. Het huidige analysearsenaal hiervoor bestaat uit immunoassays zoals ELISA, massaspectrometrie, chromatografie en spectroscopie. Imec komt nu met een fotonische immunoassay op een chip. ‘Je moet nog steeds je monster mengen met fluorescent gelabele antilichamen gericht tegen je analyt,’ vertelt Henry, ‘maar het verschil zit hem in de manier waarop we het fluorescentiesignaal meten. Het fluorescente licht gaat door een zogenoemde golfgeleider; die concentreert het licht op een specifiek punt van de detector. Het gevolg is dat je niet steeds hoeft te wassen om de overmaat aan fluorescente tags kwijt te raken, zoals bij ELISA.’ Ook is de fotonische immunoassay-chip erg snel; in vijf minuten heb je al resultaat. ‘Terwijl je met ELISA uren bezig bent en veel stappen handmatig moet doen. Met de chip kun je meerdere stappen automatisch laten plaatsvinden.’

‘Alles komt samen in één controlekamer’

Controlekamer

Tot slot is het bij bioprocessen ook belangrijk regelmatig tussentijds specifiek DNA te meten, bijvoorbeeld om besmetting met micro-organismen uit te sluiten. Standaard PCR duurt echter vaak minimaal een uur. Dit komt doordat de cyclussen van DNA-vermeerdering veel temperatuurwisselingen nodig hebben en die kosten tijd. ‘Wij maken handig gebruik van de thermische eigenschappen van silicium’, legt Henry uit. ‘In het PCR-kamertje van de chip kan een monster heel snel worden verhit en weer afgekoeld. Binnen vijf minuten zitten we daardoor al aan de veertig cycli, met dezelfde prestaties als een standaard PCR-instrument.’

Verschillende bedrijven hebben al interesse getoond in deze nieuwe op chip-gebaseerde analysetechnieken. Uiteindelijk hoopt Henry dat ze een revolutie teweeg kunnen brengen in de bioprocesmonitoring. ‘Het idee is dat alle data uit het proces automatisch worden vergaard en alles samenkomt in één controlekamer. Dat zie je al in andere industrieën, maar dankzij siliciumtechnologie kunnen we dit concept nu naar de bioprocesindustrie brengen.’