Wageningse biotechnologen zetten holografische microscopie in om hun celculturen te monitoren. Zo kunnen ze tot wel zeventig parameters realtime volgen en analyseren.

Hoe groeien de cellen in mijn bioreactor? Is het al tijd om de cellen te infecteren met mijn recombinante baculo­virus? Hoe verloopt de productie? Kan ik al oogsten? Die vragen zijn van dagelijks belang voor bioprocestechnologen. Wageningse onderzoekers gebruiken een nieuwe technologie om al die zaken realtime te kunnen monitoren: een 3D holografische microscoop.

‘We kunnen nu meer parameters meten, en met een hogere precisie’, stelt Dirk Martens, universitair hoofddocent bioprocestechnologie aan Wageningen University & Research. ‘Daardoor komen we meer te weten over de staat van de cellen.’

Insectencellen

Martens en zijn collega’s gebruiken insectencellen om een oppervlakte-eiwit van het coronavirus te produceren. Dat eiwit moet een stukje gaan vormen van een vaccin. ‘De insectencellen kunnen bepaalde dingen, zoals complexe eiwitvouwing, beter dan de gangbare gistcellen’, vertelt Martens. ‘Zoogdiercellen zijn daar ook goed in, maar die kun je minder snel ontwikkelen.’

De insectencellen komen van de mot Spodoptera frugiperda. De Wageningers infecteren die cellen met een baculovirus dat is uitgerust met het gen voor het corona­viruseiwit. ‘Als je de cellen te vroeg of te laat infecteert, dan verloopt het proces niet optimaal’, legt Martens uit. ‘Vervolgens wil je monitoren of de cellen in goede conditie zijn en hoeveel eiwit ze in het medium uitscheiden. Dat helpt je de kweekcondities aan te passen en het optimale oogstmoment te kiezen.’

Oogst je te vroeg, dan is je opbrengst lager. Oogst je te laat, als veel insectencellen al uit elkaar zijn gevallen, dan raakt je product vervuild. Je wilt dus precies zien wanneer de cellen achteruit beginnen te gaan. Dat kan onder een gewone microscoop. Die laat bijvoorbeeld zien hoe groot en rond de cellen zijn. ‘Maar als je door de microscoop veranderingen ziet, ben je feitelijk al te laat. Je wilt veel méér fysiologische veranderingen monitoren, ook eerder in het proces.’

Faseverschillen

Een gewone microscoop registreert licht dat vanaf een object weerkaatst. Een holografische microscoop detecteert daarentegen faseverschillen in het licht: verschuivingen in de lichtgolven die ontstaan door verschillen in dichtheid in het object. Eerst wordt een bundel licht, veelal laserlicht, gesplitst in een referentiebundel en een objectbundel. Die tweede bundel reist door de sample heen en wordt daarna weer samengevoegd met de referentiebundel. Daardoor ontstaat een hologram: een projectie van het object in de ruimte. Een camera detecteert die projectie en gebruikt een speciaal ontwikkeld algoritme om daaruit kwantitatieve informatie af te leiden.

‘Het gaat om zo’n zeventig optische parameters’, vertelt Martens. ‘Door machine learning link je die parameters steeds beter aan wat er werkelijk in de kweek gebeurt. Het is een geavanceerde vorm van kalibratie.’ Je kunt er bijvoorbeeld de celconcentratie uit afleiden, maar ook karakteristieken van de cellen: hun conditie en productie, en of ze al dan niet geïnfecteerd zijn met het baculovirus.

Normaal doe je zo’n test handmatig, een of twee keer per dag, aldus Martens. Nu gebeurt het continu, elke dertig minuten, via een slangetje dat in de bioreactor hangt en de sample na de analyse weer laat terugvloeien. ‘Zo kan ons systeem automatisch de temperatuur aanpassen, medium toevoegen, virus toedienen, of het product oogsten – ook al is dat midden in de nacht.’