CN115151869B 细胞代谢状态观测的计算机实现方法、程序和混合系统 （赛多利斯斯泰迪姆数据分析公司）

2022.08.22PCT/EP2021/0542062021.02.19WO2021/165495EN2021.08.26US2010191361A1,2010.07.29US2011207111A1,2011.08.25本申请提供用于预测生物反应器中的生物系统产生或消耗的至少一种生物材料的量的技预测时间函数形式的细胞生长的动力学生长模21.一种方法，用于预测生物反应器中的生物系统产生或消耗的至少一种生物材料的提供所述工艺条件和所述代谢率给混合系统模型，所述混合系统模状态观测器用于提供所述生物系统的内部代谢状态的使用所述代谢状态观测器和所述当前测量结果来预测所述代谢器来执行细胞状态分类以预测所述代谢物的特定消耗别分析PLS-DA模型和正交偏最小二乘判别分析O确定所述测试样品中的生物材料的量是否位于所述混合系统模型315.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述工艺条件包括以下一项或者多项：基于所述混合系统模型确定用于所述生物反应器的最使用一个或者个传感器测量所述生物反应器的时间函数形式的实基于所述混合系统模型确定用于所述生物反应器的最使用一个或者个传感器测量所述生物反应器的时间函数形式的实提供反馈给控制所述生物反应器的控制器从而自动化调整所述实验性工艺条件以最20.根据权利要求1所述的方法，其特征在于使用已根据所述工艺条件初始化的所述混合系统模型模拟至少一种生物材料的预测基于所述模拟的结果确定所述生物系统的一个获得实验数据，包括一个或者多个工艺条件、一个或者多个代使用所述动力学模型，基于所述最优条件下生长速率以及来确定抑制生长因子的动力学参数以便最小化所述最优条件下生长速率和来自所述实提供所述确定的动力学参数、所述细胞裂解参数、所述生长速4述生物系统生产的生物材料的给定生产率相关联提供参数配置给优化模块，其中所述参数配置包括所述最优条件下生长5和/或微生物放入生物反应器中，该反应器具有在受控大气条件下含有必需营养素的培养[0004]用于建模和分析细胞行为的技术包括通量平衡分析(fluxbalanceanalysis，传知识，以及在通常的工艺开发和制造活动中所测量的基因表达和代谢物水平的测量结用。状态可能导致观察到的代谢物概况的生物学相关假设留给主题专家(subjectmatter6[0010]传统的分批jin4料工艺在营养丰富的相对安全条件下运行，导致滴度通常约为2营养素，以便最大化代谢活动来朝着产品生产同时最小化不期望的活动(例如，产生副产应器)的已测量或在这种情况下未测量的潜在驱动来生成可7discriminantanalysis，PLS-DA)模型和正交偏最小二乘判别分析(orthogonalpartial8速率和所述代谢物特定生产率或者特定消耗率给所述混合系统模型的代谢条件模型用于于所述代谢物的所测量的特定消耗率或者所测量[0038]进一步地，根据上述上面的方法，所述生物反应器的输出使用偏最小二乘PLS预[0046]此外，本申请实施例也可以实现为包括处理器和耦合到处理器的存储器的系存储器可以对一个或多个程序进行编码以使处理器执行在申请中描述的一种或多种方法。9[0047]在下面的示例性附图和说明书中阐述了一种或多种实施方式的细节。从说明书、[0048]图1示出了本申请实施例提供的配置为细胞代谢状态观测的混合模型的计算环境[0061]图11示出了本申请实施例提供的用于葡萄糖浓度的测量轨迹(例如中心点)和用[0062]图12A示出了本申请实施例提供的从实验数据计算代谢物(例如，葡萄糖)的特定消耗率的示例。图12B示出了本申请实施例提供的将预测的代谢物状态与所测量值比较的[0063]图13A至图13C示出了本申请实施例提供的混合模型的细胞状态分类的示例输图13A示出了提供由葡萄糖消耗引起的代谢紊乱的可观察性的PCA分数散点图(如使用PCA范围的葡萄糖值表明滴度降低或产品质量问题的风险增加。图13B示出了PCA分数散点图，[0064]图14A至图14C示出了本申请实施例提供的混合模型预测的生产率和产品质量的示例。图14A示出了来自实验数据的所测量的给定生产率和来自状态观测器(使用PLS)的[0065]图15A和15B示出了本申请实施例提供的生产率和产品质量的其他示例。图15A示出了对于给定的起始条件和自变量轨迹来模拟生长和滴度(由给定生产率产生的目标产物[0066]图16示出了本申请实施例提供的从单体动力学模型来确定重要的未测量代谢度[0067]图17A至图17C示出了本申请实施例提供的自变量调整对增长概况的影响的示pH变化和低进料速率(葡萄糖消耗)的批次的测量和预测轨迹。图17C示出了具有pH和温度[0068]图18示出了本申请实施例提供的如方程(6)所示的基质对生长速率的影响。该图[0069]图19示出了本申请实施例提供的二次参数对方程(7)中描述的有效生长速率的影[0070]图20示出了本申请实施例提供的利用混合模型的生物过程反应器的系统框图的器中的散装用过的培养基3440(大量流体通过分隔器3460与细胞分离)和Fr，循环流3450，[0074]图1示出了本申请实施例提供的配置为细胞代谢状态观测的混合模型的计算环境计的混合模型输出之间的差异导出误差，并且可以基于误差信号调整混合模型的参数(也[0077]动力学生长模型50是基于单体生长方程(见方程1至11)和代谢物物质平衡方程i。祭=(uor-uu-)x,其中dxv/dt对应活细胞密度随时间的变化，和速且包含大量流体(活细胞和死细胞从液体中分[0091]给定时间或细胞状态的特定消耗(或分泌)速率可以从训练集(例如，使用方程14[0096]在一些方面，代谢条件模型可用于通过提供滴度和/或质量的估计以改进滴度预件模型任选地包含额外的测量的参数和/或未测量状态以改进对产品滴度和/或质量的预地，从过程或状态测量的附加参数)的主成分分析(PCA)或偏最小二乘(PLS)或正交偏最小偏最小二乘判别分析(PLS-DA)模型和/或正交偏最小二乘判别分析(境的情况下表征代谢变异。PLS用于将代谢变异与生产率(滴度)或重要质量度量(产品质[0101]代谢条件模型可以包含或链接到数据驱动机器学习引擎70和/或主成分分析[0102]状态纠正模型75根据图2中描绘的状态观测器减轻系统中的误差。可以确定混合[0104]标记及警报引擎85监视系统的过程偏离。如果生物反应器的输出偏离其预期/预他方面，系统可以补偿偏离(例如，调整进料或工艺条件以达到所需状态(例如，最优状[0105]消耗率和分泌率模块90确定生物过程反应器中代谢物/分析物的特定消耗率和特特定消耗的估计)可以被提供到动力学生长模型中以[0107]数据库30包含用于动力学及代谢状态观测系统5的各种类型的数据。训练数据32模型60以将细胞的状态分类为最优或次优状态或者确定对生物材料的生产量如给定生产操作的过程监控或生物反应器的模拟/预测。输出36是动力学及代谢状态观测系统5的输[0109]特定消耗率和特定生产率可以从生物过程期间测量的实验数据计算。在一些方长的iVCD，时间步长(tk+1-tk)乘以在时间k的活细胞密度xv和时间k+1的活细胞密度xv的加所述特定分泌率提供给代谢条件模型60，其中PCA和PLS统计模型引擎65和/或数据驱动机行的最接近的测量是生物反应器210的输出的测量。输出包括代谢物浓度、活细胞密度型确定的内部估计是基于与生物反应器的输入和输出相关的间接测量值(例如，工艺条参数和估计参数之间的差异通过状态纠正模型75反馈到混合模型220的输入。状态纠正模别地，卡尔曼滤波器可用于基于噪声环境中的间接测量来确定内部系统状态的最优估计。型75可以包括卡尔曼滤波器或扩展卡尔曼滤波器。卡尔曼滤波器或扩展卡尔曼滤波器生更多的靶蛋白或细胞是否处于最优条件之外，这将导致产品(滴度)/靶标生产中的质量li组动力学方程(例如方程1至方程11)进行积[0127]动力学生长模型50的输出345可以包括产品滴度、代谢物浓度、活细胞密度和活[0130]图3B示出了简易代谢状态观测器的高级流程图，其中输入350由简易代谢状态感i[0134]动力学生长模型50(图4B中完整代谢状态观测器470的一部分)的输出可以包括产[0137]在操作425，来自动力学生长模型的单体方程用于估计包括当前代谢物值的当前l[0147]在操作715，针对来自历史测量过程数据的训练集的每个观察结果计算代谢物的来自历史测量过程数据的训练集的每个观察结果计算代谢物的特定[0151]图8是混合模型校准(解耦系统识别)的操作流程图，包括动力学模型和代谢调节中是状态估计，并提供给代谢调节模型60以生成计算的参数720(δmeas)和代谢细胞状态优化方法调整工艺条件以确定优化预测轨迹、产品数量(滴度)和/或产品质量的工艺条件[0158]找到过程的最优调整或设置可以定义为找到最小化数学目标函数j的一组操纵变minuljqq前设置的u的变化施加惩罚来调整控制动作的积极性。这可以防止控制器对工艺条件进行值可用于构建数据驱动模型以对细胞状态(例细胞培养物生长是否在最优范围内运行(参见图13B)。PLS可用于对单个代谢物进行分类，[0212]图19示出了证明二次项对生长速率的影响的实验数据。当二次项偏离其最优值流体毒性的裂解细胞的数量。这种方法允许混合模型比不考虑此特征的其他模型更准确，系统存储器17可以存储与CPU16结合使用的信息和/或指令。系统存储器17可以包括易失性和非易失性存储器，例如随机存取存储器(randomaccessmemory，RAM)和只读存储器[0226]此外，计算机可以包括用于读取和写入硬盘(未示出)的硬盘驱动器(harddisk动盘可以是用于磁盘驱动器的磁盘或用于光盘驱动器的诸如CDROM的光盘。HDD和外部磁盘驱动器分别通过HDD接口和外部磁盘驱动器接口连接到系统总线。驱动器及其相关的计[0229]作为使用如图1所示的服务器系统10的实施方案的补充或替代方案，这里描述的InstructionSetCircuits，RISC)、专用集成电路(ApplicationSpecificIntegrated