アップストリーム(上流)バイオプロセスにおける分析感度に関する研究
高細胞密度化が進む上流バイオプロセスでは、従来のラマン分光法では蛍光干渉により“測りたいものが測れない”という課題が顕在化しています。本研究は、その根本的な制約に対する有力な解決策を提示しています。
2025年12月20日 学術誌 Bioprocess and Biosystems Engineering に掲載された研究(👉原文はこちらをクリック)により、タイムゲートラマン分光法（Time-Gated Raman Spectroscopy：TGRS） が、複雑な上流バイオプロセスのモニタリングにおける分析感度を大幅に向上させることが発表されました。
課題
CHO細胞系に代表される哺乳類細胞培養プロセスでは、グルコース、乳酸、アンモニア、グルタミン、アラニンといった主要分析対象物を、正確かつリアルタイムで監視することが求められます。
従来のプロセス分析技術として広く用いられてきたラマン分光法（Raman Spectroscopy：RS）は有用である一方、培地や細胞由来の蛍光干渉により、信号対雑音比（SNR）の低下や検出限界（LOD）の上昇といった課題を抱えていました。
時間ゲートラマン分光法（TGRS）がもたらす変化
TGRSは、ラマン散乱と、より遅れて発生する蛍光発光との時間差を利用してバックグラウンドノイズを抑制する技術です。レーザーパルスと検出器のタイミングを同期させることで、ラマン信号のみを選択的に取得し、複雑な培地中においても化学シグナルを明瞭に検出することが可能となります。
この研究では、純成分モデリングおよび正味分析信号（Net Analyte Signal：NAS）解析で、CHO細胞培養サンプルにおけるTGRSと従来型ラマン分光法（RS）の性能比較が行われました。
主な結果
■信号対雑音比（SNR）の向上
TGRSは、5種類すべての分析対象物において、RSと比較して一貫して高いSNRを示しました。
例えば、高細胞密度条件下におけるグルコースでは、RSのSNRが約2であったのに対し、TGRSでは約36と10倍以上の大幅な向上が確認されています。乳酸についても、RSと比較して数倍以上のSNR改善が示されており、ラマンピークはより明瞭かつ信頼性の高い形で観測されています。
■検出限界（LOD）の大幅な低下
TGRSではLODが著しく低下し、分析対象によっては桁違いの改善が確認されました。
例えば、高細胞密度条件下において、グルコースのLODはRSでは約7.6 g/Lであったのに対し、TGRSでは約0.22 g/Lまで低下しており、1桁以上の感度向上が示されています。乳酸においても同様に、TGRSによるLODの大幅な低下が確認されています。これにより、代謝変化をより早期に検出し、迅速なプロセス調整が可能となることが示唆されています。
■分解能の向上
NAS解析の結果、TGRSデータではラマンピークがよりシャープかつ明確に分離され、スペクトル干渉の低減と分析対象物の特異性向上が示されました。
高細胞密度条件における測定安定性
本研究では、約 6.05×10⁶ cells/mL という比較的高い細胞密度条件下においても、TGRSではスペクトルが破綻することなく取得できることが示されています。一方、RSでは蛍光干渉の影響が顕著となり、分析感度の低下が確認されました。この結果は、TGRSが実運用に近い培養条件下でも有効に機能することを示す重要な知見です。
PAT（プロセス分析技術）における意義
本研究は、TGRSが上流バイオプロセスにおける重要変数を高感度・高精度かつインラインで測定可能であることを示しており、リアルタイムモニタリング、プロセス制御、最適化といったPATの高度化に貢献する可能性を示しています。これらの性能向上は、バイオ製造における意思決定の高度化や自動化の進展を後押しするものと考えられます。
研究体制と今後の展望
本研究は、Pfizer, Inc. との共同研究として実施され、National Institute for Innovation in Manufacturing Biopharmaceuticals（NIIMBL）および米国国立標準技術研究所（NIST）からの支援を受けて行われました。
今後は、バイオリアクター環境においてTGRSシグナルを定量的なプロセス情報へと変換するためのケモメトリクスモデルの開発が進められる予定で、産業応用に向けたさらなる展開が期待できます。
👉 原文論文はこちらです
https://link.springer.com/article/10.1007/s00449-025-03261-y
👉 Timegateラマン分光器のデモリクエストに関して