จะเลือกไบโอรีแอคเตอร์ที่เหมาะสมสำหรับกระบวนการเพาะเลี้ยงเซลล์หรือการหมักของคุณได้อย่างไร?

หลักสูตรการออกแบบไบโอรีแอคเตอร์สำหรับเซลล์ ที่ปรับให้เหมาะสมกับความไวต่อแรงเฉือนและชนิดของเซลล์

ไบโอรีแอคเตอร์แบบแรงเฉือนต่ำสำหรับเซลล์สัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมและเซลล์ต้นกำเนิด

เซลล์ต้นกำเนิดของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมและชนิดที่คล้ายคลึงกันมีความไวต่อไบโอรีแอคเตอร์ที่สร้างแรงเฉือนไฮโดรไดนามิกสูงและการผสมอย่างรุนแรง ซึ่งส่งผลให้สูญเสียความสามารถในการมีชีวิตของเซลล์ถึง 40% จากการแตกของเยื่อหุ้มเซลล์อันเนื่องมาจากความเข้มข้นของเซลล์สูงที่เกิดจากแรงเฉือน ในการหลีกเลี่ยงการสูญเสียความสามารถในการมีชีวิต ใบพัดแบบพองตัวได้ที่ได้รับการออกแบบสำหรับใช้ในสภาพแวดล้อมทางทะเลจึงถูกออกแบบให้สร้างรูปแบบการไหลตามแนวแกน (axial flow patterns) เนื่องจากสามารถให้การเคลื่อนที่แบบสุ่มรอบวงของของไหลได้ ระบบซึ่งใช้ใบพัดแบบแบ่งส่วนและมีการไหลผ่าน (segmented, perfused impellers) ที่ออกแบบมาเพื่อแทนที่ใบพัดแบบรัสตัน (Rushton) นั้นถูกนำมาใช้ในการขยายจำนวนเซลล์ต้นกำเนิด เพื่อลดแรงเฉือนลง 60% ระหว่างกระบวนการปรับขนาดขึ้น (up-scaling) การตรวจสอบความทนทานต่อแรงเฉือนสูงเป็นสิ่งสำคัญยิ่ง และควรดำเนินการโดยระบุตำแหน่งที่แน่นอนของชิ้นส่วนที่รับแรงเครียดมากที่สุด เพื่อหลีกเลี่ยงการเกิดแรงเฉือนสูงและการกระจายแรงเครียดที่เป็นอันตรายภายในภาชนะ

การหมักจุลชีพ

เนื่องจากอัตราการถ่ายโอนออกซิเจนที่จำเป็นในห้องปฏิบัติการมีค่ามากกว่า 150 จึงจำเป็นต้องใช้การผสมแบบปั่นป่วนอย่างรุนแรง ต่างจากวัฒนธรรมเซลล์ที่ไวต่อแรงเฉือน วัฒนธรรมแบคทีเรียและยีสต์สามารถทนต่อแรงเฉือนได้ หยดที่เกิดขึ้นจากสปาร์เกอร์ซึ่งสร้างคอลัมน์น้ำที่มีพลังงานสูงจะช่วยเพิ่มอัตราการถ่ายโอนออกซิเจนได้ร้อยละ 35 หากเพิ่มพลังงานเข้าไปยังคอลัมน์น้ำที่มีพลังงานสูง อุณหภูมิจะสูงเกินระดับเมตาเทอร์โมไดนามิก (metatheoretic levels) ดังนั้นจึงควรใช้แผ่นกรองทางเมแทบอลิซึมที่หนาแน่นซึ่งประกอบด้วยหยดพลังงานสูง

จานทรงหางปลา เทียบกับเทอร์ไบน์รัสตัน

จานทรงหางปลาให้การไหลแบบเกือบไหลเป็นชั้น (laminar) และให้อัตราแรงเฉือนต่ำกว่า 1 พาสคาล (Pa) ซึ่งเหมาะอย่างยิ่งสำหรับระบบเซลล์สัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมและเซลล์ต้นกำเนิด ในขณะที่เทอร์ไบน์รัสตันให้การละลายออกซิเจนสูงสุด โดยสอดคล้องกับระบบที่มีแรงเฉือนสูงสำหรับจุลินทรีย์ ซึ่งขัดแย้งกับระบบที่มีแรงเฉือนต่ำ

ในการใช้งานแบบไฮบริด เช่น การผลิตเซลล์ CAR-T ใบพัดแบบ pitched-blade ให้ประสิทธิภาพการผสมที่ใกล้เคียงสมบูรณ์แบบ (85% ของประสิทธิภาพสูงสุด) ภายใต้ระดับแรงเฉือนที่ยอมรับได้สำหรับวัฒนธรรมเซลล์แบบแขวนลอยที่มีความไวสูง แบบจำลองขนาดย่อลงที่ความจุ 3 ลิตรสามารถทำนายประสิทธิภาพของไบโอรีแอคเตอร์ระดับการผลิตได้อย่างแม่นยำ ดังนั้น ไบโอรีแอคเตอร์แบบทรานส์ฟอร์เมอร์จึงมีส่วนช่วยในการพัฒนากระบวนการอย่างมั่นคง

เมื่อเลือกประเภทของไบโอรีแอคเตอร์สำหรับขนาดและแอปพลิเคชันที่กำหนด ควรพิจารณากฎระเบียบที่เกี่ยวข้อง:

ไบโอรีแอคเตอร์แบบถังกวนที่สอดคล้องตามมาตรฐาน ปรับขยายขนาดได้ และใช้งานได้จริง สำหรับการผลิตแอนติบอดีโมโนโคลนอล (mAb) และวัคซีน

ปฏิกรณ์ชีวภาพแบบถังกวน (STRs) เป็นตัวเลือกที่นิยมใช้สำหรับการผลิตผลิตภัณฑ์ชีวภาพในระดับอุตสาหกรรม เนื่องจากสามารถปรับให้สอดคล้องกับข้อกำหนดด้านกฎระเบียบได้ดี และมีหลักฐานยืนยันถึงความสามารถในการขยายขนาดการผลิตได้จริง โครงสร้างแบบโมดูลาร์ของ STRs ช่วยให้สามารถเพิ่มขนาดการผลิตได้โดยยังคงรักษาระดับที่เหมาะสมของออกซิเจนที่ละลายอยู่ในน้ำ (dissolved oxygen), ค่า pH และสารอาหาร สำหรับการผลิตแอนติบอดีโมโนโคลนัล (mAb) และวัคซีนภายใต้หลักเกณฑ์การผลิตที่ดี (Good Manufacturing Practice: GMP) ข้อได้เปรียบเพิ่มเติมของ STRs คือ สามารถบรรลุความหนาแน่นของเซลล์สูงในระบบเพาะเลี้ยงแบบแขวนลอย (มากกว่า 20 ล้านเซลล์/มล.) และการผสมอย่างสม่ำเสมอที่เกิดขึ้นผ่านกระบวนการขับเคลื่อนด้วยใบพัด (impeller) ของ STRs อย่างไรก็ตาม ความซับซ้อนเชิงกลไกของ STRs ทำให้จำเป็นต้องมีการตรวจสอบและรับรองระบบ STRs รวมถึงการควบคุมและปรับแต่งการเติมอากาศด้วยไฮโดรเจน (hydrogen aeration) อย่างแม่นยำ เพื่อให้สอดคล้องกับข้อกำหนดของสำนักงานคณะกรรมการอาหารและยาแห่งสหรัฐอเมริกา (FDA) และสำนักงานยาแห่งสหภาพยุโรป (EMA)

การเลือกทางเลือกของปฏิกรณ์ชีวภาพที่ดีที่สุด: แบบเวฟ (Wave), แบบแอร์ลิฟต์ (Airlift) และแบบแพ็กเก็ดเบด (Packed-Bed) สำหรับการเพาะเลี้ยงเฉพาะทาง

ปฏิกรณ์ชีวภาพแบบเวฟ (Wave), แบบแอร์ลิฟต์ (Airlift) และแบบแพ็กเก็ดเบด (Packed-Bed) ให้ข้อได้เปรียบเฉพาะด้านในแอปพลิเคชันที่เฉพาะเจาะจง:

ถุงแบบคลื่นผสมให้การเคลื่อนไหวแบบแกว่งเพื่อการแขวนลอยที่มีแรงเฉือนต่ำ เหมาะสำหรับการขยายเชื้อเริ่มต้น (seed train expansion) แม้กระนั้นการออกแบบยังมีข้อจำกัด โดยเฉพาะในด้านการขยายขนาดซึ่งจำกัดอยู่ที่ประมาณ 500 ลิตร

ไบโอรีแอคเตอร์แบบแอร์ลิฟต์มีประสิทธิภาพด้านพลังงานสูงสำหรับกระบวนการหมักจุลินทรีย์ที่ต้องการอัตราการถ่ายโอนออกซิเจนสูง (high-OTR) แต่มีข้อจำกัดในการขยายขนาดเนื่องจากข้อจำกัดด้านการออกแบบ

ไบโอรีแอคเตอร์แบบแพ็กเก็ดเบดเป็นระบบที่สามารถรองรับความหนาแน่นของเซลล์ได้สูงมาก เนื่องจากใช้ระบบการเพาะเลี้ยงบนแมทริกซ์ที่รองรับหลายประเภท อย่างไรก็ตาม ความซับซ้อนในการเก็บเกี่ยวเซลล์ทำให้ต้นทุนการดำเนินงานและปัญหาด้านการประมวลผลเพิ่มสูงขึ้น

ให้ลำดับความสำคัญกับพารามิเตอร์กระบวนการที่สำคัญยิ่งกว่าคุณสมบัติด้านระบบอัตโนมัติ

ระดับออกซิเจนที่ละลายในน้ำ (Dissolved Oxygen), ค่า pH, อุณหภูมิ และการควบคุมสารอาหาร เป็นเกณฑ์สำคัญในการเลือกไบโอรีแอคเตอร์

การเลือกไบโอรีแอคเตอร์ต้องให้ความสำคัญกับการควบคุมพารามิเตอร์กระบวนการที่สำคัญ (Critical Process Parameters: CPPs) เช่น ออกซิเจนที่ละลายในน้ำ (dissolved oxygen: DO), ค่า pH, อุณหภูมิ และการป้อนสารอาหาร มากกว่าคุณสมบัติอื่นๆ ที่มีระบบอัตโนมัติขั้นสูง การรักษาค่า DO ให้อยู่ในช่วงแคบของขอบเขตทางสรีรวิทยาจะส่งผลดีต่อวัฒนธรรมเซลล์แบบใช้ออกซิเจน (aerobic cultures) รวมทั้งส่งเสริมการเจริญเติบโตและความมีชีวิตของเซลล์ ตลอดจนช่วยในการรักษาและหลีกเลี่ยงผลกระทบต่อความสนใจเฉพาะของแต่ละชนิดเซลล์ เพื่อให้มั่นใจว่าโครงสร้างสามมิติ (conformation) และความแม่นยำ (fidelity) ของการตายของเซลล์แบบโปรแกรม (apoptosis) หรือการหยุดทำงานของกระบวนการเมแทบอลิซึม (metabolic shutdown) จะต้องรักษาค่า pH ของโปรตีเอส (protease pH) ให้อยู่ภายในช่วงค่าเฉลี่ยที่เหมาะสม การควบคุมอุณหภูมิและการควบคุมค่า pH จำเป็นต้องอยู่ภายใต้การควบคุมอย่างเข้มงวด การควบคุมปริมาณสารอาหารแบบเรียลไทม์ต้องดำเนินการภายในขอบเขตที่ไม่ทำให้เกิดการสะสมของผลิตภัณฑ์รองที่มีฤทธิ์ยับยั้ง (inhibitory byproduct accumulation) การทำให้กระบวนการเหล่านี้เป็นอัตโนมัติไม่ส่งผลกระทบต่อประสิทธิภาพการปฏิบัติงานมากเท่ากับการควบคุมและรักษาสมดุลของ CPPs ทั้งสี่ตัวนี้ ทั้งนี้ เมื่อมีการควบคุมขั้นสูงที่สมดุลอย่างเหมาะสมแล้ว ค่าเสียหายจากการดำเนินงานต่อหนึ่งรอบการผลิต (operating loss per batch incident) จะอยู่ที่ระดับ 500,000–2 ล้านดอลลาร์สหรัฐ (BioPlan Associates 2023) ก่อนพิจารณาการใช้ระบบอัตโนมัติ ควรให้ความสำคัญกับมาโครเซนเซอร์ (macrosensors) ที่ใช้ตรวจวัดค่า DO โดยอาศัยหลักการแสง (optical dissolved oxygen macrosensors) มากกว่ามาโครเซนเซอร์แบบโพลาโรกราฟิก (polarographic counterparts) ในกรณีที่ไม่มีระบบควบคุม

ความสำคัญของการออกแบบไบโอรีแอคเตอร์ให้สอดคล้องกับชนิดของเซลล์และความไวต่อแรงเฉือนคืออะไร

การจับคู่การออกแบบไบโอรีแอคเตอร์ให้สอดคล้องกับชนิดของเซลล์และความไวต่อแรงเฉือนนั้นมีความสำคัญยิ่งต่อการเพิ่มประสิทธิภาพการเจริญเติบโตของเซลล์ และป้องกันไม่ให้เซลล์ตายจากแรงเฉือนที่สูงเกินไป

ไบโอรีแอคเตอร์จัดการกับความต้องการออกซิเจนสูงในกระบวนการหมักจุลินทรีย์อย่างไร

ไบโอรีแอคเตอร์ เช่น เครื่องกวนแบบรัสตัน (Rushton turbines) เพิ่มอัตราการถ่ายโอนออกซิเจนไปยังเซลล์จุลินทรีย์โดยใช้ปั๊มหมุนเวียนภายใน

ข้อดีและข้อเสียของเครื่องกวนแบบไฮโดรฟอยล์ดิสก์ (Hydrofoil Disc) กับเครื่องกวนแบบรัสตัน (Rushton Turbines) คืออะไร

แผ่นกวนแบบไฮโดรฟอยล์ (Hydrofoil discs) สร้างการไหลที่มีแรงเฉือนต่ำกว่า ในขณะที่แผ่นกวนแบบรัสตัน (Rushton turbine discs) ส่งเสริมการละลายออกซิเจนได้ดีที่สุด จึงเหมาะสำหรับระบบจุลินทรีย์

เหตุใดไบโอรีแอคเตอร์แบบถังกวน (stirred-tank bioreactors) จึงเป็นตัวเลือกที่ดีกว่าสำหรับการผลิตที่สอดคล้องกับมาตรฐาน GMP และสามารถขยายขนาดได้

เนื่องจากสามารถขยายขนาดได้ง่าย ควบคุมพารามิเตอร์ต่าง ๆ ได้อย่างแม่นยำ และสอดคล้องตามข้อกำหนดของ FDA และ EMA

ปัจจัยใดบ้างที่มีความสำคัญที่สุดต่อการเลือกไบโอรีแอคเตอร์

ปัจจัยหลักที่ควรให้ความสำคัญเป็นพิเศษ โดยไม่คำนึงถึงระบบอัตโนมัติ คือ พารามิเตอร์ที่ควบคุมได้สำหรับการดูแลรักษาไบโอรีแอคเตอร์ ซึ่งรวมถึงแต่ไม่จำกัดเพียง ออกซิเจนที่ละลายอยู่ในน้ำ (dissolved oxygen), ค่า pH, อุณหภูมิ และการป้อนสารอาหาร