เหตุใดการควบคุมปริมาณออกซิเจนที่ละลายจึงส่งผลต่ออัตราการมีชีวิตรอดของเซลล์ในไบโอรีแอคเตอร์สำหรับการเพาะเลี้ยงเซลล์?
ผลกระทบของ DO ต่ออัตราการมีชีวิตรอด: ปฏิกิริยาแบบไม่เป็นเชิงเส้นที่เกิดข้ามเกณฑ์ความอิ่มตัวของอากาศ (30% เทียบกับ 50% เทียบกับ 70%)
ความสามารถในการมีชีวิตรอดของเซลล์ในไบโอรีแอคเตอร์สำหรับการเพาะเลี้ยงเซลล์แสดงปฏิกิริยาแบบไม่เป็นเชิงเส้นต่อปริมาณออกซิเจนที่ละลายอยู่ในสารละลาย (DO) โดยแสดงผลกระทบที่รุนแรงเมื่อค่า DO ต่ำกว่าเกณฑ์ที่กำหนดไว้โดยเฉพาะ งานวิจัยได้แสดงให้เห็นว่า เมื่อความอิ่มตัวด้วยอากาศต่ำกว่า 50% ความสามารถในการมีชีวิตรอดของเซลล์จะลดลงอย่างมีนัยสำคัญ โดยที่ความอิ่มตัวด้วยอากาศที่ 30% ส่งผลให้ความสามารถในการมีชีวิตรอดอยู่ที่ 22% เมื่อเทียบกับกรณีที่ความอิ่มตัวด้วยอากาศอยู่ที่ 50% (Hanson et al., 2022) นอกจากนี้ การเพิ่มค่า DO จาก 50% ถึง 70% ของความอิ่มตัวด้วยอากาศจะส่งผลให้ความสามารถในการมีชีวิตรอดเพิ่มขึ้นน้อยมาก คือเพิ่มขึ้นไม่ถึง 5% เท่านั้น แต่กลับทำให้ความเครียดจากปฏิกิริยาออกซิเดชัน (oxidative stress) เพิ่มขึ้นพร้อมกันด้วย ซึ่งบ่งชี้ว่ามีช่วงความอิ่มตัวด้วยอากาศที่เหมาะสมและแคบมาก อยู่ระหว่าง 40% ถึง 60% ซึ่งในช่วงนี้เซลล์จะมีความสามารถในการมีชีวิตรอดสูงสุดโดยมีความเสี่ยงต่ำสุดต่อความไม่สมดุลของกระบวนการเมแทบอลิซึม
ค่า DO ที่ตั้งไว้ ความสามารถในการมีชีวิตรอดสัมพัทธ์ ผลกระทบต่อกระบวนการเมแทบอลิซึม
30% ⬇️ 78% ภาวะขาดออกซิเจนอย่างรุนแรง ระดับ ATP ลดลง
50% ⬆️ 95–100% การหายใจที่สมดุล
70% ⬇️ 92–97% ระดับ ROS สูงขึ้น การแตกหักของดีเอ็นเอ
หากระดับ DO ยังคงอยู่ในช่วงที่เหมาะสมเป้าหมายที่ 40%–60% จะช่วยป้องกันวิกฤตการณ์ด้านพลังงานและความเสียหายจากอนุมูลอิสระ
พื้นฐานทางสรีรวิทยา: ระดับ DO ที่เลียนแบบภาวะขาดออกซิเจน (4–10% O₂)
ระดับ DO ที่เลียนแบบภาวะขาดออกซิเจนที่ความเข้มข้น 4–10% O₂ (หรือความอิ่มตัวของออกซิเจนในอากาศ 8–20%) เทียบเท่ากับระดับออกซิเจนที่มีอยู่ในเนื้อเยื่อจริง ปัจจัยที่ถูกกระตุ้นภายใต้ภาวะขาดออกซิเจน (HIFs) จะถูกเปิดใช้งาน ส่งผลให้เมแทบอลิซึมของเซลล์เปลี่ยนแปลงไป เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพของการเผาผลาญแบบไกลโคไลซิสและหน้าที่ต้านออกซิเดชัน รวมทั้งลดระดับ ROS ลง 40% เมื่อเทียบกับสภาวะปกติที่มีออกซิเจนเพียงพอ (Semenza et al., 2021) ที่สำคัญคือ การหายใจของไมโทคอนเดรียยังคงดำเนินการได้อย่างสมบูรณ์ ทำให้ความสามารถในการดำรงชีวิตของเซลล์และกิจกรรมเมแทบอลิซึมของเซลล์ดีขึ้น ขณะที่ระดับแลคเตทลดลง ผลลัพธ์สุดท้ายคือ สมดุลของเมแทบอลิซึม ซึ่งหมายถึง ปริมาณออกซิเจนที่จัดหาให้สอดคล้องกับความต้องการอย่างแม่นยำ จึงหลีกเลี่ยงการตายของเซลล์ที่เกิดจากภาวะขาดออกซิเจน (hypoxic cell death) และการตายของเซลล์ที่เกิดจากภาวะมีออกซิเจนมากเกินไป (hyperoxic cell death)
กลยุทธ์การควบคุม DO แบบรับรู้ได้:\n\nเซ็นเซอร์วัด DO: แบบออปติคัล เทียบกับแบบโพลาโรกราฟิก\n\nเซ็นเซอร์แบบออปติคัลสามารถวัดระดับออกซิเจนที่ละลายในน้ำ (DO) ได้อย่างเชื่อถือได้ภายในช่วง ±1% ของความอิ่มตัวด้วยอากาศ โดยมีการเปลี่ยนแปลงค่า (drift) น้อยมาก และต้องการการสอบเทียบเพียงเล็กน้อย ในทางกลับกัน โพรบที่ใช้หลักการโพลาโรกราฟิกยังคงเป็นทางเลือกที่มีราคาถูกกว่า แต่ให้ความน่าเชื่อถือต่ำกว่า เนื่องจากมีการเปลี่ยนแปลงค่าระหว่าง 2% ถึง 5% และต้องทำการสอบเทียบใหม่บ่อยขึ้นถึง 50% การสอบเทียบซ้ำเหล่านี้ส่งผลให้เกิดความเสี่ยงสูงต่อการปนเปื้อน เนื่องจากมักสูญเสียสื่ออาหาร (nutrient medium) ไป ส่งผลให้เซลล์มีระดับความเครียดสูงขึ้นจนทำให้อัตราการมีชีวิตรอดลดลงเหลือเพียง 15% เซ็นเซอร์วัด DO จึงพิสูจน์แล้วว่ามีความน่าเชื่อถือสูง และรองรับการควบคุม DO ซึ่งมีความสำคัญยิ่งต่อการรักษาความสมบูรณ์ของสายพันธุ์เซลล์ที่มีค่าสำหรับกระบวนการผลิตชีวภาพแบบควบคุม\n\nระบบควบคุมแบบวงจรปิด: การควบคุม DO ร่วมกับการควบคุมอัตราการไหลของก๊าซ\n\nการควบคุม DO จะยังคงพัฒนาและปรับตัวตามการเปลี่ยนแปลงของเทคโนโลยีการผลิตชีวภาพอย่างต่อเนื่อง ระบบควบคุมแบบ PID ซึ่งเป็นมาตรฐานอุตสาหกรรมสามารถรองรับการเปลี่ยนแปลงระดับ DO ได้อย่างรวดเร็ว ความก้าวหน้าด้านความเร็วและประสิทธิภาพในการควบคุมจะเห็นได้ชัดเจนยิ่งขึ้นในช่วงการเจริญเติบโตแบบทวีคูณ (exponential growth) โดยระดับมวลชีวภาพ (biomass) จะกำหนดค่า DO ที่ต้องการ (DO Setpoint) วารสาร Biotech Control Journal (2023) ระบุว่า อัตราการถ่ายโอนออกซิเจนเพิ่มขึ้นสามเท่าเมื่อพารามิเตอร์อื่นๆ คงที่ และอัตราการมีชีวิตรอดลดลงน้อยกว่า 5%
การเพิ่มประสิทธิภาพการถ่ายโอนออกซิเจนสูงสุด: การปรับแต่งค่า KLa ในการใช้ไบโอรีแอคเตอร์สำหรับการเพาะเลี้ยงเซลล์
ผลกระทบของอัตราการสั่นสะเทือน มุมการสั่น และปริมาตรของสารละลายต่อการถ่ายโอนมวลและความมีชีวิตของเซลล์ในไบโอรีแอคเตอร์แบบใช้ครั้งเดียว
ในกรณีของไบโอรีแอคเตอร์สำหรับการเพาะเลี้ยงเซลล์แบบใช้ครั้งเดียว ค่า KLa (สัมประสิทธิ์การถ่ายโอนมวลเชิงปริมาตรของออกซิเจนในของเหลว) จะถูกกำหนดโดยพลวัตของการสั่นสะเทือน มากกว่าการคนผสม โดยอัตราการสั่น มุมการสั่น และปริมาตรการบรรจุสารละลายมีปฏิสัมพันธ์กันแบบไม่เป็นเชิงเส้น ส่งผลทั้งต่อการจัดหาออกซิเจนในของเหลวและต่อความเครียดเชิงกลที่เซลล์ได้รับ
- การเพิ่มอัตราการสั่นสะเทือนสัมพันธ์กับการเพิ่มขึ้นแบบเอกซ์โพเนนเชียลของค่า KLa และดังนั้นจึงส่งผลให้การจัดหาออกซิเจนเพิ่มขึ้น เนื่องจากการระบายอากาศที่ผิวหน้าของของเหลวเพิ่มขึ้น อย่างไรก็ตาม เมื่ออัตราการสั่นเกิน 25 รอบต่อนาที แรงเฉือนจากไฮโดรไดนามิกที่เกิดขึ้นจะทำให้เซลล์ที่ไวต่อแรงเฉือนสูญเสียความมีชีวิต (15–30%)
- มุมการสั่นแบบรอก (rocking angle) ที่มากขึ้น (7° - 12°) สัมพันธ์โดยตรงกับการเพิ่มขึ้นของพื้นที่ผิวระหว่างก๊าซกับของเหลว อย่างไรก็ตาม การเพิ่มขึ้นนี้จำเป็นต้องควบคุมปริมาตรการบรรจุอย่างเข้มงวด เนื่องจากปริมาตรการบรรจุที่มากเกินไป (> 40%) จะยับยั้งการฟื้นฟูพื้นผิว ในขณะที่การบรรจุน้อยเกินไป (< 20%) จะเพิ่มความเครียดเชิงกลต่อเซลล์
- ผลการศึกษาเชิงประจักษ์แสดงให้เห็นว่า มุมการสั่นแบบรอกที่ 15° - 20° ที่อัตรา 15-20 รอบต่อนาที ร่วมกับปริมาตรการบรรจุที่ 30-35% จะให้ค่า KLa อยู่ที่ 4 - 10 ชั่วโมง⁻¹ อย่างสม่ำเสมอ และรักษาความสามารถในการมีชีวิตของเซลล์ไว้ได้สูงกว่า 90%
ควรสังเกตว่า การเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยจะต้องใช้การปรับแก้ที่มีขนาดใหญ่กว่า ตัวอย่างเช่น การลดปริมาตรการบรรจุลง 10% จะต้องเพิ่มอัตราการสั่นแบบรอกขึ้น 5 - 8% เพื่อให้ได้ค่า KLa เท่าเดิม
การไม่จัดแนวให้เหมาะสมส่งผลเสียโดยตรงต่อต้นทุน โดยผลการศึกษาของสถาบัน Ponemon ปี 2023 รายงานว่า ค่าเฉลี่ยของความสูญเสียต่อแต่ละรอบการผลิตที่เกิดจากความล้มเหลวจากการปรับค่า KLa ไม่เหมาะสมอยู่ที่ 740,000 ดอลลาร์สหรัฐ
คำถามที่พบบ่อย
คำถาม: ระดับออกซิเจนที่ละลายในน้ำ (dissolved oxygen) ที่เหมาะสมที่สุดสำหรับการรักษาความสามารถในการมีชีวิตของเซลล์ในไบโอรีแอคเตอร์คือเท่าใด?
A: ระดับออกซิเจนที่ละลายได้เหมาะสมที่สุดในไบโอรีแอคเตอร์คือ 40–60% ของความอิ่มตัวด้วยอากาศ ระดับที่สูงกว่า 60% อาจทำให้เซลล์ตายได้เนื่องจากการเกิด
Q: ข้อได้เปรียบของเซ็นเซอร์แบบออปติคัลเปรียบเทียบกับโพรบที่ใช้หลักการโพลาโรกราฟิกสำหรับการตรวจสอบปริมาณออกซิเจนที่ละลายได้มีความแตกต่างกันอย่างไร?
A: เมื่อเปรียบเทียบการตรวจสอบปริมาณออกซิเจนที่ละลายได้ด้วยสองวิธีนี้ เซ็นเซอร์แบบออปติคัลมีประสิทธิภาพสูงกว่ามาก ความแม่นยำในการวัดของเซ็นเซอร์เหล่านี้อยู่ภายใน 1% และอัตราการเปลี่ยนแปลงค่า (drift rate) อยู่ที่ประมาณ 0.5% ต่อเดือน นอกจากนี้ยังต้องทำการสอบเทียบ (calibration) เพียงทุกๆ 6 เดือน ในทางกลับกัน เซ็นเซอร์แบบออปติคัลมีราคาแพงกว่า อย่างไรก็ตาม อัตราการเปลี่ยนแปลงค่าของโพรบที่ใช้หลักการโพลาโรกราฟิกอยู่ที่ประมาณ 2–5% ต่อเดือน และจำเป็นต้องทำการสอบเทียบใหม่ทุกสัปดาห์
Q: ทำไมอัตราการสั่นแบบร็อกกิ้ง (rocking rate) จึงมีความสำคัญต่อไบโอรีแอคเตอร์แบบใช้ครั้งเดียวทิ้ง?
A: อัตราการสั่นของไบโอรีแอคเตอร์แบบใช้ครั้งเดียวเป็นวิธีหลักในการส่งเสริมการถ่ายโอนมวล อย่างไรก็ตาม หากอัตราการสั่นสูงเกินไปอาจทำให้เซลล์ได้รับความเสียหาย โดยเฉพาะเซลล์ที่ปลูกแบบลอยตัว (suspension cells) และสายพันธุ์เซลล์ที่ไวต่อแรงเฉือนมากเป็นพิเศษ
Q: ข้อดีของการชดเชยอัตราการถ่ายโอนออกซิเจน (OTR) แบบฟีดฟอร์เวิร์ดคืออะไร
A: การชดเชยอัตราการถ่ายโอนออกซิเจน (OTR) แบบฟีดฟอร์เวิร์ดมีประโยชน์เนื่องจากช่วยให้ระดับออกซิเจนที่ละลายอยู่ในสารละลายสูงเพียงพอต่อการเจริญเติบโตของเซลล์โดยไม่มีข้อจำกัด ข้อเสียหลักของไบโอรีแอคเตอร์คืออัตราการเจริญเติบโตของเซลล์อาจผันแปรมาก ซึ่งหมายความว่าระดับออกซิเจนอาจลดลงจนถึงระดับอันตรายหากไม่มีการจัดหาออกซิเจนอย่างเพียงพอ โดยการวัดมวล