Tegangan geser dapat menentukan keberhasilan atau kegagalan produksi daging budidaya. Mengapa? Karena sel yang digunakan tidak memiliki dinding pelindung, membuatnya rentan terhadap kerusakan dari gaya fluida dalam bioreaktor. Artikel ini membahas bagaimana tegangan geser mempengaruhi sel-sel ini, ambang batas yang dapat mereka tangani, dan cara merancang sistem yang melindungi mereka.
Poin penting:
- Tegangan geser muncul dari pergerakan fluida dan dapat merusak sel hewan yang rapuh, menyebabkan kerusakan membran, pelepasan, atau kematian.
- Kebanyakan sel mamalia dapat mentoleransi 0.3–1.7 Pascals, tetapi bahkan tingkat yang lebih rendah dapat mengaktifkan respons stres.
- Pilihan desain seperti jenis impeller, metode aerasi, dan geometri bioreaktor secara langsung mempengaruhi gaya geser.
- Strategi untuk meminimalkan kerusakan termasuk menggunakan desain bioreaktor yang lebih lembut (e.g. , sistem airlift atau rocking), mengoptimalkan kecepatan agitasi, dan menambahkan agen pelindung seperti Pluronic F68.
Untuk daging yang dibudidayakan, mengelola keseimbangan ini sangat penting untuk memastikan sel tumbuh dan berdiferensiasi tanpa kerusakan, terutama saat produksi meningkat. Mari kita jelajahi ilmu di balik ambang batas ini dan solusi praktis untuk desain bioreaktor.
110: Berputar Seperti Bumi: Merancang Bioreaktor Rendah Gesekan untuk Budaya Sel yang Lebih Baik dengan Olivier De...
Apa yang Mempengaruhi Tegangan Geser di Bioreaktor
Memahami faktor-faktor yang mempengaruhi tegangan geser di bioreaktor sangat penting untuk mengoptimalkan kondisi, terutama ketika sel-sel yang rapuh terlibat. Mari kita selami elemen utama yang membentuk intensitas dan distribusinya.
Desain dan Kondisi Operasi Bioreaktor
Desain bioreaktor memainkan peran utama dalam menentukan di mana dan bagaimana tegangan geser terjadi. Salah satu faktor kunci adalah jenis impeller yang digunakan.Misalnya, turbin Rushton dapat menciptakan tingkat disipasi energi hingga 280 kali lebih tinggi dari rata-rata wadah, sementara impeler aliran aksial efisiensi tinggi seperti HE3 menghasilkan tingkat yang mendekati 180 kali rata-rata disipasi [4]. Elemen desain lainnya, seperti diameter impeler, kecepatan, dan posisi, juga mempengaruhi distribusi energi.
Menariknya, aerasi memperkenalkan gaya yang jauh lebih keras daripada agitasi. Ketika gelembung kecil (1–2 mm) pecah, mereka melepaskan tingkat energi antara 10⁷–10⁹ W/m³, yang dapat membunuh lebih dari 1.000 sel dalam satu kejadian [4]. Ini membuat perilaku gelembung menjadi pertimbangan penting, terutama dalam produksi daging yang dibudidayakan.
Baffle adalah elemen desain kunci lainnya. Mereka mencegah pembentukan pusaran dalam kultur, yang sebaliknya akan menarik gelembung ke dalam cairan dan meningkatkan kejadian pecah di permukaan [4]. Selain itu, rasio diameter impeller terhadap bejana dan ketinggian impeller dari dasar mempengaruhi bagaimana energi menyebar ke seluruh bioreaktor.
Distribusi Tegangan Geser yang Tidak Merata
Tegangan geser tidak terdistribusi merata di seluruh bioreaktor. Penelitian menunjukkan bahwa disipasi energi cenderung terkonsentrasi di sekitar zona-zona tertentu, seperti area pelepasan impeller, vorteks yang mengikuti, dan permukaan cairan tempat gelembung pecah. Titik-titik panas ini dapat menimbulkan tantangan selama peningkatan skala.
Weiwei Hu dari Biogen Idec menyoroti masalah peningkatan skala ini:
Persepsi 'sensitivitas geser' secara historis telah menempatkan batas atas yang sewenang-wenang pada agitasi dan aerasi dalam operasi bioreaktor; namun, seiring dengan meningkatnya kepadatan sel dan produktivitas, persyaratan transfer massa dapat melebihi batas rendah sewenang-wenang tersebut [4].
Misalnya, sebuah studi tahun 2021 oleh Junxuan Zhang dan Xueliang Li dari Jiangnan University membandingkan labu pemutar 250 mL dengan reaktor tangki berpengaduk 20 m³ menggunakan dinamika fluida komputasional. Mereka mengamati bahwa bahkan pada kecepatan pengadukan terendah, gaya geser di reaktor yang lebih besar cukup kuat untuk melepaskan sel dari mikropembawa, dengan sparging memperkenalkan lebih banyak tekanan daripada pengadukan [3].
Format Kultur dan Sensitivitas Geser
Format kultur juga menentukan bagaimana sel mengalami tekanan geser. Sel yang tumbuh pada mikropembawa sangat rentan. Jika pencampuran intens atau tabrakan antara pembawa menyebabkan sel terlepas, sel-sel tersebut secara efektif hilang [4]. Di sisi lain, kultur suspensi sel hibridoma telah menunjukkan ketahanan, mempertahankan viabilitas pada kecepatan agitasi setinggi 1.500 RPM dalam bioreaktor bersekat tanpa antarmuka udara-cair [4].
Sistem kultur yang berbeda menangani gesekan dengan berbagai cara. Bioreaktor tempat tidur tetap meminimalkan gesekan dengan menjaga sel tetap terikat pada permukaan yang tidak bergerak, sementara tempat tidur terfluidisasi memperkenalkan gesekan sedang hingga tinggi melalui pergerakan mikrokari dan aliran fluida ke atas [2]. Beberapa mikrokari, terutama yang berpori, menawarkan permukaan internal yang dapat melindungi sel dari gaya ekstrem, memberikan perlindungan yang lebih baik dibandingkan dengan mikrokari padat [2]. Perbedaan ini menyoroti perlunya menyeimbangkan pengiriman nutrisi dengan risiko kerusakan sel secara hati-hati saat merancang bioreaktor.
Ambang Tegangan Geser untuk Berbagai Jenis Sel
Ambang Toleransi Tegangan Geser untuk Jenis Sel Daging Budidaya
Mengelola tegangan geser sangat penting untuk produksi daging budidaya, karena tegangan yang tidak merata dapat merusak sel yang tidak memiliki dinding sel yang kuat. Memahami tingkat tegangan spesifik yang dapat ditoleransi oleh setiap jenis sel membantu menjaga kesehatan sel, memicu respons mekanosensitif, atau mendorong diferensiasi.
Nilai Ambang untuk Jenis Sel Umum
Toleransi tegangan geser bervariasi secara signifikan di antara jenis sel, dan mengetahui ambang ini adalah kunci untuk menyempurnakan pengaturan bioreaktor.
Misalnya, mioblas daging budidaya seperti garis C2C12 berkembang dengan baik di bawah tegangan geser rendah. Tegangan siklik sekitar 1.68 mPa meningkatkan pembentukan dan fusi miotube [8] . Sel punca yang berasal dari otot tikus (MDSCs) menunjukkan diferensiasi myogenik yang lebih baik dan pembentukan myotube yang lebih luas ketika terpapar 16 mPa [8] . Seiring myoblast matang menjadi myotube, mereka dapat menangani tingkat stres yang lebih tinggi; stres berdenyut antara 400 mPa dan 1,400 mPa mengaktifkan jalur yang mengatur ukuran serat otot, yang berpotensi menyebabkan hipertrofi [8] .
Sel punca mesenkimal (MSCs) juga merespons secara unik. Sebagai contoh, MSC anjing yang terpapar stres geser antara 100 mPa dan 1,500 mPa meningkatkan penanda endotel seperti PECAM-1 dan VE-cadherin sambil menurunkan penanda otot polos [10] .
Tabel Perbandingan Ambang Batas Tegangan Geser
Berikut adalah perbandingan cepat ambang batas tegangan geser di berbagai jenis sel daging budidaya:
| Jenis Sel | Ambang Batas Tegangan Geser (mPa) | Efek yang Diamati | Sumber |
|---|---|---|---|
| Sel Mamalia (Umum) | 300–1,700 | Kisaran dasar; tingkat di atas ini dapat menyebabkan kerusakan sel atau apoptosis | [1] |
| C2C12 Myoblasts (Adherent) | ~1.68 | Peningkatan kelangsungan hidup dan peningkatan pembentukan miotube | [8] |
| Mouse MDSCs (Adherent) | ~16 | Diferensiasi yang ditingkatkan dan pembentukan miotube yang luas | [8] |
| C2C12 Myotubes (Adherent) | 400–1,400 | Aktivasi jalur yang mengatur ukuran serat otot (potensi hipertrofi) | [8] |
| Canine MSCs | 100–1,500 | Peningkatan ekspresi penanda endotel, pengurangan penanda otot polos | [10] |
| Sensor Permukaan Sel (Integrin) | 100–1,000 | Aktivasi saluran ion mekanosensitif dan reseptor | [1] |
Untuk konteks, mengaduk kultur pada 100–200 rpm dalam labu standar menghasilkan tingkat tegangan geser sebesar 300–660 mPa, sementara pengocok orbital yang berjalan pada 20–60 rpm menghasilkan gaya yang lebih tinggi berkisar dari 600 mPa hingga 1,600 mPa [1]. Sistem yang lebih lembut seperti bioreaktor goyang (±5° pada 1 Hz) menciptakan stres sekitar 90 mPa [9], dan bioreaktor klinostat beroperasi sekitar 10 mPa, tetap jauh di bawah ambang aktivasi untuk sensor permukaan sel yang peka terhadap mekanis [1].
Ambang ini berfungsi sebagai panduan untuk menyesuaikan kondisi bioreaktor, membantu menjaga lingkungan optimal selama fase peningkatan skala dan pertumbuhan sel.
sbb-itb-ffee270
Cara Mengurangi Kerusakan Stres Geser
Meminimalkan kerusakan stres geser dalam produksi daging budidaya adalah tentang mencapai keseimbangan yang halus. Tujuannya adalah untuk memastikan pencampuran dan pengiriman oksigen yang efisien sambil melindungi sel-sel sensitif dari kerusakan mekanis. Ini melibatkan kombinasi desain bioreaktor yang cerdas dan strategi operasional yang bijaksana.
Modifikasi Desain Bioreaktor
Menggunakan pemodelan CFD (Computational Fluid Dynamics) adalah langkah kunci dalam mengoptimalkan kinerja bioreaktor. Teknik CFD modern sekarang mencakup simulasi aliran multiphase, yang memperhitungkan interaksi antara sel dan mikrokarior. Ini menghasilkan penilaian yang lebih akurat terhadap tegangan geser dan potensi kerusakannya [5].
Jenis bioreaktor memainkan peran utama dalam menentukan tingkat tegangan geser. Meskipun reaktor tangki berpengaduk masih banyak digunakan, desain alternatif dapat menawarkan kondisi yang lebih lembut:
- Bioreaktor Airlift: Ini menghilangkan pengaduk mekanis, sebagai gantinya menggunakan sirkulasi yang diinduksi gas untuk mengurangi gesekan mekanis [5].
- Bioreaktor gelombang atau goyang: Dengan mengandalkan gerakan permukaan daripada impeller, ini ideal untuk kultur dengan kepadatan rendah hingga menengah yang memerlukan pencampuran lembut [5].
- Bioreaktor roda vertikal: Sangat efektif untuk kultur berbasis agregat, ini telah menunjukkan keberhasilan dalam mempertahankan viabilitas sel selama ekspansi agregat iPSC manusia [11].
Faktor penting lainnya adalah perilaku non-Newtonian dari suspensi sel. Misalnya, suspensi yang mengandung serum menunjukkan sifat shear-thinning, yang sering kali gagal ditangkap oleh model tradisional. Menggunakan model canggih, seperti model Sisko, memberikan prediksi tegangan geser yang lebih akurat, membantu menyempurnakan kekuatan mekanis dan menghindari ambang batas yang dapat mengubah ekspresi genetik [6].
Metode Penyemaian Sel dan Agitasi
Strategi operasional juga berperan besar dalam mengurangi kerusakan akibat stres geser. Misalnya, agitasi intermiten selama tahap awal penempelan sel dapat membatasi paparan geser sambil tetap memastikan distribusi nutrisi secara efektif. Penyesuaian agitasi memerlukan pertimbangan cermat terhadap faktor-faktor seperti kandungan serum, kepadatan sel, dan usia kultur [6].
Saat menentukan kecepatan agitasi, pemodelan CFD dapat membantu mengidentifikasi keseimbangan ideal - cukup transfer oksigen tanpa menyebabkan kerusakan mekanis. Simulasi terkompartementalisasi dapat lebih lanjut menyempurnakan distribusi stres geser, membuat proses lebih efisien [5].
Dampak pada Desain dan Skala Bioreaktor
Saat meningkatkan skala bioreaktor untuk produksi daging budidaya, memahami dan menerapkan ambang batas tegangan geser sangat penting. Ambang batas ini mempengaruhi keputusan tentang kecepatan impeller, desain sparger, dan parameter lainnya untuk memastikan kelangsungan hidup sel saat volume produksi meningkat.
Menetapkan Parameter Operasi Bioreaktor
Ambang batas tegangan geser memainkan peran kunci dalam mendefinisikan batas operasional. Misalnya, sel induk hematopoietik (HSC) memiliki ambang batas sekitar 0.092 Pa[12]. Menjaga di bawah level ini - seperti beroperasi pada 50 rpm, yang menghasilkan sekitar 0.068 Pa - mendukung ekspansi sel yang sehat, mencapai peningkatan 27.4 kali lipat. Namun, meningkatkan agitasi menjadi 100 rpm meningkatkan tegangan geser menjadi sekitar 0.192 Pa, mengakibatkan tingkat apoptosis 72% dan membatasi ekspansi hingga 24.5‐fold[12].
"Tegangan geser ambang untuk proliferasi dan fungsi HSC telah dilaporkan 0.092 Pa." – Hosseinizand et al. [12]
Kerusakan geser terjadi ketika pusaran turbulen menjadi lebih kecil dari sekitar dua pertiga diameter sel atau agregat[12][13]. Pada 50 rpm, pusaran berukuran sekitar 280 µm, yang aman untuk sel. Namun pada 100 rpm, pusaran menyusut menjadi 166 µm, meningkatkan risiko kerusakan mekanis.
Sparging memperkenalkan stres hidrodinamik tambahan. Gelembung kecil (diameter 1 mm) menghasilkan kecepatan fluida lokal sekitar 6.4 m/s selama pecah, sementara gelembung yang lebih besar 6 mm menghasilkan puncak yang lebih lembut sebesar 0.94 m/s[13]. Untuk mengatasi hal ini, aditif seperti Pluronic F68 digunakan untuk mencegah sel menempel pada permukaan gelembung.Namun, efektivitasnya bergantung pada menjaga konsentrasi yang tepat relatif terhadap luas permukaan gas [13].
Parameter-parameter ini penting saat beralih ke sistem bioreaktor yang lebih besar.
Mempertahankan Kondisi Selama Peningkatan Skala
Meningkatkan skala dari labu spinner 250 mL ke reaktor tangki berpengaduk 20 m³ memperkenalkan tantangan unik. Kondisi hidrodinamik dalam sistem skala kecil tidak langsung diterjemahkan ke volume industri. Bahkan mengoperasikan reaktor besar pada kecepatan pengadukan minimal dapat menghasilkan gaya geser yang cukup kuat untuk melepaskan sel dari mikrokariert[3].
"Bahkan ketika dioperasikan pada kecepatan pengadukan mendekati Njs, gesekan yang diberikan oleh impeller saja dapat menyebabkan pelepasan sel dari mikrokariert, sementara lebih banyak tekanan hidrodinamik diperkenalkan melalui sparging." – Zhang et al.[3]
Untuk menjaga kondisi geser yang konsisten selama peningkatan skala, salah satu pendekatannya adalah dengan menjaga kecepatan ujung impeller tetap konstan. Namun, ini dapat menyebabkan waktu pencampuran yang lebih lama dan pembentukan gradien nutrisi dan oksigen, yang dapat berdampak negatif pada pertumbuhan dan kinerja sel[3]. Modeling Computational Fluid Dynamics (CFD) menjadi penting untuk mengidentifikasi zona stres dan mengoptimalkan desain reaktor selama peningkatan skala[5].
Untuk lini sel yang sangat sensitif terhadap geseran, desain reaktor alternatif seringkali lebih cocok. Reaktor airlift, yang menghilangkan agitator mekanis, telah berhasil dimodelkan untuk volume hingga 300.000 L, mencapai kepadatan sel teoretis sebesar 2 × 10⁸ sel/mL[7]. Demikian pula, bioreaktor goyang menggunakan gerakan gelombang lembut untuk meminimalkan gesekan, membuatnya efektif untuk jalur benih hingga 500 L[14][15]. Platform seperti
Ringkasan dan Rekomendasi
Mengelola stres gesekan secara efektif sangat penting untuk menjaga kelangsungan hidup dan produktivitas sel dalam produksi daging budidaya. Penelitian menunjukkan bahwa pecahnya gelembung selama aerasi menciptakan gaya yang lebih merusak daripada pengadukan mekanis. Misalnya, gelembung kecil (1 mm) menghasilkan kecepatan fluida 6,4 m/s saat pecah, sedangkan gelembung yang lebih besar (6 mm) menghasilkan puncak yang lebih lembut sebesar 0,94 m/s [13]. Untuk meminimalkan kekuatan ini, tim pengadaan harus fokus pada bioreaktor yang dilengkapi dengan microsparger sinter (ukuran pori 15-μm), yang memungkinkan aerasi berdenyut dan mengurangi antarmuka gas-cair. Pertimbangan ini sangat penting untuk meningkatkan skala sistem bioreaktor.
Faktor penting lainnya adalah rasio skala eddy terhadap diameter sel (η/d_c), yang dapat membantu mengurangi kerusakan yang disebabkan oleh pengadukan. Sebuah studi yang dilakukan pada bulan Agustus 2017 oleh Institut Teknik Bioproses dan Teknologi Farmasi menyoroti hal ini. Menggunakan bioreaktor kaca Applikon 3-L dengan sel serangga Sf21, mereka menunjukkan bahwa impeller Rushton enam bilah pada 205 rpm, dikombinasikan dengan gelembung 199 μm, menghasilkan hasil protein GFP sebesar 12,75 μg/mL. Sebaliknya, impeller bilah miring pada 171 rpm, yang menghasilkan luas permukaan gas spesifik yang lebih tinggi sebesar 18,0 m²/m³, hanya menghasilkan 4,0 μg/mL [13]. Ini menunjukkan bahwa total luas permukaan gas lebih berpengaruh daripada kecepatan pengadukan.
Agen pelindung seperti Pluronic F68 (0,5–3 g/L) dapat membentuk lapisan pelindung 16–40 μm di sekitar gelembung, mencegah sel menempel [13]. Namun, seperti yang diamati oleh Tobias Weidner dan rekan-rekannya:
Jika luas permukaan [total gas] melebihi ambang batas tertentu, konsentrasi Pluronic tidak lagi cukup untuk melindungi sel [13].
Ini berarti insinyur harus memantau dengan cermat luas permukaan gas sehubungan dengan konsentrasi Pluronic F68 selama peningkatan skala untuk memastikan sel tetap terlindungi.
Untuk garis sel yang sensitif, desain reaktor alternatif dapat memberikan solusi. Reaktor airlift, misalnya, menghilangkan pengaduk mekanis, menciptakan lingkungan pencampuran yang lebih lembut [7]. Bioreaktor tempat tidur tetap adalah opsi lain, mampu mempertahankan tegangan geser dinding ultra-rendah berkisar antara 10⁻³ hingga 10⁻² Pa [17]. Untuk tim yang mengeksplorasi sistem geser rendah khusus, pemasok seperti
Selain itu, mempertahankan mioblas sapi di bawah 25 penggandaan populasi sangat penting untuk menjaga kapasitas diferensiasi mereka [16]. Melebihi ambang batas ini dapat menyebabkan penurunan indeks fusi sekitar 6,81% dengan setiap pasase [16], mengurangi kemampuan sel untuk membentuk serat otot. Untuk mengatasi hal ini, insinyur proses harus menggunakan pemodelan Computational Fluid Dynamics (CFD) untuk mengidentifikasi zona geser tinggi sebelum meningkatkan skala dari sistem laboratorium ke industri. Pendekatan ini memastikan transisi yang lebih mulus dan hasil yang lebih baik selama peningkatan skala.
FAQ
Bagaimana cara mengukur tegangan geser dalam bioreaktor saya?
Tegangan geser dalam bioreaktor sering dinilai menggunakan teknik pemodelan komputasi seperti Computational Fluid Dynamics (CFD). Metode ini memungkinkan analisis pola aliran dan identifikasi zona geser dalam bioreaktor. Selain itu, alat pengujian geser skala kecil sangat berguna untuk mengkarakterisasi seberapa sensitif garis sel tertentu dan untuk mengevaluasi berbagai kondisi proses. Untuk pemantauan berkelanjutan, tegangan geser dapat ditentukan dengan menghitung kecepatan dan viskositas fluida. Pendekatan ini sangat efektif dalam sistem mikrofluida atau dengan menggunakan kalkulator tegangan geser online.
Metode aerasi mana yang meminimalkan kerusakan akibat pecahnya gelembung?
Meminimalkan kerusakan akibat pecahnya gelembung sangat bergantung pada penggunaan gelembung yang lebih kecil. Gelembung ini menyebabkan kerusakan sel yang lebih sedikit jika dibandingkan berdasarkan volume-ke-volume.Meskipun teknik yang tepat tidak diuraikan, mengelola ukuran dan perilaku gelembung - seperti mengatur ukurannya - memainkan peran penting dalam mengurangi efek berbahaya dari pecahnya gelembung.
Apa yang harus saya pertahankan konstan saat meningkatkan skala untuk mengurangi gesekan?
Saat meningkatkan ukuran bioreaktor daging yang dibudidayakan, penting untuk menjaga tegangan geser di bawah sekitar 3 Pa untuk mencegah kerusakan pada sel. Perhatikan dengan seksama faktor-faktor seperti pengadukan, pola aliran, dan aerasi untuk memastikan tingkat gesekan tetap konsisten selama operasi.
