攪拌は培養肉の生産において重要であり、細胞が酸素と栄養を受け取り、廃棄物の蓄積を避けることを保証します。しかし、過度の攪拌は細胞の剥離、膜の損傷、成長の減少などの問題を引き起こします。特に大規模なバイオリアクターでは、わずかな調整でも生産に影響を与えるため、適切なバランスを取ることが不可欠です。
主なポイント:
- 最適な攪拌: 研究によると、撹拌槽型リアクターでは60 rpmが栄養供給とせん断応力のバランスを取るのに理想的です。
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バイオリアクターの種類:
- 撹拌槽型: 効果的な混合が可能ですが、高いせん断応力のリスクがあります。
- ウェーブバイオリアクター: 穏やかな混合が可能ですが、酸素移動に制限があります。
- エアリフトシステム: 均一な混合と低ストレスが可能ですが、正確な制御が必要です。
- 保護措置: ポロキサマー188のような添加剤と泡のない酸素化が細胞の損傷を軽減します。
- スケーリングの課題: 大規模なシステムはせん断リスクを増加させ、正確な監視とCFDモデリングが必要です。
培養肉の生産をスケールアップする際には、細胞の完全性を保護しながら正確な攪拌制御を維持することが重要です。
攪拌が細胞の成長と生存に与える影響
最近の研究が示すこと
最近の研究では、細胞の成長と生存に影響を与える特定の攪拌の閾値が特定されています。例えば、100 mLの撹拌槽型バイオリアクターでFS-4細胞をマイクロキャリア上で使用したABM-CFD研究では、60 rpmが最適な混合速度であることが明らかになりました。この速度では、栄養素と酸素が均等に分布し、せん断応力は0–80 mPaの範囲に留まります。しかし、60 rpmを超えると、力の増加により細胞の損傷や剥離が発生します。220 rpmでは、インペラーレイノルズ数が1,444から5,294.7に急上昇し、乱流への移行を示しています。この乱流は、マイクロキャリアよりも小さい渦を生成し、細胞やその膜に害を及ぼす可能性があります [2].
ヒト臍帯由来間葉系幹細胞に焦点を当てた別の研究では、攪拌強度のわずかな増加でも接着率が大幅に低下することが強調されました。これは、接着細胞が機械的ストレスに対して非常に敏感であることを示しています[6].
これらの発見は、混合速度を正確に調整することの重要性を強調しており、これは継続的な改良の重要な分野であり続けています。
適切な混合強度の見つけ方
主な課題は、マイクロキャリアを懸濁させるために必要な最小攪拌速度 (N<sub>js</sub>) を剪断応力の限界を超えずにバランスを取ることです。肉細胞にとって理想的な条件は、エネルギー散逸率が約1 mW·kg⁻¹で、混合時間が10秒未満であることです [1]。
「細胞に過度の機械的ストレスを与えずに、細胞にとって好ましいミクロおよびマクロ環境を維持するには、バイオリアクターの設計とプロセスの革新と最適化が必要です」[2]。
過度の攪拌は、ストレスが臨界閾値を超えたときの即時の細胞死と、累積的なストレスによる静止状態の2つの有害な影響を及ぼす可能性があります。どちらの結果も生産性を妨げます。これにより、攪拌強度の正確な制御が商業的成功のための重要な要素となります。特に大規模生産においては、20 m³のような大容量システムでは、わずかな攪拌でも細胞の剥離を引き起こす可能性があり、細胞の生存率を維持しながらスケールアップすることの複雑さが浮き彫りになります。
バイオリアクター入門：混合、攪拌&せん断
バイオリアクターの混合方法とその影響
培養肉生産のためのバイオリアクタータイプの比較
異なるバイオリアクターシステムの比較
バイオリアクターの設計は、栄養分の分布を均衡させ、機械的ストレスを管理する上で重要な役割を果たします。各タイプのバイオリアクターは、細胞の生存率と生産性に直接影響を与える独自の混合条件を作り出します。適切なシステムを選ぶことは、効率的な栄養供給と細胞に害を及ぼす可能性のある機械的力を最小限に抑えることのバランスを見つけることを意味します。
撹拌槽型バイオリアクターは、培養を混合するために機械的なインペラーに依存しています。ラシュトンインペラーは放射状の流れを生み出し、特にインペラーチップの近くで局所的なせん断ゾーンを形成します。対照的に、ピッチドブレードおよびマリンブレードのインペラーは、より穏やかな流れを作り出し、繊細な哺乳類細胞に適しています。2025年3月に上海の生物反応器工学国家重点実験室 で行われた研究では、撹拌タンクと軌道振動バイオリアクターにおけるCHO-K1 細胞の性能を比較しました。撹拌タンクシステムは520 rpmで71.6 × 10⁶ cells/mLを達成し、軌道振動システムはわずか100 rpmで83 × 10⁶ cells/mLに達しました [4]。
ウェーブ（ロッキング）バイオリアクターはインペラーを完全に排除し、トレイの上で揺れる使い捨てバッグを使用して混合のための穏やかな波を作り出します。この低せん断環境は壊れやすい細胞株に理想的です。しかし、これらのシステムは表面曝気に依存しているため、高密度培養における酸素移動が制限される可能性があります。効果的な波の形成を維持するために、作業容量はバッグの総容量の50%に制限されています [7]。
エアリフトバイオリアクターは、ガススパージングがライザーとダウンカマーの間で液体を循環させる空気圧混合を使用します。内部に可動部品がないため、エアリフトシステムは、撹拌タンクと比較して均一なエネルギー散逸と低いせん断力を提供します。ウェーブバイオリアクターとは異なり、エアリフト設計は効率的な循環により、より良い酸素移動を提供します[7] .
| バイオリアクタータイプ | 混合メカニズム | せん断応力 | 達成された細胞密度 | 主な制限 |
|---|---|---|---|---|
| 撹拌タンク | 機械的インペラー | 高い（局所的） | 71.6 × 10⁶ cells/mL | インペラーチップの損傷リスク |
| 軌道シェイク | 容器の回転 | 中程度 | 83 × 10⁶ cells/mL | せん断応力のピーク |
| 波（ロッキング） | 水平ロッキング | 非常に低い | 高い | 酸素移動が制限される |
| エアリフト | ガススパージング | 低い（均一） | 高い | 正確なガス制御が必要 |
"撹拌槽型リアクターでは... 局所的なインペラーミキシングが大きなせん断勾配を生み出し、細胞が機械的ストレスを受ける原因となります。" – Cellexus [7]
バイオリアクターのスケールアップに伴い、混合効率と細胞保護のトレードオフがより明確になります。撹拌槽システムは栄養素の分配に非常に効果的ですが、高せん断ゾーンでの細胞損傷を避けるために慎重な速度調整が必要です。一方、波動およびエアリフトバイオリアクターは、より穏やかな混合を提供し、せん断応力のリスクを軽減しますが、密集した培養における酸素供給に苦労する可能性があります。これらの比較は、細胞の完全性を保護しながら大規模なバイオプロセスを最適化するために必要な微妙なバランスを強調しています。
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せん断応力の低減と細胞成長の改善
新しいバイオリアクターデザインと保護添加剤
せん断応力を最小限に抑えることは、培養肉生産における細胞成長を促進するために不可欠です。バイオリアクターの設計における革新と保護添加剤の使用により、細胞の生存率と混合効率が大幅に向上しました。軌道的に振動するバイオリアクターを使用する有望なアプローチでは、インペラ駆動の混合や気泡破裂による損傷を避けるために、容器の動きと表面曝気に依存しています。これらのシステムは、従来の撹拌タンクシステムの71.6 × 10⁶ cells/mLと比較して、83 × 10⁶ cells/mLという印象的な結果を示しています[4] .
撹拌タンクシステムでは、インペラの形状も違いを生みます。ラジアルラシュトンインペラは、細胞が「静かな」ゾーンで回復できる流れのパターンを作り出し、高い剪断力の影響を軽減します。TTPの研究者が観察したように:
ラジアルラシュトンインペラリアクター内の細胞は、ダブルアクシャルインペラシステム内の細胞とは異なり、静かなフェーズで回復します[5].
培養肉生産で最適な結果を得るためには、インペラ先端速度を0.6–1.8 m/s は細胞成長を保護するために推奨されます[9] 。
ポロキサマー188（Pluronic F-68）のような保護添加剤は、気液界面での表面張力を低下させ、泡の形成と破裂時に細胞を損傷から守ることで重要な役割を果たします。ポロキサマー188の理想的な濃度は1 g/Lであり、それ以上の量はほとんど追加の利益を提供しません[9]。マイクロキャリア上で成長する接着細胞の場合、断続的な攪拌レジームが結果をさらに向上させることができます。例えば、播種段階で30分OFF、5分ONのパターンを使用することで、ビーズ間の移動を促進しながら流体力学的ストレスを最小限に抑えます。このアプローチにより、ウシ衛星細胞は3 × 10⁶ cells/mL [3] の密度に達することができました。
これらの設計および添加戦略に加えて、酸素供給を改善することで、せん断応力をさらに低減できます。
バブルフリー酸素化の使用
バブルフリー酸素化は、細胞をせん断損傷から保護するためのもう一つの効果的な方法です。気液界面でのバブル破裂は、10⁶から10⁸ W/m³という非常に高いエネルギー散逸率を生成する可能性があり、ほとんどの哺乳類細胞が耐えられる致死閾値の10⁴ W/m³をはるかに超えます[9] 。バブルを排除することで、この方法は高密度培養を保護するのに役立ちます。
軌道シェーカーやロッキングバイオリアクターで一般的に使用される表面曝気は、せん断力を低減するのに特に効果的です。最近の研究で強調されているように:
OSBは、従来のインペラーブレードや気泡の形成または破壊によって引き起こされる剪断損傷を効果的に軽減するために、容器の体の動きと表面曝気を利用します[4].
ロッキングバイオリアクターは、培養肉の生産にも有望です。使い捨て可能、低い運用コスト、穏やかな流体力学的環境などの利点を提供します[8].
しかし、表面曝気は非常に高い細胞密度では課題に直面します。例えば、軌道的に振動するバイオリアクターは、20.12 h⁻¹の酸素物質移動係数（kLa）を100 rpmで達成し、理論的には118 × 10⁶ cells/mLまでの細胞密度をサポートします。実際には、細胞密度が 80 × 10⁶ cells/mLを超えると、懸濁液の粘度が増加し、非ニュートン的な剪断薄化挙動を示し、酸素移動効率が低下します。これは、細胞密度が上昇するにつれて慎重な最適化が必要であることを強調しています。
大規模生産のための攪拌制御
混合速度の調整とモニタリングシステム
大規模システムでは、攪拌を正確に制御することが重要です。最初の24時間は、細胞がマイクロキャリアに付着するのを最適化するために、混合速度を30–50 rpmに保つことが推奨されます[6] 。華東理工大学の2022年6月の研究は、このアプローチの重要性を強調しています：45 rpmで、ヒト臍帯由来間葉系幹細胞が98。68% の付着率は1日目であり、速度を55 rpmに上げると付着率は 51.32%に急落しました [6] 。
付着段階の後、攪拌は細胞の凝集を防ぐために、わずかに懸濁速度 (N₍JS₎) を超えるべきです。研究によると、1.3 × N₍JS₎ 付近の攪拌強度を維持することが細胞の成長をサポートし、これを2 × N₍JS₎に超えると付着効率の低下により成長が妨げられることが示されています [10] 。
運用マージンが狭いため、継続的な監視が重要です。BioStar 1.5c バイオリアクターのようなシステムは、溶存酸素 (DO) とpHプローブからのリアルタイムフィードバックに基づいて攪拌とガス流量を調整する高度なソフトウェアを使用しています[6]。光学DOセンサーはここで重要な役割を果たし、DOレベルが設定された閾値、通常は40%を下回った場合にのみ攪拌を微調整するための精度を提供し、剪断応力を最小限に抑えます[7] [6]。東中国チームはこの方法をMettler Toledoプローブを使用して採用し、DOを40%、pHを7.2に維持しました。このアプローチにより、最大細胞密度27.3 × 10⁵ cells/mLが達成され、標準的なバッチ培養技術に比べて2.9倍の改善が見られました [6]。
スケールアップする際には、計算流体力学（CFD）モデルが、剪断限界を超えずにマイクロキャリアを懸濁させるための最適なインペラ速度を決定するのに非常に有用です[10][6]。単に容器間でrpmを一致させるのではなく、CFD解析はリアクター間で体積平均剪断ひずみ率を整合させることを提案しています。これにより、200 mLのスピナーフラスコから1.5 Lのバイオリアクターへのスケールアップのような大きなバイオリアクターにおける流体力学的環境が、細胞成長に適した状態に保たれます[6].
これらの戦略は、高度なバイオリアクターシステムに移行する際の正確な制御と監視の重要性を強調しています。
専門機器の発見 Cellbase
培養肉生産に適した機器の調達は難しい場合があります。標準的な実験室供給プラットフォームは、この分野の特定のニーズ、例えば低せん断インペラーや高密度哺乳類細胞培養に合わせた光学式溶存酸素センサーなどに対応していないことが多いです。ここで、
培養肉産業向けの初の専用B2Bマーケットプレイスとして、
モニタリングシステムのアップグレードや特殊なコンポーネントの調達を行う際、
結論
酸素と栄養素の供給のバランスを取りつつ、有害なせん断応力を避けることが、培養肉のバイオリアクターにおける攪拌の最適化の鍵です。研究によれば、適切なバイオリアクターデザインの選択、混合速度の微調整、保護戦略の使用によってこれが達成できることが示されています。
間欠的な攪拌、ラジアルラシュトンインペラー、CFD（計算流体力学）を通じたリアルタイム調整などの技術は、細胞が良好に回復し、安定して成長することを保証する上で大きな役割を果たします。生産が実験室のフラスコから産業規模に拡大するにつれて、非ニュートン流体の挙動を理解し、一貫したコルモゴロフ長さスケールを維持することが、機械的損傷を避けるために重要になります。これらの進歩により、細胞を保護し、スケーリングの取り組みを簡素化することが容易になります。
プラットフォームとして、
よくある質問
培養肉のためのバイオリアクターで過度の攪拌が引き起こす問題は何ですか？
バイオリアクターでの過度の攪拌は、培養肉生産にとって深刻な問題となり得ます。細胞の成長と生存に悪影響を及ぼす可能性があります。激しい混合は高いせん断応力を生み出し、繊細な動物細胞を損傷する可能性があります。この種の機械的ストレスは、細胞膜の損傷、細胞の生存率の低下、さらには組織の発達の妨げを引き起こす可能性があります。
これらの課題を防ぐためには、攪拌パラメータを微調整することが重要です。栄養素と酸素の効率的な移動を実現しつつ、機械的ストレスを最小限に抑えることが目標です。インペラーデザイン、混合速度、バイオリアクターの形状などの重要な要素を慎重に調整し、培養プロセス全体を通じて健康で生産的な細胞を維持する必要があります。
バイオリアクターの選択は、培養肉の生産において細胞の成長と生存率にどのように影響を与えるのでしょうか？
培養肉の生産におけるバイオリアクターの選択は非常に重要です。混合効率、酸素移動、剪断応力などの要因に影響を与えることで、細胞の成長と健康に直接影響を及ぼします。
撹拌槽型バイオリアクターは、大規模生産において人気のある選択肢です。これらの条件を正確に制御できるためです。しかし、壊れやすい細胞に害を及ぼす可能性のある剪断力を生じることもあるため、インペラーデザインと操作パラメータを微調整して損傷を最小限に抑えることが重要です。
他のデザイン、例えばエアリフトバイオリアクターは、よりシンプルでエネルギー消費が少ないです。しかし、混合の制御レベルが同じではない可能性があり、細胞の成長に影響を与える可能性があります。一方、 中空繊維バイオリアクターは血管を模倣して高い細胞密度をサポートしますが、スケールアップが課題となることがあります。
適切なバイオリアクターを選択するには、スケーラビリティ、コスト、細胞の特定のニーズなどの要因のバランスを見つけ、培養肉の生産において効果的に成長し繁栄することを確実にすることが重要です。
大規模な培養肉生産において、せん断応力をどのようにして減少させることができますか？
大規模な培養肉生産におけるせん断応力を最小限に抑えるには、バイオリアクターの設計と運用を慎重に調整する必要があります。インペラの種類、リアクターの形状、混合設定などの要因が重要な役割を果たします。例えば、インペラの先端速度を下げたり、特定のインペラ設計を選択することで、適切な混合と酸素供給を維持しながら、剪断力を低減することができます。これらは細胞の成長にとって重要です。
このプロセスで役立つもう一つのツールは計算流体力学 (CFD)です。CFDシミュレーションにより、エンジニアは流れのパターンや剪断分布を詳細に研究し、情報に基づいた設計の調整を行うことができます。さらに、ロッキングまたは波動混合バイオリアクターは、従来の撹拌タンクシステムに比べて自然に剪断力が低いため、より穏やかな代替手段を提供します。高度なセンサーと予測制御アルゴリズムを用いたリアルタイムモニタリングを組み込むことで、剪断応力を安全な範囲内に保ち、よりスムーズな生産プロセスを確保することができます。
