ความเครียดเฉือนสามารถทำให้การผลิตเนื้อสัตว์เพาะเลี้ยงสำเร็จหรือล้มเหลวได้ ทำไม? เพราะเซลล์ที่ใช้ไม่มีผนังป้องกัน ทำให้เสี่ยงต่อความเสียหายจากแรงของของไหลในเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพ บทความนี้เจาะลึกถึงวิธีที่ความเครียดเฉือนส่งผลต่อเซลล์เหล่านี้ เกณฑ์ที่พวกมันสามารถรับมือได้ และวิธีการออกแบบระบบที่ปกป้องพวกมัน
ประเด็นสำคัญ:
- ความเครียดเฉือนเกิดจากการเคลื่อนที่ของของไหลและสามารถทำร้ายเซลล์สัตว์ที่เปราะบาง ทำให้เกิดความเสียหายต่อเยื่อหุ้มเซลล์ การหลุดออก หรือการตาย
- เซลล์สัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมส่วนใหญ่ทนต่อ 0.3–1.7 Pascals, แต่ระดับที่ต่ำกว่านี้ก็สามารถกระตุ้นการตอบสนองต่อความเครียดได้
- การเลือกออกแบบเช่นประเภทของใบพัด วิธีการเติมอากาศ และรูปทรงของเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพมีผลโดยตรงต่อแรงเฉือน
- กลยุทธ์ในการลดความเสียหายรวมถึงการใช้การออกแบบเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพที่อ่อนโยนกว่า (e.g. , ระบบยกอากาศหรือระบบโยก), การปรับความเร็วในการกวนให้เหมาะสม, และการเพิ่มสารป้องกันเช่น Pluronic F68.
สำหรับเนื้อสัตว์ที่เพาะเลี้ยง การจัดการสมดุลนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งเพื่อให้เซลล์เติบโตและแยกแยะได้โดยไม่เกิดอันตราย โดยเฉพาะเมื่อการผลิตขยายตัวขึ้น มาสำรวจวิทยาศาสตร์เบื้องหลังเกณฑ์เหล่านี้และวิธีแก้ปัญหาที่เป็นไปได้สำหรับการออกแบบไบโอรีแอคเตอร์กันเถอะ
110: หมุนเหมือนโลก: การออกแบบไบโอรีแอคเตอร์ที่มีแรงเฉือนต่ำเพื่อการเพาะเลี้ยงเซลล์ที่ดีกว่ากับ Olivier De...
อะไรที่มีผลต่อแรงเฉือนในไบโอรีแอคเตอร์
การทำความเข้าใจปัจจัยที่มีผลต่อแรงเฉือนในไบโอรีแอคเตอร์เป็นสิ่งสำคัญสำหรับการปรับสภาพแวดล้อมให้เหมาะสม โดยเฉพาะเมื่อเกี่ยวข้องกับเซลล์ที่บอบบาง มาดูองค์ประกอบหลักที่กำหนดความเข้มและการกระจายของมันกันเถอะ
การออกแบบและสภาพการทำงานของไบโอรีแอคเตอร์
การออกแบบไบโอรีแอคเตอร์มีบทบาทสำคัญในการกำหนดว่าแรงเฉือนจะเกิดขึ้นที่ไหนและอย่างไร ปัจจัยสำคัญอย่างหนึ่งคือ ประเภทของใบพัด ที่ใช้ตัวอย่างเช่น กังหัน Rushton สามารถสร้างอัตราการกระจายพลังงานได้สูงถึง 280 เท่าของค่าเฉลี่ยของภาชนะ ในขณะที่ใบพัดไหลตามแกนที่มีประสิทธิภาพสูงเช่น HE3 ผลิตอัตราที่ใกล้เคียงกับ 180 เท่าของการกระจายเฉลี่ย [4]. องค์ประกอบการออกแบบอื่น ๆ เช่น เส้นผ่านศูนย์กลางของใบพัด ความเร็ว และตำแหน่ง ก็มีผลต่อการกระจายพลังงานเช่นกัน
น่าสนใจที่ว่า การเติมอากาศสร้างแรงที่รุนแรงกว่าการกวน . เมื่อฟองอากาศขนาดเล็ก (1–2 มม.) แตกออก พวกมันจะปล่อยระดับพลังงานระหว่าง 10⁷–10⁹ W/m³ ซึ่งสามารถฆ่าเซลล์ได้มากกว่า 1,000 เซลล์ในเหตุการณ์เดียว [4]. สิ่งนี้ทำให้พฤติกรรมของฟองอากาศเป็นสิ่งที่ต้องพิจารณาอย่างสำคัญ โดยเฉพาะในการผลิตเนื้อสัตว์ที่เพาะเลี้ยง
แผ่นกั้นเป็นอีกหนึ่งองค์ประกอบการออกแบบที่สำคัญ พวกมันป้องกันการเกิดวอร์เท็กซ์ในวัฒนธรรม ซึ่งมิฉะนั้นจะดึงฟองอากาศเข้าสู่ของเหลวและเพิ่มเหตุการณ์การแตกที่ผิวหน้า [4]. นอกจากนี้ อัตราส่วนเส้นผ่านศูนย์กลางของใบพัดต่อภาชนะและความสูงของใบพัดจากด้านล่างมีผลต่อการกระจายพลังงานทั่วทั้งเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพ
การกระจายแรงเฉือนที่ไม่สม่ำเสมอ
แรงเฉือนไม่ได้กระจายอย่างสม่ำเสมอทั่วทั้งเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพ งานวิจัยแสดงให้เห็นว่าการกระจายพลังงานมีแนวโน้มที่จะกระจุกตัวอยู่รอบๆ โซนเฉพาะ เช่น บริเวณที่ปล่อยใบพัด วังวนที่ตามมา และพื้นผิวของเหลวที่ฟองอากาศแตก จุดร้อนเหล่านี้อาจก่อให้เกิดความท้าทายระหว่างการขยายขนาด
Weiwei Hu จาก Biogen Idec เน้นย้ำถึงปัญหาการขยายขนาดนี้:
การรับรู้ถึง 'ความไวต่อแรงเฉือน' ในอดีตได้กำหนดขีดจำกัดสูงสุดโดยพลการในการกวนและการเติมอากาศในการดำเนินงานของเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพ อย่างไรก็ตาม เมื่อความหนาแน่นของเซลล์และผลผลิตยังคงเพิ่มขึ้น ความต้องการในการถ่ายโอนมวลอาจเกินกว่าขีดจำกัดต่ำที่กำหนดโดยพลการเหล่านี้ [4].
ตัวอย่างเช่น การศึกษาในปี 2021 โดย Junxuan Zhang และ Xueliang Li จาก มหาวิทยาลัยเจียงหนาน ได้เปรียบเทียบขวดปั่นขนาด 250 มล. กับถังปั่นขนาด 20 ม³ โดยใช้พลศาสตร์ของไหลเชิงคำนวณ พวกเขาพบว่าแม้ที่ความเร็วการกวนต่ำสุด แรงเฉือนในถังขนาดใหญ่ก็แรงพอที่จะทำให้เซลล์หลุดออกจากไมโครแคร์ริเออร์ โดยการเติมอากาศทำให้เกิดความเครียดมากกว่าการกวน [3].
รูปแบบการเพาะเลี้ยงและความไวต่อแรงเฉือน
รูปแบบการเพาะเลี้ยงยังเป็นตัวกำหนดว่าเซลล์จะได้รับแรงเฉือนอย่างไร เซลล์ที่เติบโตบนไมโครแคร์ริเออร์มีความเปราะบางเป็นพิเศษ หากการผสมที่รุนแรงหรือการชนกันระหว่างแคร์ริเออร์ทำให้เซลล์หลุดออก เซลล์เหล่านั้นจะสูญหายไปอย่างมีประสิทธิภาพ [4]. ในทางกลับกัน วัฒนธรรมการระงับของเซลล์ไฮบริโดมาได้แสดงให้เห็นถึงความยืดหยุ่น โดยยังคงความมีชีวิตอยู่ที่ความเร็วการกวนสูงถึง 1,500 RPM ในเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพที่มีแผ่นกั้นโดยไม่มีอินเตอร์เฟซระหว่างอากาศและของเหลว [4].
ระบบวัฒนธรรมที่แตกต่างกันจัดการกับแรงเฉือนในรูปแบบต่างๆ เครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพแบบเตียงคงที่ลดแรงเฉือนโดยการรักษาเซลล์ให้อยู่บนพื้นผิวที่ไม่เคลื่อนที่ ในขณะที่เตียงที่มีการเคลื่อนที่แนะนำแรงเฉือนปานกลางถึงสูงผ่านการเคลื่อนที่ของไมโครแคเรียร์และการไหลของของเหลวขึ้น [2]. ไมโครแคเรียร์บางชนิด โดยเฉพาะที่มีรูพรุน เสนอพื้นผิวภายในที่สามารถป้องกันเซลล์จากแรงที่รุนแรง ให้การป้องกันที่ดีกว่าเมื่อเทียบกับไมโครแคเรียร์ที่เป็นของแข็ง [2]. ความแตกต่างเหล่านี้เน้นถึงความจำเป็นในการปรับสมดุลการส่งสารอาหารอย่างระมัดระวังกับความเสี่ยงของความเสียหายต่อเซลล์เมื่อออกแบบเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพ
เกณฑ์ความเครียดเฉือนสำหรับเซลล์ประเภทต่างๆ
เกณฑ์ความทนทานต่อความเครียดเฉือนสำหรับประเภทเซลล์เนื้อสัตว์เพาะเลี้ยง
การจัดการความเครียดเฉือนเป็นสิ่งสำคัญสำหรับการผลิตเนื้อสัตว์เพาะเลี้ยง เนื่องจากความเครียดที่ไม่สม่ำเสมอสามารถทำลายเซลล์ที่ไม่มีผนังเซลล์ที่แข็งแรงได้ การเข้าใจระดับความเครียดเฉพาะที่แต่ละประเภทเซลล์สามารถทนได้ช่วยรักษาสุขภาพเซลล์ กระตุ้นการตอบสนองต่อแรงกล หรือส่งเสริมการแยกตัว
ค่าเกณฑ์สำหรับเซลล์ประเภททั่วไป
ความทนทานต่อความเครียดเฉือนแตกต่างกันอย่างมากในแต่ละประเภทเซลล์ และการรู้ค่าเกณฑ์เหล่านี้เป็นกุญแจสำคัญในการปรับแต่งการตั้งค่าเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพ
ตัวอย่างเช่น ไมโอบลาสต์เนื้อสัตว์เพาะเลี้ยงเช่นสาย C2C12 เจริญเติบโตได้ดีภายใต้ความเครียดเฉือนต่ำ ความเครียดแบบไซคลิกประมาณ 1.68 mPa ช่วยปรับปรุงการสร้างและการหลอมรวมไมโอทูบ[8] . เซลล์ต้นกำเนิดที่ได้จากกล้ามเนื้อของหนู (MDSCs) แสดงการแยกแยะทางกล้ามเนื้อที่ดีกว่าและการสร้างไมโอทูบที่กว้างขวางมากขึ้นเมื่อสัมผัสกับ 16 mPa [8] . เมื่อไมโอบลาสต์เติบโตเป็นไมโอทูบ พวกมันสามารถรับมือกับระดับความเครียดที่สูงขึ้นได้; ความเครียดแบบพัลส์ระหว่าง 400 mPa และ 1,400 mPa กระตุ้นเส้นทางที่ควบคุมขนาดของเส้นใยกล้ามเนื้อ ซึ่งอาจนำไปสู่การขยายตัว [8] .
เซลล์ต้นกำเนิดมีเซนไคม์ (MSCs) ก็มีการตอบสนองที่เป็นเอกลักษณ์เช่นกัน ตัวอย่างเช่น MSCs ของสุนัขที่สัมผัสกับความเครียดเฉือนระหว่าง 100 mPa และ 1,500 mPa จะเพิ่มการแสดงออกของเครื่องหมายเอนโดทีเลียล เช่น PECAM-1 และ VE-cadherin ในขณะที่ลดการแสดงออกของเครื่องหมายกล้ามเนื้อเรียบ [10] .
ตารางเปรียบเทียบเกณฑ์ความเค้นเฉือน
นี่คือการเปรียบเทียบอย่างรวดเร็วของเกณฑ์ความเค้นเฉือนในเซลล์เนื้อสัตว์ที่เพาะเลี้ยงประเภทต่างๆ:
| ประเภทเซลล์ | เกณฑ์ความเค้นเฉือน (mPa) | ผลที่สังเกตได้ | แหล่งที่มา |
|---|---|---|---|
| เซลล์สัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม (ทั่วไป) | 300–1,700 | ช่วงพื้นฐาน; ระดับที่สูงกว่านี้อาจนำไปสู่ความเสียหายของเซลล์หรือการตายของเซลล์ | [1] |
| C2C12 Myoblasts (ยึดติด) | ~1.68 | ความมีชีวิตที่ดีขึ้นและการสร้างไมโอทูบที่เพิ่มขึ้น | [8] |
| Mouse MDSCs (Adherent) | ~16 | การแยกแยะที่ดีขึ้นและการสร้างไมโอทูบที่กว้างขวาง | [8] |
| C2C12 Myotubes (Adherent) | 400–1,400 | การกระตุ้นเส้นทางที่ควบคุมขนาดเส้นใยกล้ามเนื้อ (การขยายตัวที่เป็นไปได้) | [8] |
| Canine MSCs | 100–1,500 | การเพิ่มขึ้นของเครื่องหมายเอนโดทีเลียล, ลดเครื่องหมายกล้ามเนื้อเรียบ | [10] |
| เซ็นเซอร์พื้นผิวเซลล์ (Integrins) | 100–1,000 | การกระตุ้นช่องไอออนและตัวรับที่ไวต่อกลไก | [1] |
สำหรับบริบท การกวนวัฒนธรรมที่ 100–200 รอบต่อนาที ในขวดมาตรฐานจะสร้างระดับความเครียดเฉือนที่ 300–660 mPa, ในขณะที่เครื่องเขย่าแบบวงโคจรที่ทำงานที่ 20–60 รอบต่อนาที จะสร้างแรงที่สูงขึ้นในช่วง 600 mPa ถึง 1,600 mPa [1] . ระบบที่อ่อนโยนกว่าเช่นเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพแบบโยก (±5° ที่ 1 Hz) สร้างความเครียดประมาณ 90 mPa [9] , และเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพแบบคลิโนสตาททำงานที่ประมาณ 10 mPa, ซึ่งต่ำกว่าขีดจำกัดการกระตุ้นสำหรับเซ็นเซอร์พื้นผิวเซลล์ที่ไวต่อกลไก [1].
ขีดจำกัดเหล่านี้ทำหน้าที่เป็นแนวทางในการปรับสภาพเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพ ช่วยรักษาสภาพแวดล้อมที่เหมาะสมในระหว่างการขยายขนาดและระยะการเจริญเติบโตของเซลล์
sbb-itb-ffee270
วิธีลดความเสียหายจากแรงเฉือน
การลดความเสียหายจากแรงเฉือนในการผลิตเนื้อสัตว์ที่เพาะเลี้ยงเกี่ยวข้องกับการบรรลุสมดุลที่ละเอียดอ่อน เป้าหมายคือเพื่อให้แน่ใจว่ามีการผสมและการส่งออกซิเจนอย่างมีประสิทธิภาพในขณะที่ปกป้องเซลล์ที่ไวต่อกลไกจากอันตรายทางกล ซึ่งเกี่ยวข้องกับการออกแบบเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพที่ชาญฉลาดและกลยุทธ์การดำเนินงานที่รอบคอบ
การปรับเปลี่ยนการออกแบบไบโอรีแอคเตอร์
การใช้ การจำลอง CFD (Computational Fluid Dynamics) เป็นขั้นตอนสำคัญในการเพิ่มประสิทธิภาพของไบโอรีแอคเตอร์ เทคนิค CFD สมัยใหม่รวมถึงการจำลองการไหลหลายเฟส ซึ่งคำนึงถึงปฏิสัมพันธ์ระหว่างเซลล์และไมโครแคร์ริเออร์ ส่งผลให้การประเมินความเค้นเฉือนและความเสียหายที่อาจเกิดขึ้นมีความแม่นยำมากขึ้น [5].
ประเภทของไบโอรีแอคเตอร์มีบทบาทสำคัญในการกำหนดระดับความเค้นเฉือน แม้ว่าเครื่องปฏิกรณ์แบบถังกวนยังคงใช้อย่างแพร่หลาย แต่การออกแบบทางเลือกสามารถให้สภาพที่อ่อนโยนกว่า:
- ไบโอรีแอคเตอร์แบบแอร์ลิฟต์: เหล่านี้กำจัดเครื่องกวนกลไก โดยใช้การหมุนเวียนที่เกิดจากแก๊สเพื่อลดความเค้นเฉือนทางกล [5].
- เครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพแบบคลื่นหรือแบบโยก: โดยอาศัยการเคลื่อนไหวของพื้นผิวแทนใบพัด เหมาะสำหรับวัฒนธรรมที่มีความหนาแน่นต่ำถึงปานกลางที่ต้องการการผสมอย่างอ่อนโยน [5].
- เครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพแบบล้อแนวตั้ง: มีประสิทธิภาพเป็นพิเศษสำหรับวัฒนธรรมที่ใช้การรวมตัวกัน ซึ่งแสดงให้เห็นถึงความสำเร็จในการรักษาความมีชีวิตของเซลล์ในระหว่างการขยายตัวของการรวมตัวของ iPSC ของมนุษย์ [11].
อีกปัจจัยสำคัญคือ พฤติกรรมที่ไม่ใช่นิวโทเนียน ของการระงับเซลล์ ตัวอย่างเช่น การระงับที่มีเซรั่มแสดงคุณสมบัติการบางตัวด้วยแรงเฉือน ซึ่งโมเดลแบบดั้งเดิมมักไม่สามารถจับได้ การใช้โมเดลขั้นสูง เช่น โมเดล Sisko ให้การทำนายแรงเฉือนที่แม่นยำยิ่งขึ้น ช่วยปรับแต่งแรงกลไกและหลีกเลี่ยงเกณฑ์ที่อาจเปลี่ยนแปลงการแสดงออกทางพันธุกรรม [6].
วิธีการเพาะเซลล์และการกวน
กลยุทธ์การดำเนินงานยังมีบทบาทสำคัญในการลดความเสียหายจากแรงเฉือน ตัวอย่างเช่น การกวนเป็นระยะ ในช่วงเริ่มต้นของการยึดเกาะของเซลล์สามารถจำกัดการสัมผัสแรงเฉือนในขณะที่ยังคงกระจายสารอาหารได้อย่างมีประสิทธิภาพ การปรับการกวนต้องพิจารณาปัจจัยต่างๆ อย่างรอบคอบ เช่น ปริมาณเซรั่ม ความหนาแน่นของเซลล์ และอายุของวัฒนธรรม [6].
เมื่อกำหนดความเร็วในการกวน การจำลอง CFD สามารถช่วยระบุสมดุลที่เหมาะสม - การถ่ายโอนออกซิเจนเพียงพอโดยไม่ก่อให้เกิดอันตรายทางกล การจำลองแบบแบ่งส่วนสามารถปรับปรุงการกระจายแรงเฉือนได้อย่างละเอียด ทำให้กระบวนการมีประสิทธิภาพมากขึ้น [5].
ผลกระทบต่อการออกแบบและการขยายขนาดของไบโอรีแอคเตอร์
เมื่อขยายขนาดไบโอรีแอคเตอร์สำหรับการผลิตเนื้อสัตว์ที่เพาะเลี้ยง การเข้าใจและประยุกต์ใช้เกณฑ์ความเครียดเฉือนเป็นสิ่งสำคัญ เกณฑ์เหล่านี้มีผลต่อการตัดสินใจเกี่ยวกับความเร็วของใบพัด การออกแบบสปาร์เกอร์ และพารามิเตอร์อื่นๆ เพื่อให้แน่ใจว่าการเจริญเติบโตของเซลล์ยังคงมีชีวิตอยู่เมื่อปริมาณการผลิตเพิ่มขึ้น
การตั้งค่าพารามิเตอร์การทำงานของไบโอรีแอคเตอร์
เกณฑ์ความเครียดเฉือนมีบทบาทสำคัญในการกำหนดขีดจำกัดการทำงาน ตัวอย่างเช่น เซลล์ต้นกำเนิดเม็ดเลือด (HSCs) มีเกณฑ์ประมาณ 0.092 Pa[12]. การรักษาระดับต่ำกว่าระดับนี้ - เช่น การทำงานที่ 50 รอบต่อนาที ซึ่งสร้างประมาณ 0.068 Pa - สนับสนุนการขยายตัวของเซลล์ที่แข็งแรง โดยเพิ่มขึ้น 27.4 เท่า. อย่างไรก็ตาม การเพิ่มการกวนเป็น 100 รอบต่อนาทีจะเพิ่มความเครียดเฉือนเป็นประมาณ 0.192 Pa ส่งผลให้เกิดอัตราการตายของเซลล์ 72% และจำกัดการขยายตัวที่ 24.5‐fold[12].
"เกณฑ์ความเค้นเฉือนสำหรับการเพิ่มจำนวนและการทำงานของ HSCs ได้รับรายงานว่าเป็น 0.092 Pa." – Hosseinizand et al. [12]
ความเสียหายจากการเฉือนเกิดขึ้นเมื่อกระแสน้ำวนที่ปั่นป่วนมีขนาดเล็กกว่าประมาณสองในสามของเส้นผ่านศูนย์กลางของเซลล์หรือกลุ่มเซลล์[12][13]. ที่ 50 รอบต่อนาที กระแสน้ำวนมีขนาดประมาณ 280 µm ซึ่งปลอดภัยสำหรับเซลล์ แต่ที่ 100 รอบต่อนาที กระแสน้ำวนหดเหลือ 166 µm เพิ่มความเสี่ยงต่อความเสียหายทางกลไก
การเติมอากาศทำให้เกิดความเค้นไฮโดรไดนามิกเพิ่มเติม ฟองอากาศขนาดเล็ก (เส้นผ่านศูนย์กลาง 1 มม.) สร้างความเร็วของของไหลในท้องถิ่นประมาณ 6.4 m/s ระหว่างการแตก ในขณะที่ฟองอากาศขนาดใหญ่ 6 มม. สร้างยอดที่อ่อนโยนกว่า 0.94 m/s[13]. เพื่อแก้ไขปัญหานี้ สารเติมแต่งเช่น Pluronic F68 ถูกใช้เพื่อป้องกันไม่ให้เซลล์ติดกับพื้นผิวของฟองอากาศอย่างไรก็ตาม ประสิทธิภาพของพวกเขาขึ้นอยู่กับการรักษาความเข้มข้นที่เหมาะสมเมื่อเทียบกับพื้นที่ผิวของก๊าซ [13].
พารามิเตอร์เหล่านี้มีความสำคัญเมื่อเปลี่ยนไปใช้ระบบไบโอรีแอคเตอร์ขนาดใหญ่ขึ้น
การรักษาสภาพในระหว่างการขยายขนาด
การขยายขนาดจากขวดปั่น 250 มล. ไปยังถังปฏิกรณ์แบบกวนขนาด 20 ม³ นำเสนอความท้าทายที่ไม่เหมือนใคร สภาพไฮโดรไดนามิกในระบบขนาดเล็กไม่สามารถแปลตรงไปยังปริมาณอุตสาหกรรมได้ แม้แต่การดำเนินการถังปฏิกรณ์ขนาดใหญ่ที่ความเร็วการกวนขั้นต่ำก็อาจส่งผลให้เกิดแรงเฉือนที่แรงพอที่จะทำให้เซลล์หลุดออกจากไมโครแคร์ริเออร์[3].
"แม้จะดำเนินการที่ความเร็วการกวนใกล้เคียงกับ Njs แรงเฉือนที่เกิดจากใบพัดเพียงอย่างเดียวก็อาจทำให้เซลล์หลุดออกจากไมโครแคร์ริเออร์ได้ ในขณะที่ความเครียดไฮโดรไดนามิกมากขึ้นถูกนำเข้ามาผ่านการสปาร์ก" – Zhang et al.[3]
เพื่อรักษาสภาวะการเฉือนที่สม่ำเสมอในระหว่างการขยายขนาด หนึ่งในวิธีการคือการรักษาความเร็วปลายใบพัดให้คงที่ อย่างไรก็ตาม วิธีนี้อาจทำให้เวลาผสมยาวนานขึ้นและเกิดการกระจายตัวของสารอาหารและออกซิเจน ซึ่งอาจส่งผลเสียต่อการเจริญเติบโตและประสิทธิภาพของเซลล์[3]. การจำลองแบบพลศาสตร์ของไหลเชิงคำนวณ (CFD) กลายเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการระบุโซนความเครียดและการปรับปรุงการออกแบบเครื่องปฏิกรณ์ในระหว่างการขยายขนาด[5].
สำหรับสายเซลล์ที่มีความไวต่อการเฉือนสูง การออกแบบเครื่องปฏิกรณ์ทางเลือกมักจะเหมาะสมกว่า เครื่องปฏิกรณ์แบบยกอากาศ ซึ่งกำจัดเครื่องกวนเชิงกล ได้รับการจำลองสำเร็จสำหรับปริมาตรสูงถึง 300,000 ลิตร โดยบรรลุความหนาแน่นของเซลล์ตามทฤษฎีที่ 2 × 10⁸ เซลล์/มล.[7]. ในทำนองเดียวกัน เครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพแบบโยกใช้การเคลื่อนไหวแบบคลื่นเบาเพื่อลดแรงเฉือน ทำให้มีประสิทธิภาพสำหรับการเพาะเลี้ยงเมล็ดพันธุ์ได้ถึง 500 L[14][15]. แพลตฟอร์มเช่น
สรุปและคำแนะนำ
การจัดการแรงเฉือนอย่างมีประสิทธิภาพเป็นสิ่งสำคัญสำหรับการรักษาความมีชีวิตของเซลล์และผลผลิตในการผลิตเนื้อสัตว์ที่เพาะเลี้ยง งานวิจัยแสดงให้เห็นว่าการแตกของฟองอากาศระหว่างการเติมอากาศสร้างแรงที่ทำลายล้างมากกว่าการกวนด้วยเครื่องกล ตัวอย่างเช่น ฟองอากาศขนาดเล็ก (1 มม.) สร้างความเร็วของของไหลที่ 6.4 ม./วินาทีเมื่อแตก ในขณะที่ฟองอากาศขนาดใหญ่ (6 มม.) สร้างยอดที่อ่อนโยนกว่า 0.94 ม./วินาที [13]. เพื่อลดแรงเหล่านี้ ทีมจัดซื้อควรมุ่งเน้นไปที่เครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพที่ติดตั้งด้วยไมโครสปาร์เกอร์ที่ผ่านการเผา (ขนาดรูพรุน 15-μm) ซึ่งช่วยให้มีการเติมอากาศแบบพัลส์และลดการสัมผัสระหว่างก๊าซและของเหลว ข้อควรพิจารณาเหล่านี้มีความสำคัญต่อการขยายระบบเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพ
อีกปัจจัยสำคัญคืออัตราส่วนของขนาดกระแสวนต่อเส้นผ่านศูนย์กลางของเซลล์ (η/d_c) ซึ่งสามารถช่วยลดความเสียหายที่เกิดจากการกวนได้ การศึกษาที่ดำเนินการในเดือนสิงหาคม 2017 โดย สถาบันวิศวกรรมกระบวนการชีวภาพและเทคโนโลยีเภสัชกรรม ได้เน้นย้ำถึงเรื่องนี้ โดยใช้เครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพแก้ว Applikon ขนาด 3 ลิตร กับเซลล์แมลง Sf21 พวกเขาแสดงให้เห็นว่าใบพัด Rushton หกใบที่ 205 รอบต่อนาที ร่วมกับฟองอากาศขนาด 199 μm ให้ผลผลิตโปรตีน GFP ที่ 12.75 μg/mL ในทางตรงกันข้าม ใบพัดแบบมีมุมที่ 171 รอบต่อนาที ซึ่งสร้างพื้นที่ผิวก๊าซเฉพาะที่สูงขึ้นที่ 18.0 m²/m³ ให้ผลผลิตเพียง 4.0 μg/mL [13] . สิ่งนี้แสดงให้เห็นว่าพื้นที่ผิวรวมของก๊าซมีอิทธิพลมากกว่าความเร็วในการกวน
สารป้องกันเช่น Pluronic F68 (0.5–3 g/L) สามารถสร้างชั้นป้องกันขนาด 16–40 μm รอบฟองอากาศ ป้องกันไม่ให้เซลล์เกาะติด [13]. อย่างไรก็ตาม ตามที่ Tobias Weidner และเพื่อนร่วมงานสังเกตเห็น:
หากพื้นที่ผิว [รวมของก๊าซ] เกินเกณฑ์ที่กำหนด ความเข้มข้นของ Pluronic จะไม่เพียงพอสำหรับการป้องกันเซลล์ [13].
ซึ่งหมายความว่าวิศวกรต้องตรวจสอบพื้นที่ผิวของก๊าซอย่างระมัดระวังในความสัมพันธ์กับความเข้มข้นของ Pluronic F68 ระหว่างการขยายขนาดเพื่อให้แน่ใจว่าเซลล์ยังคงได้รับการป้องกัน
สำหรับสายเซลล์ที่ไวต่อการกระทบกระเทือน การออกแบบเครื่องปฏิกรณ์ทางเลือกสามารถให้ทางออกได้ ตัวอย่างเช่น เครื่องปฏิกรณ์แบบ Airlift กำจัดเครื่องกวนเชิงกล สร้างสภาพแวดล้อมการผสมที่อ่อนโยนกว่า [7]. เครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพแบบเตียงคงที่เป็นอีกทางเลือกหนึ่งที่สามารถรักษาความเครียดเฉือนที่ผนังในระดับต่ำมากตั้งแต่ 10⁻³ ถึง 10⁻² Pa [17]. สำหรับทีมที่สำรวจระบบเฉพาะทางที่มีการเฉือนต่ำ ซัพพลายเออร์เช่น
นอกจากนี้ การรักษาเซลล์กล้ามเนื้อโคให้ต่ำกว่า 25 รอบการเพิ่มจำนวนประชากรเป็นสิ่งสำคัญเพื่อรักษาความสามารถในการแยกแยะของพวกเขา [16] . การเกินเกณฑ์นี้อาจนำไปสู่การลดลงของดัชนีการหลอมรวมประมาณ 6.81% ในแต่ละรอบ [16], ลดความสามารถของเซลล์ในการสร้างเส้นใยกล้ามเนื้อ เพื่อแก้ไขปัญหานี้ วิศวกรกระบวนการควรใช้การสร้างแบบจำลองพลศาสตร์ของไหลเชิงคำนวณ (CFD) เพื่อระบุโซนที่มีการเฉือนสูงก่อนที่จะขยายจากระบบห้องปฏิบัติการไปสู่ระบบอุตสาหกรรม วิธีการนี้ช่วยให้การเปลี่ยนแปลงราบรื่นขึ้นและผลลัพธ์ที่ดีขึ้นในระหว่างการขยายขนาด
คำถามที่พบบ่อย
ฉันจะวัดความเค้นเฉือนในเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพของฉันได้อย่างไร?
ความเค้นเฉือนในเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพมักถูกประเมินโดยใช้ เทคนิคการสร้างแบบจำลองเชิงคำนวณ เช่น Computational Fluid Dynamics (CFD) วิธีการเหล่านี้ช่วยให้สามารถวิเคราะห์รูปแบบการไหลและการระบุโซนเฉือนภายในเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพ นอกจากนี้ เครื่องมือทดสอบความเค้นเฉือนขนาดเล็ก ยังมีคุณค่าสำหรับการระบุความไวของสายเซลล์เฉพาะและการประเมินสภาวะกระบวนการต่างๆ สำหรับการตรวจสอบอย่างต่อเนื่อง ความเค้นเฉือนสามารถกำหนดได้โดยการคำนวณความเร็วและความหนืดของของไหล วิธีการนี้มีประสิทธิภาพโดยเฉพาะในระบบไมโครฟลูอิดิกหรือโดยการใช้เครื่องคำนวณความเค้นเฉือนออนไลน์
วิธีการเติมอากาศแบบใดที่ลดความเสียหายจากการแตกของฟองอากาศได้มากที่สุด?
การลดความเสียหายจากการแตกของฟองอากาศขึ้นอยู่กับการใช้ฟองอากาศขนาดเล็ก ฟองอากาศเหล่านี้ทำให้เกิดความเสียหายต่อเซลล์น้อยลงเมื่อเปรียบเทียบในแง่ของปริมาตรต่อปริมาตรแม้ว่าจะไม่ได้ระบุเทคนิคที่แน่นอน การจัดการขนาดและพฤติกรรมของฟองอากาศ - เช่น การควบคุมขนาดของมัน - มีบทบาทสำคัญในการลดผลกระทบที่เป็นอันตรายจากการแตกของฟองอากาศ
สิ่งที่ควรรักษาให้คงที่เมื่อขยายขนาดเพื่อลดแรงเฉือนคืออะไร
เมื่อเพิ่มขนาดของเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพสำหรับเนื้อสัตว์ที่เพาะเลี้ยง สิ่งสำคัญคือต้องรักษาแรงเฉือนให้อยู่ต่ำกว่า 3 Pa เพื่อป้องกันไม่ให้เซลล์ได้รับความเสียหาย ให้ความสนใจกับปัจจัยต่างๆ เช่น การกวน, รูปแบบการไหล, และ การเติมอากาศ เพื่อให้แน่ใจว่าระดับแรงเฉือนคงที่ตลอดการดำเนินการ
