細胞培養のスケールアップ技術：高収量を実現するシステム

細胞培養システムのスケールアップ

ほとんどの 組織培養 は、実験に比較的少数の細胞しか必要とせず、小規模で行われています。この規模では、通常細胞培養には25cm² から175cm²のTフラスコが使用されます。典型的なT175フラスコを使用した場合の細胞収量は、接着細胞株で約1×10⁷ 、浮遊細胞株で約1×10⁸ 程度です。ただし、正確な収量は細胞株によって異なります。標準的なTフラスコを使用して大量の細胞を生産することは、細胞の継代に必要な時間、インキュベーターのスペース、コストの観点から現実的ではありません。

細胞培養プロセスのスケールアップを検討する際には、スケールアップを成功させるために様々なパラメータを開発・最適化する必要があります。これには、栄養枯渇、ガス交換、酸素欠乏、そしてアンモニアや乳酸などの有害な副産物の蓄積に関連する問題が含まれます。1 L以上の量におけるこのようなプロセスの最適化は、プロセス開発の専門家に任せるのが最適です。

しかし、スケールアップの「中間的な解決策」を提供する多くの市販システムがあり、必ずしも専門的なプロセス開発サービスは必要ではありません。以下に、利用可能なシステムの一部のリストと、その潜在的な収量、利点、欠点を簡単にまとめます。

多層（マルチレイヤー）細胞培養容器（CellSTACK™、HYPERFlask™、スピナーフラスコは日本国内取扱いなし）

接着依存性細胞の簡単かつ迅速なスケールアップのために、プロセス最適化をほとんどまたは全く必要としない、様々なディスポーザブルの多層培養容器が現在利用できます。これには、インキュベーターのスペースを最大限活用するのに役立つトリプルレイヤーフラスコが含まれます。 CellSTACK™は1、2、5、10、40層があり、各層の表面積は636cm² です（したがって10層のCellSTACK™は単一容器内で細胞増殖のために6,360cm² を利用できます）。CellSTACK™は実際のところ巨大な細胞培養フラスコですが、単一のキャップではなく、充填、回収、ガス交換のための2つの通気キャップがあります。充填と回収には扱うための「注ぐ」技術が要り（充填コネクタはキャップと交換可能）、操作の慣れ、細胞増殖の検証、そして手動操作への注意が必要です。基本的に、Tフラスコでのほとんどの細胞増殖はCellSTACK™に直接移行できます。40層のCellSTACK™は手動で扱うには大きすぎるため、操作には特殊なトロリーが必要です。 HYPERFlask™は別の多層システムです。T175フラスコとほぼ同じフットプリント（面積）を持つ10個の「小フラスコ」からなるHYPERFlask™は、培地と播種細胞で完全に満たされます。この場合、ガス交換は小フラスコの薄い表面（透過性フィルム）を通じたガスの直接拡散によって行われます。

接着非依存性（浮遊）細胞用のディスポーザブルなソリューション

近年、バイオリアクターで浮遊細胞増殖のための多くの新しいディスポーザブルなシステムが登場しています。これらのバッグ状の容器は「既製品」またはカスタムメイドで、播種、回収、サンプリング用のほとんどのコネクタが組み込まれています。ディスポーザブルセンサーの最近の進歩により、pHと溶存酸素センサーをバッグに組み込むことができ、GMP生産や大型バイオリアクターの播種容器として効率的なバイオリアクターになっています。

スピナーフラスコ培養

この手法はハイブリドーマを含む浮遊株や、HeLa S3のような浮遊成長に適応した接着株に最適です。 スピナーフラスコは プラスチックまたはガラス製のボトルで、中央の磁気スターラーシャフトと、細胞や培地の添加・除去、そしてCO₂ 濃縮空気によるガス供給のためのサイドアームがあります。播種されたスピナーフラスコはスターラー上に置かれ、細胞株に適切な培養条件下で培養されます。培養液の撹拌は毎分100～250回転を推奨します。

その他のスケールアップ法

浮遊細胞と接着細胞の両方にとって、次の段階のスケールアップは大容量培養（100〜10,000リットル範囲）に使用される バイオリアクター です。浮遊細胞株の場合、細胞はチャンバー容器の底部にあるプロペラまたは培養容器を通る空気の気泡によって浮遊状態に保たれます。しかし、その撹拌方法はどちらも機械的なストレスを引き起こします。浮遊細胞株のさらなる問題は、達成可能な最大密度が約2×10⁶ 細胞/mLと比較的低いことです。

接着細胞株の場合、 マイクロキャリアビーズの添加により細胞密度が増加します。これらの小さなビーズは直径30〜100μmで、デキストラン、セルロース、ゼラチン、ガラス、またはシリカで作られており、細胞接着に利用できる表面積を大幅に増加させます。利用可能なマイクロキャリアの範囲は、ほとんどの細胞タイプをこのシステムで成長させることが可能であることを意味します。最近の進歩は多孔質マイクロキャリアの開発であり、これにより細胞接着に利用可能な表面積がさらに10〜100倍増加しました。2 gのビーズの表面積は15個の小型ローラーボトルに相当します。