Development of oxygen-supplying method for ultra-high density cell culture

動物細胞浮遊培養を用いた物質生産において、医薬等の最終製品をより低コストに製造するには、最終到達濃度（現状10^7 cells/mL）の一層の高濃度化が有効であるものの、高濃度細胞培養時に、酸素を不足なく供給する技術はボトルネックとなっている。動物細胞は通気撹拌によるシェアに脆弱であることに加え、蛋白質濃度が高い動物細胞培地は泡立ちが激しく、通気速度には限界がある（経験的に0.05 VVM程度）。培養溶液中への酸素供給速度v (mg/L hr)はv = kLa(C*-C) 、ここでC*は飽和溶存酸素濃度(mg/L)，Cは液中溶存酸素濃度，kLは液側の酸素移動容量係数(m/hr)，aは単位液容積あたりの気液接触面積(m2/m3)、にて表され、本研究ではC*を高めるアプローチとして人工酸素運搬体、aを発泡抑制しつつ維持可能な素材の活用について検討していく。まず前段階として、物質収支と速度論の観点で精緻な実験を可能にするスケールダウン実験条件（少ない液量で評価するため必須）を確立し、各種素材の性能評価を行い、成績の良い素材については、社会実装への取り組みと、組織工学への展開へと進む。初年度は、スケールダウン系の構築・探索を進め、大型の培養槽（kLa=10-15h^-1程度）で発生する酸素律速を再現できる小型培養槽に目処をつけた。本年度は超高密度培養に向け溶存酸素と同様に問題となる培地環境の解析・改善に向けた取り組みを行った。実験室レベルで簡便に使用可能な灌流モジュールを試作し、培地成分の継時変化を解析した。代表的に測定されるグルコース、乳酸、グルタミン酸等の代謝物に加え、全アミノ酸の推移を測定したところ、市販Fed-Batch培地を用いた灌流培養ではほぼすべてのアミノ酸が枯渇していた。超高密度培養に向け溶存酸素枯渇と培地環境最適化の両輪を整えていく必要性が認識された。

動物細胞浮遊培養を用いた物質生産において、医薬等の最終製品をより低コストに製造するには、最終到達濃度（現状10^7 cells/mL）の一層の高濃度化が有効であるものの、高濃度細胞培養時に、酸素を不足なく供給する技術はボトルネックとなっている。動物細胞は通気撹拌によるシェアに脆弱であることに加え、蛋白質濃度が高い動物細胞培地は泡立ちが激しく、通気速度には限界がある（経験的に0.05 VVM程度）。培養溶液中への酸素供給速度v (mg/L hr)はv = kLa(C*-C) 、ここでC*は飽和溶存酸素濃度(mg/L)，Cは液中溶存酸素濃度，kLは液側の酸素移動容量係数(m/hr)，aは単位液容積あたりの気液接触面積(m2/m3)、にて表され、本研究ではC*を高めるアプローチとして人工酸素運搬体、aを発泡抑制しつつ維持可能な素材の活用について検討していく。まず前段階として、物質収支と速度論の観点で精緻な実験を可能にするスケールダウン実験条件（少ない液量で評価するため必須）を確立し、各種素材の性能評価を行い、成績の良い素材については、社会実装への取り組みと、組織工学への展開へと進む。初年度は、スケールダウン系の構築・探索を進め、大型の培養槽（kLa=10-15h^-1程度）で発生する酸素律速を再現できる小型培養槽に目処をつけた。本年度は超高密度培養に向け溶存酸素と同様に問題となる培地環境の解析・改善に向けた取り組みを行った。実験室レベルで簡便に使用可能な灌流モジュールを試作し、培地成分の継時変化を解析した。代表的に測定されるグルコース、乳酸、グルタミン酸等の代謝物に加え、全アミノ酸の推移を測定したところ、市販Fed-Batch培地を用いた灌流培養ではほぼすべてのアミノ酸が枯渇していた。超高密度培養に向け溶存酸素枯渇と培地環境最適化の両輪を整えていく必要性が認識された。