CSPRとは？ 灌流速度・培地消費量・コストを計算で設計する

灌流培養培養液を連続的に入れ替えながら細胞を高密度に保ち、長期間生産を続ける培養方式です。細胞を装置で保持し、老廃物を除きつつ栄養を補給します。詳しく →の設計でつまずきやすいのは、灌流速度を「タンク全体の話」として眺めてしまう点です。実際には、必要な培地量は細胞1個あたりの需要（CSPR）に細胞の数を掛けた積で決まります。細胞密度が上がるほど、同じ CSPR でも総灌流速度は増える。ここを分けて考えないと、培地消費量とコストの見通しは立ちません。

CSPR という一つの定義が、灌流速度・培地消費量・そしてコストへと計算で連なっていきます。目安値は高い設定から低い方へ詰めていくのが実務の感覚で、その先には培地量が灌流培養の経済性を律速するという構造が控えています。本稿では、CSPR の定義から始めて、灌流速度への計算、VVD灌流速度を作業体積で正規化した槽体積回転数/日。1日に作業体積の何杯分を入れ替えるかを表す。詳しく → との関係、培地消費量、そしてコスト設計の詰め方を整理します。最後に、決める順番を並べます。いずれも条件次第で振れる話なので、断定はせず順を追って見ていきます。

CSPRとは何か ― 細胞1個あたりの培地需要

CSPR は、単位時間あたりに供給する培地体積を、そのときの生細胞密度培養液中の生きた細胞の密度。灌流速度はCSPR×密度×体積で決まる。詳しく →（VCD生存細胞密度。培養液の単位体積あたりに存在する生きた細胞の数を示し、増殖の状態を表す指標。詳しく →）で割った値です。細胞1個が1日に必要とする培地量を表すため、単位は pL/cell/day（ピコリットル毎細胞毎日）で書かれます。

この指標の利点は、細胞の代謝需要を密度から切り離して扱える点にあります。栄養の消費や副産物の産生は基本的に細胞数に比例するため、細胞1個あたりの需要を一定に保てば、密度が変わっても細胞まわりの化学環境（グルコース微生物発酵でエネルギー源となる糖類などの炭素源と、目的遺伝子の発現を促す誘導物質のことです。詳しく →、乳酸、アンモニアグルタミンの代謝と化学分解で生じる代謝副産物。蓄積すると増殖・生存を落とし、糖鎖の質にも影響する。詳しく →などの濃度）はおおむね安定します。密度が上がるにつれて CSPR を一定に保つ「CSPR一定制御」は、高密度でも環境を崩さずに培地使用量を抑える代表的な進め方です。

CSPR は細胞1個あたりの培地需要を表す指標で、密度と代謝需要を切り分けて灌流を設計するための土台です 。灌流培養そのものの位置づけは灌流培養とはの側にあります。送液は Watson-Marlow や Masterflex のチューブポンプ、Levitronix や Quattroflow のポンプが担い、細胞保持は Repligen の XCell ATF灌流培養で使用済みの培地を入れ替えつつ、細胞は培養槽に残すための装置です。中空糸膜などで細胞と液をより分けます。詳しく → のようなデバイスが受け持ちます。

灌流速度への計算 ― CSPR × 密度 × 体積

CSPR を決めれば、必要な灌流速度は掛け算で出ます。おおまかには次の関係です。

灌流速度は、CSPR に生細胞密度を掛け、さらに反応槽の作業体積を掛けた値です。

たとえば CSPR を一定に保っていても、VCD が2倍になれば灌流速度も2倍です。灌流速度は絶対量で、そのまま培地の消費速度に直結します。 CSPR を一定に保つ制御は、密度が上がれば培地も増えるという前提の上に立っています。

VVD ― 槽あたりの入れ替え速度

現場では、灌流速度を作業体積で正規化した VVD もよく使われます。槽体積の1日あたりの回転数です。VVD が 1.0 なら、1日に作業体積1杯分の培地を入れ替えるという意味です。

VVD は、1日あたりの灌流速度を作業体積で割った値です。

哺乳類細胞の灌流培養は、細胞密度や代謝需要にもよりますが、おおむね 1〜5 VVD の範囲で運転されることが多いとされます。VVD を上げすぎると培地コストが増え、収穫液も薄まります。逆に下げすぎると栄養が枯れ、乳酸やアンモニアが溜まりやすくなります。CSPR は細胞あたりの需要、VVD は槽あたりの入れ替え速度。 視点が違う二つの数字なので、片方を見て他方を語ると噛み合いません。

培地消費量への計算 ― 律速するのは総体積

灌流速度が決まれば、期間中の培地消費量は速度の時間積分、つまり日々の灌流量を積み上げた総体積になります。フェドバッチ種培養で増やした細胞を大型の培養槽に移し、目的物質を本格的に産生させる最終段階の培養です。栄養を追加しながら育てるフェドバッチが広く使われます。詳しく →と比べたときの灌流培養の特徴は、力価が高くても、培地の総体積が経済性を大きく左右する点にあります。

ここで効いてくるのが、目的関数の重心の移動です。フェドバッチでは「単位体積あたりの力価」を追いがちですが、灌流では単位生産量あたりの培地量⁠、言い換えれば「1グラムの製品を作るのに何リットルの培地を使うか」が重要です。培地は消耗品であり、高密度・長期運転になるほど総体積がかさむためです。

三つの関係が同時に働きます。密度を上げれば体積生産性反応槽の単位体積あたりの生産量。細胞密度を上げると高まるが、同時に灌流速度も増える。詳しく →は上がりますが、同じ CSPR なら培地の速度も上がる。CSPR を下げれば培地は節約できますが、下げすぎれば栄養不足と副産物の蓄積を招く。そして運転期間が延びるほど、わずかな CSPR の差が累積の消費量に大きく効いてきます。

灌流培養では、力価そのものよりも単位生産量あたりの培地量が経済性を律速しやすく、設計の重心は総培地体積の最小化へ移ります 。この観点は、連続生産培養から精製までを区切らず流れとしてつなぐ生産方式。ICH Q13が承認の道筋を示す。詳しく →への移行を考えるうえでも中心です。連続生産の潮流は灌流と連続生産のトレンドで整理しています。

コスト設計とCSPR最適化 ― 高い設定から詰める

培地は上流工程の主要なコスト要素です。したがって、CSPR をどこまで下げられるかが、灌流培養のコスト設計の勘どころです。とはいえ、いきなり低い値を狙うのは危険です。栄養が足りなければ細胞が弱り、副産物が溜まればかえって不安定になるためです。

実務では、比較的高い CSPR から始めて、細胞の状態を見ながら段階的に下げていく進め方がよく用いられます。増殖速度、生存率細胞集団のうち生きている細胞の割合。凍結・培養の品質を示す基本指標。詳しく →、細胞サイズ、そしてグルコース・乳酸・アンモニア・アミノ酸といった指標を監視しながら、環境が崩れない範囲で CSPR を詰めていく形です。乳酸やアンモニアの産生が少ない細胞株ほど、CSPR を低い側へ寄せやすいとされます。監視には Nova Biomedical の BioProfile FLEX2 や Roche CustomBiotech の Cedex Bio のような分析計を使います。

目安として、CHO 細胞では CSPR がおおむね 20〜50 pL/cell/day 程度の範囲で語られることが多く、HEK293ヒト胎児腎由来の細胞株。アデノウイルスのE1機能を持ち、AAV産生の三重トランスフェクションで広く使われる。詳しく → ではやや高めに置かれる傾向があります。ただし細胞株と培地と製品で変わる条件依存の値です。そのまま自社工程には当てはめられません。灌流向けに濃く設計された培地、たとえば Gibco の High-Intensity Perfusion CHO抗体など組換えタンパク質の生産に広く使われる、チャイニーズハムスター卵巣由来の培養細胞です。詳しく → Medium や Sartorius の CHO Xpress、Merck の Cellvento といった製品は、同じ栄養をより低い CSPR で届けるために作られています。あくまで探索の出発点です。 CSPR は借りてくる数字ではなく、自社の細胞で下げていく数字です。

決める順番

最後に、順番を並べます。

先に置くのは目標の生細胞密度です。酸素供給と細胞保持デバイス灌流培養で細胞をリアクター内に残し、上清だけを抜き出す装置。ATFやTFFが代表。詳しく →の能力から、その槽で養える上限が出ます。 密度が決まらないうちは、CSPR を掛けても灌流速度が出ません。

次に CSPR を、高いところから置きます。CHO なら 20〜50 pL/cell/day あたりが語られる帯ですが、いきなり下端を狙わない。安全な側から始めて、増殖速度、生存率、細胞サイズ、そしてグルコースと乳酸とアンモニアとアミノ酸を見ながら段階的に下げます。

そのうえで VVD を確かめます。密度と CSPR が決まれば VVD は自動的に出ますが、その値が装置と培地の供給能力の内側にあるか。1〜5 VVD の範囲を大きく外れるなら、密度か CSPR のどちらかを見直します。

最後に、単位生産量あたりの培地量を計算します。製品 1 g あたり何 L の培地を使うのか。 力価が上がっても、この数字が改善していなければ、灌流の経済性は良くなっていません。

挙げた目安は条件依存です。固定値として持ち込まず、実測で確かめてください。

参考文献

• ICH Q13原薬・製剤の連続生産に関する品質・規制の考え方を整理した国際調和ガイドライン。詳しく →, Continuous Manufacturing of Drug Substances and Drug Products
• ICH Q8医薬品開発とQbDの考え方を示すICHガイドライン。重要品質特性（CQA）を定義している。詳しく →(R2), Pharmaceutical Development
• ICH Q11原薬の開発・製造を扱い、原薬側の管理戦略の作り込みを示すICHのガイドライン。詳しく →, Development and Manufacture of Drug Substances
• FDA, Q13 Continuous Manufacturing of Drug Substances and Drug Products
• EMA, ICH guideline Q13 on continuous manufacturing of drug substances and drug products