抗体医薬基礎知識・培養

培地開発・最適化とは？ DoEで培地とフィードを設計する

Proglenth 編集部公開 2026-06-11約9分で読めます

力価を追い続けた先で、後工程が品質の問題を持ち帰ってくる。培地開発では繰り返し起きるパターンです。細胞に何をいつ与えるかを決めるこの作業は、基礎培地で立ち上げ、フィードで消耗分を補い、微量の添加剤で代謝と品質を調える三層でできています。成分の種類は数十を超え、濃度の組み合わせは事実上無限にあります。

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やっかいなのは、指標どうしが引っ張り合うことです。糖鎖のパターン、電荷変異体、凝集体、乳酸とアンモニア。どれも培地の組成に敏感で、一つを上げれば別の一つが下がります。しかも効き方は単独では決まりません。ガラクトースを足しても糖鎖が動かず、マンガンを一緒に入れて初めて動く。こういう掛け合わせが、成分を一つずつ振るやり方では見えないまま残ります。

本稿では、実験計画法（DoE）で培地とフィードを設計する手順を整理します。三層の分け方、置くべき応答、因子を絞るスクリーニング、応答曲面の読み方、小型並列培養器が前提を変えたこと、そしてCD培地がこの枠組みに効く理由。最後に設計の順番を並べます。数値は細胞株と発現系で動くので、考え方のほうを持ち帰ってください。装置の並列数がそのまま計画の規模を決める、というところだけは共通です。

この記事の要点

培地開発は基礎培地・フィード・添加剤の三層を設計する作業で、力価だけでなく品質や代謝も同時に見る必要があります。
実験計画法（DoE）は複数因子を同時に振って相互作用を捉え、少ない実験から応答曲面を推定できる点に価値があります。
化学組成明確（CD）培地は再現性と因子の切り分けに優れ、DoEで系統的に組み立てる土台として効いてきます。

三層を分けて考える ― 基礎培地、フィード、添加剤

設計対象を三つに切ると、見通しが立ちます。

基礎培地は立ち上げの土台です。アミノ酸、糖、ビタミン、無機塩、微量元素を含み、浸透圧はおおむね 300 mOsm/kg 前後に置かれます。Gibco の Dynamis や Efficient-Pro、Merck の EX-CELL CHO と Cellvento、Cytiva の ActiPro、FUJIFILM Biosciences の BalanCD CHO Growth A、Sartorius の Cellca プラットフォームあたりが市販の出発点です。

フィードは枯れた分を補う濃縮液で、フェドバッチの力価はここでほぼ決まります。Gibco の EfficientFeed+、Cytiva の Cell Boost、FUJIFILM Biosciences の BalanCD CHO Feed 4 のように、基礎培地と対で設計された製品が並びます。同じ会社の組み合わせが無難なのは、アミノ酸の比率が噛み合うように作られているからです。

添加剤は微量で効きます。マンガン、銅、亜鉛といった金属、ポリアミン、抗酸化剤。濃度は µM の桁で、過剰も不足も同じくらい害を出します。CHO細胞のフェドバッチでは、基礎培地を詰めてもフィードが噛み合わなければ後半で失速し、フィードだけ濃くすれば浸透圧が上がって細胞が早く弱ります。 三層はそれぞれ効く指標が違うので、因子も層ごとに切り分けます。

POINT

基礎培地は増殖、フィードは後半の力価、添加剤は品質と代謝に効きます。同じDoEに全部を放り込むと、効く層と効かない層が混ざって因子数だけが膨らみます。

応答は四つ置く ― 力価、品質、代謝、細胞の状態

DoEを回す前に、何を見るのかを決めます。ここを力価一本にすると、後工程が品質を持ち帰ってくる。

力価は単位体積あたりの生産量で、g/L で測ります。品質は糖鎖のパターン、電荷変異体、凝集体。糖鎖はガラクトース源とマンガン、それに pH と浸透圧に反応します。代謝は乳酸とアンモニアの蓄積で、糖の与えすぎが前者を、グルタミンの使い方が後者を増やします。細胞の状態はピーク密度と、その密度が保たれる日数の両方で見ます。

四つを並べる理由は単純です。力価だけを最大化した組成は、たいてい他の三つのどれかを犠牲にしています。DoEは複数の応答を同時に扱えるので、乳酸を一定以下に抑えたうえで力価を最大化する、といった制約つきの探索が組めます。 応答を一つに絞った時点で、DoEの利点は半分捨てています。

因子を絞る ― スクリーニングの実験数

最初は候補が多すぎます。アミノ酸だけで20種、微量元素を足せば30を超える。全部を振る全要因計画は、因子が5つでも 32 通り、10なら 1,024 通りになって現実味がありません。

だからまずスクリーニングです。Plackett-Burman計画は、実験数を4の倍数に置いて、その数より1つ少ない因子まで一度に篩にかけられます。12回で11因子、20回で19因子。主効果だけを見て、効かない因子を落とすのが目的です。

近年よく使われるのが定義スクリーニング計画で、因子数の2倍に1を足した回数から組めます。6因子なら 13回。主効果と二次の効果が混ざらない設計なので、落とすべき因子を落としつつ、残す因子の曲がりも同時に見えます。

ここで欲張らないのが勘どころです。スクリーニングの目的は最適点を見つけることではなく、次の段階へ持ち込む因子を減らすこと。 絞り込みで精度を求めると、実験数はすぐ最適化と同じ規模へ膨らみます。

応答曲面と相互作用

絞った因子について、中心複合計画などで応答曲面を描きます。4因子なら、要因部分 16、軸上の点 8、中心点を数回。30回前後で曲面が推定できます。

曲面にして初めて見えるのが相互作用です。冒頭のガラクトースとマンガンがその典型で、ガラクトースを 10〜50 mM の範囲で振っても単独では糖鎖が動かず、マンガンを µM の桁で加えた条件でだけガラクトシル化が進みます。ウリジンを加える組み合わせも同じ性質を持ちます。銅の濃度が乳酸の出方を変える関係も、他の因子と切り離しては読めません。

曲面が描ければ、複数の応答を望ましさ関数などで統合して、同時に満たす条件を探せます。この発想は重要工程パラメータと設計空間と地続きです。

ただしモデルが指した最適点は予測です。必ず実培養で確かめます。予測と実測がずれたら、疑うのはモデルの精度より先に適用範囲のほう。探索した組成の外側へ外挿していないかを見ます。 応答曲面は内挿のための道具で、外へ出た瞬間にただの外挿です。

小型並列培養器という前提

DoEが培地開発の主流になったのは、統計が進歩したからではありません。並列で培養を回せる装置が手に入るようになったからです。

Sartorius の Ambr 15 は 10〜15 mL の容器を 24 本または 48 本、Ambr 250 は 100〜250 mL を 12 本または 24 本、同時に走らせます。30回の中心複合計画が、48本の装置なら一巡で終わる。Nova Biomedical の BioProfile FLEX2 を統合すれば代謝物と浸透圧が自動で取れ、Beckman Coulter の Vi-CELL、Roche CustomBiotech の Cedex Bio、908 Devices の REBEL といった分析計が測定側を支えます。

裏を返せば、装置の並列数が実験計画の上限を決めます。48本あるなら因子を多めに残せるし、12本なら先にスクリーニングで絞るしかない。 計画の規模は統計で決まるのではなく、手元の容器の本数で決まります。

POINT

DoEの実験数は、装置の並列数の倍数に丸めると無駄が出ません。48本の装置で30回の計画を組めば18本が空きます。中心点を厚くするか、確認実験を同じバッチに入れておくと使い切れます。

CD培地がDoEに効く理由

化学組成明確（CD）培地は、含まれる成分と濃度がすべて分かっている培地です。血清や加水分解物のような、組成の定まらない原料を含みません。

これがDoEに効く理由は三つあります。ロット間の組成ぶれが小さいので、得たモデルが次のロットでも成り立ちます。どの成分をいくら入れたかが分かるので、応答への寄与を成分の単位で解釈できます。そして動物由来成分に伴う外来因子のリスクを避けやすく、原材料管理の説明も通ります。組成の定まらない原料が一つ混ざると、効いたのがその中の何かなのか、こちらが振った因子なのかが区別できません。

代償もあります。加水分解物が担っていた未知の有益成分を、自前の微量成分で補う必要がある。設計の難度は上がります。だからこそDoEで系統的に組む価値が出る、という順序です。

なお、小スケールで決めた組成はスケールアップで再確認します。酸素供給も混合も違う槽では、同じ組成が同じ挙動を返すとは限りません。栄養の枯渇と副産物の蓄積そのものを避けたいなら、灌流培養という選択もあります。灌流では目的関数の重心が、力価から単位生産量あたりの培地量へ移ります。 培地は単体で最適化できるものではなく、培養様式と槽の形に紐づいています。