マイクロ／ミニバイオリアクターとは？台数より先に確かめること

マイクロ／ミニバイオリアクターは、10 mLから数百mLの小さな容器を何十本も並べて同時に運転する装置です。クローン選抜、培地とフィードの検討、プロセス特性化の実験数を一気に増やせます。使いどころを間違えなければ強力です。ただ、実機に外挿する道具（スケールダウンモデル大スケールで起こる勾配やストレスを小さな槽で再現し、事前にリスクを評価する実験系。詳しく →）として使う場合は、何が合っていて何が合っていないかを知っているかどうかで、結果の信頼度が変わります。

条件を試す開発の担当だけでなく、装置を提案する営業にも、機種を選ぶ設備の担当にも、データをもとに製造への移管を判断する品質保証にも、「この装置の結果をどこまで信じてよいか」は共通の問いです。

並列培養の役目 ― 条件を絞る道具

クローン選抜や培地細胞を体外で生存・増殖させるために必要な栄養・エネルギー源・成長因子などを含む液体または固体の環境基盤。詳しく →・フィードの検討では、一度に振りたい条件が数十を超えます。本培養の槽を1台ずつ回していては追いつきません。そこで、小さな容器を並べた装置を使います。

Sartorius の Ambr 15 は、10〜15 mLの使い捨て容器を24本または48本、同時に運転できます。条件の数そのものが勝負になる一次スクリーニング多数の抗体クローンから、次段に進める候補を結合・発現・多様性で手早く絞り込む初期の選抜作業。詳しく →向けです。同じ会社の Ambr 250 High Throughput は容量が250 mLで、本数を絞って1本あたりの制御をプロセス開発向けに寄せています。Eppendorf の DASbox は最大24基を並べ、60〜250 mLの範囲で撹拌、pH、溶存酸素培養液に溶けている酸素の濃度。細胞の呼吸を支えるため一定に保つ制御対象。詳しく →を1基ずつ独立に振れます。

並列数と、1本あたりの制御は、同じ台に同居しません。数を取れば1本あたりの解像度が落ち、解像度を取れば同時に振れる条件が減ります。

小型の並列培養の価値は、条件を速く絞り込めることです。その結果をどこまで実機に持ち込めるかは、別の問いです。

用途で選ぶ ― スクリーニングと特性化

装置は、何を決めたいかで選び分けます。

スクリーニングでは、取りこぼす候補が出る損失のほうが重いので、本数を稼げる型が向きます。プロセス特性化では、振った条件のどれが効いたのかを切り分けられなければ意味がないので、1本ずつ制御できる型を選びます。必要な本数の下限は、プロセス特性解析のDoE（実験計画法）複数の因子を効率よく振り、少ない試験数で傾向をつかむための実験の計画手法。詳しく →で振る因子の数と水準の数を数えれば出ます。培地とフィードフェドバッチで追い足す濃縮した栄養液。いつ・どれだけ・どう入れるかが生産性と品質を左右する。詳しく →の設計は培地開発・最適化にあります。

自社に設備がなければ、Culture Biosciences の Cloud Bioreactor細胞やウイルスの培養を制御された環境下で大規模に行うための培養槽で、商業規模の製造に用いられる。詳しく → Platform のように、外部の並列培養サービスを使う道もあります。マイクロタイタープレート型の Beckman Coulter の BioLector XT や、48並列の 2mag bioREACTOR 48 は、微生物や発酵寄りの用途で本数を取る装置です。

結果が合っても環境は合っていない ― 代表性の落とし穴

細胞が受けているのは容器の大きさではなく、酸素、二酸化炭素、pH、栄養が場所と時間でどう変わるかと、撹拌の強さです。

冒頭の研究では、15 mLの容器の中の流れは、大きな槽のような乱流ではなく、乱流へ移る途中の状態でした。小さな容器で細胞に必要な酸素を届けるには、撹拌を大きな槽よりずっと強くする必要があった、と著者らは述べています。増え方と生産性が重なっていても、そこへ至った道筋が違えば、条件を振った先で実機とのずれが広がることがあります。

違いは、力価や細胞密度ではなく、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 →、乳酸、糖鎖タンパク質に付加される糖の鎖状構造で、抗体の有効性・免疫原性などに影響する重要な品質特性。詳しく →のような品質特性に出ることがあります。5 Lと25,000 Lで増え方と力価は合ったのに、生存率と糖鎖がずれた事例は、バイオリアクターのスケールアップで紹介しています。

酸素の溶けこみやすさ（kLa小型培養で確立した条件を、より大きなバイオリアクターへ拡大する取り組みです。酸素供給の指標kLaなどを揃え、性能を再現します。詳しく →）も同じです。カタログのkLaが実機と同じでも、その値は特定の撹拌と通気で測った1点にすぎません。撹拌と通気を変えたときの変わり方が実機と似ているかは、1点の値からは分かりません。DoEパラメータを変えたときCQAがどう応答するかを効率よく調べる実験計画法。詳しく →で振る範囲の全体で再現できているかを、自社の運転条件で確かめます。

もう一つ、小さな容器には測れる量の制限があります。10〜15 mLの容器から1回に抜ける量は限られるので、測る項目や頻度を絞るか、少ない量で測れる分析計を使います。実機では毎日測っている項目が小型では測れないと、同等性変更前後が完全に同一でなくても、品質・安全性・有効性で高い類似性を保ち差異が悪影響しないと言える状態。詳しく →を比べる材料が減ります。

結果の一致は環境の一致の証拠になりません。一致を確かめるのは、自社の運転条件で、品質特性まで含めた突き合わせです。

選ぶ判断軸 ― 台数より先に見る点

最初に決めるのは、選抜か、特性化か、実機の代わりかです。台数はそのあとに数えます。

次に見るのが、製造機へのつながりです。メーカーによっては、小型機から製造機まで同じ系列で梯子がつながっています。たとえば Sartorius は、Ambr 15 から Ambr 250、ベンチの機種を経て、使い捨て使い捨ての樹脂製バッグや容器を用いる製造方式です。洗浄・滅菌の手間を減らせる一方、ステンレス設備と比べて特徴が異なり、目的に応じて選び分けます。詳しく →の Biostat STR撹拌翼で機械的に混ぜ、スパージャーで通気する最も標準的なバイオリアクターの型式。詳しく → へ系列をつないでいます。系列が切れていると、小型で得た条件を製造機で取り直す作業が増えます。同じ系列でも、翼の形と散気（気泡の入れ方）が本番の槽とそろうかは、メーカーに確かめます。梯子の考え方はバイオリアクターの選び方にあります。

3つ目は、測定と操作の自動化です。小さな容器ほど、サンプリングと分析に人手と時間がかかります。自動サンプリングやバイオプロセスアナライザで、実機と同じ項目を同じ間隔で測れるかを確かめます。

4つ目は、実機のデータと突き合わせる前提で選ぶことです。小型と実機の出力を比べて代表性を示す作業はスケールダウンモデルの構築と適格性と適格性評価で解説しています。この突き合わせまで計画に入れている装置選びは、あとから代表性を疑い直す手戻りが小さく済みます。

よくある失敗 ― 台数と一致の読み違え

1つめは、並列数だけで機種を選ぶことです。台数が多くても、酸素の溶けこみ方が実機とずれていれば、そこで得た条件は本培養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 →で再現しません。2つめは、小型で最良だった条件を、実機で確かめずに製造へ持ち込むことです。小型は絞り込みの道具で、確定は実機で行います。

3つめは、力価と細胞密度だけで「再現した」と判断することです。生存率、乳酸、糖鎖を一緒に見ないと、環境のずれに気づけません。4つめは、小型と実機で、測る項目や間隔、制御の方式が違うことです。比べる土台がそろっていないと、重なっているかどうかの判断ができません。

5つめは、機種の優劣を問うことです。クローン選抜のように条件を絞れていない段階では本数を取る型、特性化のように絞った条件を実機の判断に使う段階では実機に近づけられる型と、避けたい失敗が変われば答えも変わります。

明日から確かめられること ― 選定と受け入れのチェックリスト

小型の装置の結果を、実機や製造移管の判断に使っているなら、次の項目を確かめてみてください。

• 決めたいのは、選抜か、特性化か、実機の代わりか
• 振る因子と水準から、必要な同時の本数を数えたか
• 自社の本培養槽の撹拌と通気の運転条件を洗い出し、メーカーにその条件でのkLaと混ざる時間を出してもらったか
• 小型と実機の比較に、力価と細胞密度のほか、生存率、乳酸、糖鎖を入れたか
• 測れる項目、1回に抜ける量、サンプリングの間隔は、実機とそろっているか
• 小型機と製造機は、翼の形と通気の入れ方がそろう系列でつながるか
• 小型で最良だった条件を、実機で確認する計画があるか

製品は並行培養システム、卓上型バイオリアクター、自動サンプリング、バイオプロセスアナライザの各ページで比べられます。

参考文献

• Nienow AW, Rielly CD, Brosnan K, Bargh N, Lee K, Coopman K, Hewitt CJ. The physical characterisation of a microscale parallel bioreactor platform with an industrial CHO cell line expressing an IgG4. Biochem Eng J. 2013;76:25-36. Loughborough University Repository（15 mLのAmbr容器と5 L撹拌槽の比較、撹拌動力の違い）
• Sartorius, Ambr 15 Cell Culture（製品情報）（10〜15 mL、24または48基）
• Sartorius, Ambr 250 High Throughput（製品情報）
• Eppendorf, DASbox Mini Bioreactor System（製品情報）（最大24基、60〜250 mL）