灌流培養とは？流加（フェドバッチ）との違いとメリット

流加（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 →）は栄養を少しずつ足しながら数日〜2週間ほどで一区切りつける方式です。対して灌流は、培地を絶えず交換することで高い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。を保ったまま長期間にわたって産生を続けさせます。槽内の老廃物が溜まりにくく、流加では到達しにくい細胞密度を維持できるため、小型の槽でもまとまった量を作れるのが特徴です。

もっとも、灌流はそれ単体で完結する方式ではありません。後段の連続精製へ産物を供給する「上流側の連続運転」として位置づけるのが正確です。連続生産やプロセス強化同じ設備からの採れ高を高める工夫の総称。灌流や高密度培養で単位あたりコストを下げる考え方。（インテンシフィケーション）の中核に置かれるのもこの方式です。実務で灌流を回すうえで問われるのは、細胞保持装置をどう選ぶか、灌流速度（VVD）で何をどう管理するか、膜の目詰まり微粒子や凝集体、タンパク層が膜の孔を塞いでろ過が落ちる現象。プレフィルターでの前段保護が効く。をどう監視するか、そして流加とどう使い分けるか——このあたりが具体的な勘どころになります。

灌流は「細胞を保持して培地を流し続ける」培養

灌流培養の骨格はシンプルです。新鮮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。を一定の速さで供給し、同じ速さで培養液を抜き出す。ただし抜き出すとき、細胞をそのまま流してしまっては密度が保てません。そこで培養液を細胞保持装置に通し、細胞は槽内へ戻す。細胞を除いた清澄な液（産物を含む）だけを槽外へ取り出します。

この運転を続けると、栄養の供給と老廃物の排出が常に行われるため、細胞が置かれる環境は流加よりも一定に保たれます。結果として、流加よりも高い生細胞密度を長期間維持しやすくなる。槽の体積に対して多くの細胞を抱えられるため、同じ生産量なら槽を小さくできるのが灌流の骨格的な利点です。

灌流は産物を作り溜めるのではなく流し続ける方式です。後段の精製を連続で回す前提と相性がよく、清澄液を受け取る下流側も連続で処理できる設計が活きてきます。上流の連続化を担い、下流の連続精製と組み合わせて初めて強みが出る 方式 です。

細胞保持装置が灌流の成否を握る

灌流を成立させる中心部品が細胞保持装置です。培養液から細胞だけを選り分けて槽に戻し、産物を含む清澄液を通す役割を担います。広く使われるのが中空糸膜（ホローファイバー細い管状の膜を束ねたモジュールで、管の内外を液が通ることでTFFの濃縮やろ過を行う部材です。詳しく →）を用いるろ過方式で、駆動の仕方からATFとTFF膜面に液を平行に流しながらろ過し、目詰まりを抑えつつ濃縮やバッファ交換を行う限外ろ過（クロスフロー）装置一式です。詳しく →に分かれます。

ATF（Alternating Tangential Flow）は、ダイヤフラムポンプ膜（ダイヤフラム）で流れを往復させるポンプ。ATFで穏やかに流れを反転させ、せん断を抑える。で培養液を膜に対して往復させる方式です。流れの向きが入れ替わることで膜面に細胞が堆積しにくく、目詰まりを抑えやすいとされます。一方、TFF（Tangential Flow Filtration）はポンプで一方向に接線流を作り、膜面に沿って液を流す方式です。いずれも膜の孔径フィルター膜に存在する細孔の公称上の大きさを示す値で、保持できる粒子・微生物の最小サイズの目安となる指標（ただし実際の保持性能はバクテリアチャレンジ試験で実証される）。を細胞より小さく、産物（抗体）より大きく設計することで、細胞は通さず産物だけを通します。

孔径の選び方も設計の分かれ目です。産物を槽外へ通す設定（プロダクト・パーフュージョン）にするか、産物も槽内に留めて細胞をさらに高密度化する設定にするかで、運転の狙いが変わります。細胞保持装置の方式と膜仕様の選択は、灌流プロセス全体の設計と切り離せない 要素 です。

灌流速度（VVD）で培地交換量を管理する

灌流培養では、どれだけの培地を交換するかを灌流速度で管理します。よく使われる指標が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。（Vessel Volumes per Day）で、1日あたり槽の体積の何倍の培地を流すかを表します。VVDが1なら、1日で槽1杯分の培地を入れ替える計算です。

VVDを上げれば老廃物の排出と栄養供給が手厚くなり、より高い細胞密度を支えられます。ただし培地の消費量が増え、運転コストにそのまま効いてくる。逆にVVDを下げると培地は節約できますが、栄養が細胞数に追いつかなければ密度や産生が頭打ちになります。細胞密度あたりの培地供給（CSPR：細胞比灌流速度細胞1個が1日に必要とする培地体積を表す指標（pL/cell/day）。灌流速度や培地消費量の設計の土台になる。の考え方）を意識し、細胞数の増加に合わせてVVDを調整するのが基本です。

VVDは固定値で回すこともできますが、細胞密度の立ち上がりに合わせて段階的に上げていく運用も一般的です。灌流速度の設計は、到達したい細胞密度と培地コストのバランスをとる 作業 になります。

中空糸膜の目詰まりを監視する

灌流の運転で避けられないのが、中空糸膜の経時的な目詰まりです。運転日数を重ねるほど、膜の孔に細胞由来の成分やデブリが蓄積し、膜の通りが悪くなっていきます。これは差圧（TMP：膜間差圧膜の両側にかかる圧力の差。ろ過の流れを生む力で、上げても壁律速の領域では流量が増えなくなる。）の上昇として現れる。同じ流量を保とうとすると、より大きな圧がかかるようになります。

もう一つ注意したいのが、産物の保持率（シービング目的の製品が膜をどれだけ透過して回収できるかの度合い。膜の目詰まりや細胞破壊で悪化する。）の変化です。本来は通り抜けるはずの抗体が、膜の目詰まりとともに通りにくくなり、清澄液側の産物濃度が下がる、あるいは産物が槽内に溜まり始めることがあります。差圧膜の両側にかかる圧力の差。ろ過の流れを生む力で、上げても壁律速の領域では流量が増えなくなる。と保持率は、灌流が健全に回っているかを判断する基本指標です。これらが崩れ始めたら、膜の交換や運転条件の見直しを検討する局面に入ります。

長期運転を前提とする以上、膜は消耗品として扱い、いつ性能が落ちるかを見越して監視と交換の計画を組んでおく必要があります。崩れてから止めるのではなく、傾きの段階で気づける運転を狙う。差圧上昇と保持率低下は、膜の状態を読むための二つの基本 サイン です。

流加との使い分けと連続生産での位置づけ

灌流が常に流加より優れるわけではありません。どちらを選ぶかは、製品、生産量、設備、運転期間の前提で変わります。流加は運転がシンプルで、バッチごとの区切りが明確なため、品質管理遺伝子治療製品の品質・安全性・有効性を保証するために製造・出荷の各段階で実施する試験・管理の総体。や工程管理の組み立てがしやすい。灌流は装置構成と監視項目が増えるぶん、運転の複雑さは上がります。

それでも灌流が選ばれるのは、小型の槽で長期にわたり一定の産生を続けられるからです。連続生産やプロセス強化の文脈では、上流を灌流で連続化し、清澄液を連続精製へ流す構成が中核に据えられます。また、本培養そのものではなく、シードトレインの最終段を灌流で高密度化してから本培養へ接種する使い方（N-1灌流）もあります。これは本培養の立ち上がりを速め、生産性を底上げする狙いです。製造の管理面では、培養方式によらず、ICH Q5A(R2)細胞株由来のバイオ医薬品について、ウイルス安全性評価の枠組みを示すICHガイドライン。が示すウイルス安全性製造工程がウイルスをどれだけ除去・不活化できるかを評価し、製品の安全性を確保する取り組みです。各工程の低減能力を対数の値で示します。詳しく →の枠組みなど、品質・安全性の要件を満たすことが前提になります。

灌流は流加の置き換えというより、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。という設計思想の一部として捉えると位置づけが掴みやすくなります。上流を連続化して下流の連続精製へつなぐプロセス強化の 中核 です。

まとめ

灌流培養は、細胞保持装置で細胞を槽内に留めながら培地を連続交換し、高い生細胞密度を保ったまま産物を連続的に取り出す方式です。中空糸膜を用いるATFやTFFが広く使われ、灌流速度（VVD）で培地の交換量を管理します。長期運転では膜の目詰まりが避けられないため、差圧の上昇と産物保持率の低下を監視し、膜の状態を傾きの段階で読むことが運転の要点です。

流加との優劣は前提次第ですが、灌流は小型槽での長期・一定の産生を可能にし、後段の連続精製へ清澄液を供給します。連続生産やプロセス強化を考えるとき、その中核に位置する方式として押さえておきたいところです。シードトレイン目的物質を作る細胞をあらかじめ大量に凍結保存し、製造のたびに同じ素性の細胞を使えるようにした細胞の在庫（MCB/WCB）のことです。詳しく →や連続精製と並べて読むと、上流を連続化する意味がより立体的に見えてきます。

参考文献

• ICH医薬品規制の国際調和を目的として、日米欧の規制当局と製薬業界が参加する国際的なガイドライン策定機関。 Q5A(R2), Viral Safety Evaluation of Biotechnology Products Derived from Cell Lines of Human or Animal Origin. https://database.ich.org/sites/default/files/ICH_Q5A(R2)_Guideline_2023_1101.pdf
• ICH Q6B生物薬品の規格・試験方法の設定の考え方を示すICHガイドライン。力価などの規格を扱う。, Specifications: Test Procedures and Acceptance Criteria for Biotechnological/Biological Products. https://database.ich.org/sites/default/files/Q6B%20Guideline.pdf
• ICH Q5Cバイオテクノロジー応用医薬品の安定性試験の考え方を示す国際調和ガイドライン。, Quality of Biotechnological Products: Stability Testing of Biotechnological/Biological Products. https://database.ich.org/sites/default/files/Q5C%20Guideline.pdf