灌流のVVDはどこから決めればいい？
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 →の運転条件を詰めるとき、まず「何 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 → で回すか」を決めにいくことがあります。VVD（槽体積を1日に何回入れ替えるか）は運転計画にそのまま乗る扱いやすい数字です。ところが、これを出発点に置くと、細胞が増えた段で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 →が足りなくなる場面があります。
VVDを最初に置く順番ではありません。先に決めるのは目標の生細胞密度（VCD）と、細胞1個が1日に要する培地量である細胞比灌流速度（CSPR、pL/cell/day）です。VVDはこの2つの積として後から決まる従属変数で、安全側の高いCSPRから始めて、増殖・生存率・乳酸やアンモニアを見ながら下げると、VVDも収まるべき帯に落ち着きます。
なぜそうなるのか
VVDは槽を基準にした数字で、細胞1個に何が届くかは映していません。総灌流速度をCSPR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。詳しく →と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 →に分けて書くと、VVDはCSPR×VCDを作業体積で割った量にすぎないと分かります。VCDが2倍になっても同じVVDで回せば、細胞1個あたりの培地が半分に痩せます。立ち上げの増殖期は密度が動き続けるので、VVDを固定した設計は、いちばん細胞が増えた時点で栄養不足と乳酸・アンモニアの蓄積を招きます。
だから先に置くのはCSPRです。CHO細胞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 →では、CSPRがおおむね20〜50 pL/cell/dayの帯で語られ、報告例では密度を上げながら20 pL/cell/day前後まで下げた運転や、100×10⁶ cells/mLを超える密度を22 pL/cell/dayで保った例があります。この帯に目標VCDを掛ければ必要な灌流速度が絶対量で出て、それを作業体積で割った値がVVDです。培地の濃さも効きます。Gibco（Thermo Fisher Scientific）のHigh-Intensity Perfusion CHO Mediumは、1 VVDの連続灌流で100×10⁶ cells/mLを超える密度と1.7 g/L/dayまでの生産性を出すとされ、濃く設計した培地ほど、同じ栄養を低いVVDで届けられます。
現場で分かれるところ
もう1つの上限が、細胞保持装置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 →の能力です。VVDをいくら上げたくても、装置が透過させられる流量より上へは行けません。Repligenの中空糸細い管状の膜を束ねたろ過モジュール。接線流ろ過の膜面として細胞保持に使う。詳しく →を使うXCell ATFやKrosFlo、Merckの平膜を積むProstak MF（2スタックで0.17 m²、20スタックで1.7 m²）のように、保持面積と膜の目開きで通せる量が決まるため、目標VVDが装置の内側に収まるかを先に確かめます。
装置の担当に聞くのは「何 VVD 回せるか」だけでは足りません。目標VCDと目標CSPRを渡して、そのときの絶対灌流速度が保持装置の透過能力と培地の供給能力の内側にあるかを確かめます。運転中はNova BiomedicalのBioProfile FLEX2のような分析計で乳酸とアンモニアを追い、環境が崩れる手前でCSPRの下げ幅を止めます。
もう1つの分かれ目は、VVDを上げるか培地を濃くするかという経済判断です。VVDを上げれば細胞まわりの環境は安定しますが、培地の総体積が増えて収穫液も薄まります。濃い灌流用培地は単価が高いかわりに、低いVVDで同じ栄養を届けられます。
もっと詳しく知るなら
CSPRの定義から灌流速度・VVD・培地消費量・コストへ計算でつながる流れ、CSPRを高い値から下げて詰める手順、単位生産量あたりの培地量が経済性を律速する構造までは、CSPRとは？ 灌流速度・培地消費量・コストを計算で設計するにまとめています。灌流という運転方式そのものの位置づけは灌流培養の側で扱っています。
VVDは決めにいく数字ではなく、目標VCDと安全側のCSPRを置いたときに後から出てくる数字で、その値を挟み込むのは細胞保持装置の透過能力と培地の濃さです。
参考文献
- Thermo Fisher Scientific（Gibco）, High-Intensity Perfusion CHO Medium 製品情報（1 VVDの連続灌流での細胞密度と生産性）
- Repligen, XCell ATF / KrosFlo 中空糸フィルター 製品情報（灌流培養の細胞保持と膜の目開き）
- Merck, Prostak Microfiltration Modules 製品情報（灌流培養の細胞保持とスタック数あたりの面積）
- Perfusion Medium Development for Continuous Bioprocessing of Animal Cell Cultures（CSPRと灌流培地設計の総説）
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