バイオプロセッシングのための細胞ベースのせん断応力センサー

バイオリアクター栽培中のせん断応力は、細胞の健康、成長、運命に大きな影響を与えます。次世代細胞療法におけるT細胞や幹細胞などの哺乳類細胞は、培養環境に存在するせん断ストレスに特に敏感です。したがって、プロセスパラメーターを最適化し、細胞の成長と収量を強化するために、バイオプロセスによって課されるせん断応力に関する基本知識が必要です。ただし、典型的な計算フローダイナミクスモデリングまたはPCRベースのアッセイにはいくつかの制限があります。計算モデリングの実装と解釈には、多くの場合、技術的な専門分野が必要であり、モデリングの多くの単純化にも依存しています。遺伝子発現の変化を評価するPCRベースのアッセイには、高度なラボ機器と技術者を使用した扱いにくいサンプル調製が含まれ、せん断応力の迅速かつ単純な評価を妨げます。ここでは、さまざまなバイオリアクタータイプと動作条件でせん断応力レベルを測定するためのシンプルな細胞ベースのせん断応力センサーを開発しました。CHO-DG44細胞株を設計して、ストレスに敏感なプロモーターEGR-1コントロールGFP発現を行いました。その後、ストレスを受けたCHO細胞を96ウェルプレートに移し、24時間にわたって細胞分析機器（Incucyte®、Sartorius Stedim Biotech）を使用してGFPレベル（母集団平均蛍光）を監視しました。化学的誘導ストレスと流体せん断応力を含むセンサーの特性評価、および安定性調査を実施した後、さまざまなインペラーと容器の設計でAMBR®250バイオリアクター容器（Sartorius Stedim Biotech）のせん断応力センサーをテストしました。結果は、CHO細胞ベースのせん断応力センサーが、せん断応力の大きさまたは曝露時間の増加に応じて、より高いGFPレベルを発現することを示しました。これらのセンサーは、バイオリアクター条件によって課されるせん断応力を評価するための便利なツールであり、低せん断応力プロファイルでさまざまなバイオリアクター容器の設計を促進できます。

Shear stress during bioreactor cultivation has significant impact on cell health, growth, and fate. Mammalian cells, such as T cells and stem cells, in next-generation cell therapies are especially more sensitive to shear stress present in their culture environment than bacteria. Therefore, a base knowledge about the shear stress imposed by the bioprocesses is needed to optimize the process parameters and enhance cell growth and yield. However, typical computational flow dynamics modeling or PCR-based assays have several limitations. Implementing and interpreting computational modeling often requires technical specialties and also relies on many simplifications in modeling. PCR-based assays evaluating changes in gene expression involve cumbersome sample preparation with the use of advanced lab equipment and technicians, hampering rapid and straightforward assessment of shear stress. Here, we developed a simple, cell-based shear stress sensor for measuring shear stress levels in different bioreactor types and operating conditions. We engineered a CHO-DG44 cell line to make its stress sensitive promoter EGR-1 control GFP expression. Subsequently, the stressed CHO cells were transferred into a 96 well plate, and their GFP levels (population mean fluorescence) were monitored using a cell analysis instrument (Incucyte®, Sartorius Stedim Biotech) over 24hours. After conducting sensor characterization, which included chemical induced stress and fluid shear stress, and stability investigation, we tested the shear stress sensor in the Ambr® 250 bioreactor vessels (Sartorius Stedim Biotech) with different impeller and vessel designs. The results showed that the CHO cell-based shear stress sensors expressed higher GFP levels in response to higher shear stress magnitude or exposure time. These sensors are useful tools to assess shear stress imposed by bioreactor conditions and can facilitate the design of various bioreactor vessels with a low shear stress profile.