Vắc xin virus dựa trên nuôi cấy tế bào – Phá vỡ tế bào hiệu quả bằng xử lý siêu âm
Máy siêu âm (sonicator) của Hielscher giúp phá vỡ và hòa tan tế bào trong các môi trường nuôi cấy tế bào nhiễm virus (ví dụ: Vero) để thu hoạch virus trong sản xuất vắc xin. Hãy tận dụng khả năng ly giải môi trường nuôi cấy tế bào một cách tin cậy và hiệu quả bằng xử lý siêu âm hiệu suất cao!
Phá vỡ tế bào để thu hoạch virus trong vắc xin dựa trên nuôi cấy tế bào
Sản xuất vắc xin dựa trên nuôi cấy tế bào, ví dụ trong các dòng tế bào Vero, MDCK, EB66, CHO hoặc PER.C6, đòi hỏi phải thu hồi virus từ môi trường nuôi cấy vào cuối chu kỳ nhiễm. Tùy theo loại virus, một phần lớn virus thu hoạch được gắn với tế bào, hoặc nằm bên trong tế bào hoặc bám vào màng tế bào. Do đó, việc thu hoạch đầy đủ và nhẹ nhàng phụ thuộc vào việc phá vỡ tế bào hiệu quả và hòa tan khối tế bào. Ly giải bằng siêu âm là phương pháp đáng tin cậy và đã được thiết lập từ lâu để phá vỡ tế bào và sau đó giải phóng virus, protein virus, DNA và RNA. Khi xử lý các môi trường nuôi cấy tế bào nhiễm virus, xử lý siêu âm – việc ứng dụng siêu âm cường độ cao – mở tế bào, tách các hạt virus khỏi màng và mảnh vụn tế bào, đồng thời đồng nhất dịch thu hoạch thành huyền phù có độ nhớt thấp, có thể bơm được và có thể đưa trực tiếp vào các bước làm trong, ly tâm và sắc ký.
Xử lý siêu âm hoạt động như thế nào?
Phá vỡ tế bào bằng siêu âm dựa hoàn toàn trên lực cơ học. Hiện tượng xâm thực âm học (cavitation) tạo ra lực cắt cục bộ mạnh và dòng vi mô (microstreaming) làm vỡ màng tế bào và thúc đẩy sự truyền khối giữa bên trong tế bào và môi trường xung quanh.
Hệ thống sản xuất vắc xin bằng siêu âm: Máy siêu âm công nghiệp UIP2000hdT với lò phản ứng bằng thép không gỉ
Phá vỡ tế bào bằng siêu âm có những ưu điểm gì?
Cơ chế hoạt động này mang lại cho xử lý siêu âm một lợi thế quyết định so với ly giải hóa học: không cần chất tẩy rửa, lysozyme, proteinase K hay các thuốc thử ly giải khác, những chất có thể làm thay đổi dịch ly giải, gây cản trở quá trình tinh chế phía sau hoặc phải được loại bỏ trước khi xử lý tiếp. Ngược lại, phá vỡ bằng enzyme cần thời gian ủ lâu và thường cho kết quả không lặp lại được. Vì cường độ xử lý siêu âm có thể được điều chỉnh chính xác theo mẫu sinh học, nên tránh được tình trạng xử lý quá mức, suy giảm chất lượng và hao hụt hiệu suất.
Áp dụng xử lý siêu âm để:
- phá vỡ và ly giải các tế bào nhiễm virus của môi trường nuôi cấy bám dính và nuôi cấy huyền phù
- giải phóng các hạt virus nằm trong tế bào và gắn với màng tế bào
- hòa tan khối tế bào và giảm độ nhớt của dịch thu hoạch
- đồng nhất và phân tán mảnh vụn tế bào để việc làm trong dễ dàng hơn
- phân tán các cụm virus thành huyền phù đồng đều
- bất hoạt tác nhân gây bệnh ở biên độ, áp suất và thời gian tiếp xúc xác định
- tăng cường các bước ly giải bằng chất tẩy rửa hoặc enzyme khi cần thiết
Phá vỡ tế bào bằng siêu âm ở quy mô công nghiệp: Máy siêu âm UIP6000hdT với buồng dòng chảy bằng thép không gỉ để xử lý liên tục các môi trường nuôi cấy tế bào nhiễm virus.
Máy siêu âm UP400St với buồng dòng chảy FC22K để phá vỡ tế bào trực tuyến (inline)
Tại sao nên dùng xử lý siêu âm để thu hoạch virus?
Sơ đồ xử lý trực tuyến (inline) khối virus rota đơn trị. Vật liệu khối được xử lý vô trùng trực tiếp từ bình nuôi cấy (CF-10), được chuyển qua bơm nhu động đến buồng dòng chảy của máy siêu âm để phá vỡ các mảnh vụn tế bào còn sót lại. Sau đó, vật liệu đã xử lý siêu âm được lọc trong rồi đưa vào bình chứa trung gian để ổn định.
Nghiên cứu và hình ảnh: Langston et al., 2026.
Ưu điểm
- điều chỉnh chính xác theo quy trình
- ly giải cơ học thuần túy, không dùng hóa chất
- xử lý sạch và vệ sinh, buồng dòng chảy tương thích CIP/SIP
- khả năng lặp lại cao nhờ tự động ghi dữ liệu
- mở rộng quy mô tuyến tính từ phòng thí nghiệm lên sản xuất
- vận hành dễ dàng và an toàn, điều khiển từ xa qua trình duyệt
- thiết bị đáng tin cậy và bền bỉ cho hoạt động 24/7
- hiệu suất năng lượng cao, khoảng 80–90% từ phích cắm điện vào chất lỏng
Thiết lập quy trình điển hình để thu hoạch virus
- Thu hoạch và cô đặc. Thu hồi môi trường nuôi cấy tế bào đã nhiễm (dịch thu hoạch, tế bào cạo từ lò phản ứng sinh học lớp cố định hoặc dùng một lần, hoặc cặn tế bào ly tâm được hoàn dịch trong đệm).
- Điều chỉnh điều kiện. Điều chỉnh đệm, pH và nhiệt độ. Xử lý siêu âm cũng cải thiện việc trộn và hòa tan các thành phần của đệm ly giải nếu sử dụng bước có hỗ trợ bằng đệm hoặc chất tẩy rửa.
- Phá vỡ bằng siêu âm. Cho huyền phù đi qua buồng dòng chảy có vỏ bọc và được theo dõi nhiệt độ (tuần hoàn đối với xử lý theo mẻ, một lần hoặc nhiều lần đi qua đối với xử lý trực tuyến liên tục). Đặt biên độ và thời gian lưu ở mức tối thiểu đạt được tỷ lệ phá vỡ mục tiêu để bảo toàn các kháng nguyên virus.
- Bất hoạt tùy chọn. Áp dụng biên độ cao hơn, áp suất tăng và thời gian tiếp xúc dài hơn, hoặc xử lý siêu âm nhiệt, để bất hoạt tác nhân gây bệnh phù hợp với chiến lược vắc xin.
- Công đoạn tiếp theo. Làm trong, ly tâm và/hoặc lọc dịch ly giải hiện đã có độ nhớt thấp và đồng nhất, sau đó là sắc ký, cô đặc và bào chế.
Sau thu hoạch: Bào chế bằng cùng một công nghệ
Cùng một nền tảng Hielscher phá vỡ tế bào cũng đảm nhiệm các bước bào chế vắc xin. Phân tán và phá kết tụ bằng siêu âm tạo ra các huyền phù đồng đều của kháng nguyên, bao gồm các mảnh tế bào và kháng nguyên protein, trong polyme hoặc trong lớp bao liposome. Các tá dược gốc nhôm, chẳng hạn như Alhydrogel™, gồm các hạt sơ cấp nhỏ li ti dễ kết tụ; phân tán bằng siêu âm giúp kháng nguyên và tá dược phân bố đồng đều, điều cần thiết để tích hợp thành công. Máy siêu âm Hielscher còn được dùng để bào chế thuốc và vắc xin thành liposome và các chất mang cấu trúc nano như hạt nano lipid rắn, với khả năng kiểm soát chính xác kích thước chất mang, cải thiện khả năng nạp thuốc và tăng cường độ ổn định. Khử khí huyền phù thành phẩm trước khi chiết rót vào lọ hoặc ống tiêm cũng là một bước siêu âm tiêu chuẩn khác.
Xem thêm chi tiết tại đây: Siêu âm trong sản xuất vắc xin.
An toàn, sạch và sẵn sàng cho sản xuất theo quy định
- Các bộ phận tiếp xúc chất lỏng bằng titan hoặc thép không gỉ, có thể hấp tiệt trùng
- Có sẵn lò phản ứng buồng dòng chảy tương thích CIP/SIP
- Vỏ máy bằng nhựa kháng khuẩn hoặc thép không gỉ để lắp đặt trong phòng sạch
- Tài liệu quy trình tự động, có thể phát hiện can thiệp trên thẻ SD/USB
- Vận hành liên tục 24/7, ít bảo trì, không cần làm mát cưỡng bức
- Không có hạt nghiền tiêu hao, không có buồng nghiền, không nhiễm chéo giữa các mẻ
Thiết kế, sản xuất và tư vấn – Chất lượng Made in Germany
Máy siêu âm Hielscher nổi tiếng với chất lượng cao nhất và các tiêu chuẩn thiết kế hàng đầu. Độ bền chắc và dễ vận hành cho phép tích hợp trơn tru các máy siêu âm của chúng tôi vào các cơ sở công nghiệp. Máy siêu âm Hielscher dễ dàng xử lý các điều kiện khắc nghiệt và môi trường khắt khe.
Hielscher Ultrasonics là công ty được chứng nhận ISO và đặc biệt chú trọng đến các máy siêu âm hiệu suất cao với công nghệ tiên tiến nhất và sự thân thiện với người dùng. Tất nhiên, máy siêu âm Hielscher tuân thủ CE và đáp ứng các yêu cầu của UL, CSA và RoHS.
Lắp đặt 2 máy UIP1000hdT (mỗi máy 1kW, 20kHz) để sản xuất dược phẩm
Các câu hỏi thường gặp về phá vỡ tế bào bằng siêu âm trong sản xuất vắc xin virus
Phá vỡ tế bào bằng siêu âm là gì?
Phá vỡ tế bào bằng siêu âm sử dụng siêu âm cường độ cao, thường trong khoảng 20–30kHz, để làm vỡ màng tế bào và giải phóng vật chất bên trong tế bào. Sóng siêu âm công suất cao tạo ra các bọt xâm thực trong chất lỏng. Khi các bọt này vỡ, chúng tạo ra lực cắt cục bộ mạnh và dòng vi mô, làm tế bào bị phá vỡ về mặt cơ học và thúc đẩy sự truyền khối giữa bên trong tế bào và môi trường xung quanh. Trong sản xuất vắc xin, kỹ thuật này được dùng để ly giải các môi trường nuôi cấy tế bào nhiễm virus và giải phóng các hạt virus nằm trong tế bào và gắn với màng tế bào vào dịch thu hoạch.
Tại sao dùng xử lý siêu âm thay cho ly giải hóa học hoặc bằng enzyme để thu hoạch virus?
Xử lý siêu âm hoạt động hoàn toàn bằng lực cơ học. Không cần chất tẩy rửa, lysozyme, proteinase K hay các thuốc thử ly giải khác, những chất có thể làm thay đổi dịch ly giải, gây cản trở quá trình tinh chế phía sau hoặc cần được loại bỏ trước khi xử lý tiếp. Thuốc thử hóa học thường đòi hỏi việc chuẩn bị nhiều bước tốn thời gian để ngăn chặn sự ức chế các xét nghiệm tiếp theo và các bước xử lý sau khác. Phá vỡ bằng enzyme cần thời gian ủ lâu và thường cho kết quả không lặp lại được. Ly giải bằng siêu âm cũng gộp các bước hoàn dịch, phá vỡ và chiết xuất thành một thao tác liên tục duy nhất. Khi quy trình của bạn yêu cầu một bước có hỗ trợ bằng chất tẩy rửa hoặc enzyme, xử lý siêu âm sẽ tăng cường chứ không thay thế bước đó: xâm thực làm yếu màng tế bào và cải thiện độ tiếp xúc đồng đều của tất cả tế bào với thuốc thử.
Xử lý siêu âm so với các phương pháp đồng nhất cơ học như thế nào?
Máy siêu âm dạng đầu dò truyền năng lượng siêu âm trực tiếp và hiệu quả, vì sonotrode tiếp xúc trực tiếp với mẫu. Các kỹ thuật đồng nhất dẫn động bằng cơ học thường có hiệu suất truyền năng lượng thấp hơn. Xử lý siêu âm không cần hạt nghiền tiêu hao hay phớt quay trong dòng sản phẩm, không có vòi phun hay buồng có thể bị tắc bởi khối tế bào nhớt, và không nhiễm chéo giữa các mẻ.
Xử lý siêu âm có thể làm hỏng virus hoặc kháng nguyên không?
Đây là nhiệm vụ tối ưu hóa then chốt, và có thể kiểm soát được. Bằng cách điều chỉnh các thông số xử lý siêu âm, có thể kiểm soát chính xác tác động của xử lý siêu âm: biên độ thấp và xử lý siêu âm ngắn có tác dụng rất nhẹ nhàng, trong khi biên độ cao, áp suất tăng và thời gian xử lý siêu âm dài hơn cho xử lý cường độ mạnh. Vì cường độ có thể được điều chỉnh chính xác theo mẫu sinh học, nên tránh được tình trạng xử lý quá mức, suy giảm chất lượng và hao hụt hiệu suất. Trong thực tế, biên độ, thời gian lưu và số lần đi qua được đặt ở mức tối thiểu đạt được tỷ lệ phá vỡ mục tiêu, kèm theo theo dõi nhiệt độ liên tục và làm mát.
Xử lý siêu âm có làm giảm độ nhớt của dịch thu hoạch không?
Có. Dịch thu hoạch đặc, mật độ tế bào cao thì nhớt và khó bơm do DNA tế bào chủ được giải phóng chưa bị phân mảnh. Xử lý siêu âm cắt và phân mảnh DNA và RNA, đồng thời hòa tan khối tế bào và phân tán mảnh vụn tế bào. Kết quả là một huyền phù đồng nhất, có thể bơm được, giúp việc làm trong, ly tâm và sắc ký hiệu quả hơn. Phân mảnh DNA và RNA bằng xử lý siêu âm có kiểm soát là một ứng dụng phòng thí nghiệm đã được thiết lập của cùng một công nghệ.
Tôi có thể vận hành quy trình ở chế độ trực tuyến (inline) liên tục không?
Có. Máy siêu âm Hielscher được thiết kế để vận hành liên tục 24/7 trong môi trường công nghiệp và có thể được cấu hình với buồng dòng chảy và lò phản ứng để xử lý siêu âm trực tuyến liên tục, các vòng tuần hoàn hoặc tích hợp vào các khung sản xuất và dây chuyền xử lý. Cả vận hành một lần đi qua và nhiều lần đi qua đều khả thi.
Làm thế nào để mở rộng quy mô từ phòng thí nghiệm lên sản xuất?
Theo tuyến tính, dựa trên năng lượng đầu vào có thể đo lường. Tất cả kết quả xử lý siêu âm thu được bằng máy đồng nhất siêu âm Hielscher có thể được mở rộng quy mô tuyến tính lên công suất cao hơn trong sản xuất công nghiệp; các thông số xử lý siêu âm được xây dựng bằng máy siêu âm để bàn có thể chuyển trực tiếp sang các hệ thống Hielscher lớn hơn. Tiêu chí mở rộng quy mô là năng lượng đầu vào riêng trên mỗi đơn vị thể tích, cùng với biên độ, thời gian lưu và nhiệt độ. Dịch vụ tư vấn quy trình của Hielscher bao gồm các khuyến nghị tối ưu hóa thông số (biên độ, năng lượng riêng E/V, thời gian lưu, kiểm soát nhiệt độ và áp suất) gắn với năng lượng đầu vào có thể đo lường.
Phá vỡ tế bào bằng siêu âm có phù hợp với phòng sạch và sản xuất theo kiểu GMP không?
Máy siêu âm Hielscher có thể dễ dàng được lắp đặt trong các phòng thí nghiệm phòng sạch và cơ sở sản xuất. Vỏ máy được làm từ nhựa kháng khuẩn hoặc thép không gỉ. Tất cả các bộ phận tiếp xúc với chất lỏng, chẳng hạn như sonotrode và buồng dòng chảy, được làm từ titan hoặc thép không gỉ và có thể hấp tiệt trùng. Có sẵn các lò phản ứng buồng dòng chảy đặc biệt đáp ứng các yêu cầu CIP (làm sạch tại chỗ) và SIP (tiệt trùng tại chỗ) nâng cao. Đầu biến năng của dòng UIP công nghiệp đạt cấp bảo vệ IP64 và có thể được lắp đặt trong môi trường khắt khe trong khi bộ phát được đặt từ xa. Vì máy siêu âm Hielscher chuyển đổi năng lượng điện thành dao động cơ học với hiệu suất rất cao, khoảng 80–90% từ phích cắm điện vào chất lỏng, nên đầu biến năng có thể được tích hợp trong vỏ kín không có cửa thông gió, và không cần làm mát cưỡng bức như khí nén hoặc nước. Điều này cũng có nghĩa là không có môi chất làm mát tiếp xúc với quy trình. Tài liệu quy trình tự động hỗ trợ khả năng truy xuất nguồn gốc và khả năng lặp lại trong sản xuất theo quy định.
Xử lý siêu âm có thể bất hoạt virus để làm vắc xin bất hoạt không?
Có. Siêu âm công suất cao được ứng dụng trong việc bất hoạt các tác nhân gây bệnh như vi khuẩn và virus. Với liều lượng và cường độ xử lý siêu âm phù hợp, tế bào và vi sinh vật có thể được xử lý theo mục tiêu của quy trình, do đó cùng một nền tảng phục vụ cả ly giải để thu hoạch lẫn bất hoạt. Sự kết hợp giữa xử lý siêu âm và nhiệt, được gọi là xử lý siêu âm nhiệt (thermo-sonication), cho tốc độ tiệt trùng nhanh hơn với cường độ và thời gian nhiệt giảm đáng kể, điều này có lợi cho việc bảo toàn các hợp chất nhạy cảm với nhiệt như protein và kháng nguyên. Bất hoạt bằng siêu âm thường được dùng kết hợp với hóa học bất hoạt đã được thiết lập, và động học bất hoạt hoàn toàn phải được thẩm định cho từng loại virus cụ thể.
Có thể dùng cùng một hệ thống cho các bước bào chế sau thu hoạch không?
Có. Cùng một nền tảng đảm nhiệm việc phân tán kháng nguyên vào huyền phù, polyme hoặc lớp bao liposome, việc phá kết tụ và phân bố đồng đều kháng nguyên và các tá dược gốc nhôm như Alhydrogel™, việc bào chế vắc xin thành liposome và hạt nano lipid rắn với khả năng kiểm soát chính xác kích thước chất mang, cùng bước khử khí trước khi chiết rót vào lọ hoặc ống tiêm.
Tài liệu tham khảo
- Langston J. W.; Carroll M.; Whalen M. M.; Jaw, T. M.; Rojas L. V.; Hertel C. C.; Gote V., Balasundaram W.; Serbzhinzhskiy D.; Kapre S.; Olave, I. A. (2026): Novel non-aqueous rotavirus vaccine: Formulated for thermostability and easy administration. Human Vaccines & Immunotherapeutics, 22(1), 2026.
- Mohsen, M.O., Rothen, D., Balke, I. et al. (2021): Neutralization of MERS coronavirus through a scalable nanoparticle vaccine. npj Vaccines 6, 107 (2021).
- Mohsen M.O., Balke I., Zinkhan S. et al. (2022): A scalable and highly immunogenic virus-like particle-based vaccine against SARS-CoV-2. Allergy Vol 77, Issue 1; 2022. 243–257.
- Brittney Mott; Sanjay Thamake; Jamboor Vishwanatha; Harlan P. Jones (2013): Intranasal delivery of nanoparticle-based vaccine increases protection against S. pneumoniae. J Nanopart Res (2013) 15:1646.
Hielscher Ultrasonics sản xuất máy đồng nhất siêu âm hiệu suất cao từ quy mô phòng thí nghiệm đến quy mô công nghiệp.