Vắc-xin virus dựa trên nuôi cấy tế bào – Phá vỡ tế bào hiệu quả bằng phương pháp siêu âm
Các thiết bị siêu âm Hielscher giúp phá vỡ tế bào và hòa tan các môi trường nuôi cấy tế bào bị nhiễm virus (ví dụ: Vero) để thu hoạch virus trong sản xuất vắc-xin. Hãy tận dụng khả năng phá vỡ tế bào đáng tin cậy và hiệu quả của các môi trường nuôi cấy tế bào nhờ công nghệ siêu âm hiệu suất cao!
Phá vỡ tế bào để thu hoạch virus trong vắc-xin dựa trên nuôi cấy tế bào
Việc sản xuất vắc-xin dựa trên nuôi cấy tế bào, ví dụ như trên 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 lây nhiễm. Tùy thuộc vào loại virus, một phần lớn virus thu hoạch được gắn với tế bào, hoặc nằm bên trong tế bào hoặc gắn vào màng tế bào. Do đó, việc thu hoạch hoàn toàn và nhẹ nhàng phụ thuộc vào việc phá vỡ tế bào hiệu quả và hòa tan khối tế bào. Phương pháp phá vỡ tế bào bằng sóng siêu âm là một phương pháp đáng tin cậy và đã được áp dụng từ lâu để phá vỡ tế bào và giải phóng virus, protein virus, DNA và RNA. Xử lý các mẫu nuôi cấy tế bào bị nhiễm virus bằng sóng siêu âm – việc ứng dụng sóng siêu âm cường độ cao – mở các tế bào, tách các hạt virus khỏi màng tế bào và các mảnh vụn tế bào, đồng thời đồng nhất hóa sản phẩm thu được thành một hỗn dịch có độ nhớt thấp, dễ bơm, có thể đưa trực tiếp vào các công đoạn làm trong, ly tâm và sắc ký.
Sonication hoạt động như thế nào?
Phương pháp phá vỡ tế bào bằng sóng siêu âm dựa trên các lực thuần túy cơ học. Hiện tượng xâm thực âm thanh tạo ra lực cắt cục bộ mạnh mẽ và các dòng chảy vi mô, từ đó làm vỡ màng tế bào và thúc đẩy quá trình truyền khối giữa bên trong tế bào và môi trường xung quanh.
Hệ thống sản xuất vắc-xin siêu âm: Sonicator công nghiệp UIP2000hdT với bình phản ứng bằng thép không gỉ
Những ưu điểm của phương pháp phá vỡ tế bào bằng sóng siêu âm là gì?
Cơ chế hoạt động này mang lại cho phương pháp siêu âm một lợi thế quyết định so với phương pháp ly giải hóa học: không cần sử dụng chất tẩy rửa, lysozyme, proteinase K hay các chất phản ứng ly giải khác – những chất có thể làm thay đổi thành phần của dịch ly giải, gây cản trở quá trình tinh chế tiếp theo hoặc phải được loại bỏ trước khi xử lý tiếp. Ngược lại, quá trình phá vỡ bằng enzym đòi hỏi thời gian ủ lâu và thường cho kết quả không ổn định. Do cường độ xử lý siêu âm có thể được điều chỉnh chính xác phù hợp với mẫu sinh học, nên có thể tránh được tình trạng xử lý quá mức, sự phân hủy và mất năng suất.
Áp dụng phương pháp siêu âm cho:
- làm rối loạn và phá hủy các tế bào bị nhiễm virus trong các môi trường nuôi cấy bám dính và nuôi cấy lơ lửng
- giải phóng các hạt virus nội bào và gắn với màng tế bào
- làm tan khối tế bào và giảm độ nhớt của sản phẩm thu hoạch
- làm đồng nhất và phân tán các mảnh vụn tế bào để dễ dàng làm trong hơn
- phân tán các cụm virus thành một hỗn dịch đồng nhất
- khử hoạt tính các tác nhân gây bệnh ở biên độ, áp suất và thời gian tiếp xúc đã định
- tăng cường các bước phân giải dựa trên chất tẩy rửa hoặc enzyme khi cần thiết
Phá vỡ tế bào bằng sóng siêu âm ở quy mô công nghiệp: Sonicator UIP6000hdT với buồng lưu lượng bằng thép không gỉ để xử lý liên tục các mẫu nuôi cấy tế bào bị nhiễm virus.
Sonicator UP400ST kèm theo buồng dòng FC22K để phá vỡ tế bào trực tiếp trong dòng chảy
Tại sao tôi nên sử dụng phương pháp siêu âm để thu hoạch virus?
Sơ đồ quy trình xử lý liên tục nguyên liệu thô rotavirus đơn giá. Nguyên liệu thô được xử lý vô trùng trực tiếp từ bình nuôi cấy (CF-10), sau đó được chuyển qua bơm nhu động qua buồng dòng chảy của máy siêu âm để phá vỡ bất kỳ mảnh vụn tế bào còn sót lại nào. Nguyên liệu đã qua xử lý siêu âm sau đó được lọc để làm trong trước khi được chuyển vào bình chứa trung gian để ổn định.
Nghiên cứu và hình ảnh: Langston và cộng sự, 2026.
Lợi thế
- có thể điều chỉnh chính xác theo quy trình
- phương pháp ly giải hoàn toàn bằng cơ học, không sử dụng hóa chất
- sạch & quy trình chế biến đảm bảo vệ sinh, các buồng dòng chảy tương thích với CIP/SIP
- có độ lặp lại cao với tính năng ghi dữ liệu tự động
- Mở rộng quy mô tuyến tính từ phòng thí nghiệm đến sản xuất
- dễ & vận hành an toàn, điều khiển trình duyệt từ xa
- Đáng tin cậy & thiết bị bền bỉ, hoạt động 24/7
- hiệu suất năng lượng cao, khoảng 80–90% từ nguồn điện vào chất lỏng
Quy trình thiết lập tiêu biểu để thu hoạch virus
- Thu hoạch và cô đặc. Thu hồi môi trường nuôi cấy tế bào bị nhiễm (dung dịch nuôi cấy thu hoạch được, tế bào cạo từ bình phản ứng sinh học dạng giường cố định hoặc dùng một lần, hoặc cặn tế bào đã ly tâm được tái huyền phù trong dung dịch đệm).
- Tình trạng. Điều chỉnh dung dịch đệm, độ pH và nhiệt độ. Quá trình siêu âm cũng giúp cải thiện quá trình trộn và hòa tan các thành phần của dung dịch đệm ly giải nếu sử dụng bước có sự hỗ trợ của dung dịch đệm hoặc chất tẩy rửa.
- Phá vỡ bằng sóng siêu âm. Cho huyền phù đi qua một buồng lưu lượng có lớp vỏ cách nhiệt và được giám sát nhiệt độ (chế độ tuần hoàn đối với quy trình xử lý theo mẻ; chế độ một lần hoặc nhiều lần đi qua đối với quy trình xử lý liên tục trong dòng). Cài đặt biên độ và thời gian lưu ở mức tối thiểu cần thiết để đạt được tốc độ phá vỡ mục tiêu, nhằm bảo toàn các kháng nguyên virus.
- Việc vô hiệu hóa là tùy chọn. Áp dụng biên độ cao hơn, áp suất cao hơn và thời gian tiếp xúc lâu hơn, hay còn gọi là phương pháp nhiệt-siêu âm, để bất hoạt mầm bệnh theo chiến lược vắc-xin.
- Hướng hạ lưu. Làm trong, ly tâm và/hoặc lọc dịch chiết đồng nhất, có độ nhớt thấp này, sau đó tiến hành sắc ký, cô đặc và bào chế.
Sau vụ thu hoạch: Công thức được sản xuất bằng cùng công nghệ
Chính nền tảng Hielscher – vốn được sử dụng để phá vỡ tế bào – cũng đảm nhiệm các bước bào chế vắc-xin. Quá trình phân tán và phá vỡ cụm bằng sóng siêu âm tạo ra các hỗn dịch đồng nhất của kháng nguyên, bao gồm các mảnh tế bào và kháng nguyên protein, trong các polymer hoặc các hệ thống bao bọc liposome. Các chất bổ trợ dựa trên nhôm, chẳng hạn như Alhydrogel™, bao gồm các hạt sơ cấp cực nhỏ dễ kết tụ; quá trình phân tán bằng sóng siêu âm giúp phân bố đồng nhất các kháng nguyên và chất bổ trợ, điều cần thiết để tích hợp thành công. Máy siêu âm Hielscher còn được sử dụng để bào chế thuốc và vắc-xin thành liposome và các chất mang có cấu trúc nano như các 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 khỏi huyền phù thành phẩm trước khi đóng vào lọ hoặc ống tiêm là một bước tiêu chuẩn khác trong quy trình siêu âm.
Xem thêm chi tiết tại đây: Ứng dụng siêu âm trong sản xuất vắc-xin.
An toàn, sạch sẽ và tuân thủ quy định – Sẵn sàng cho sản xuất
- Các bộ phận tiếp xúc với chất lỏng làm bằng titan hoặc thép không gỉ, có thể tiệt trùng bằng nồi hấp
- Có sẵn các bình phản ứng dạng buồng dòng tương thích với CIP/SIP
- Vỏ bằng nhựa kháng khuẩn hoặc thép không gỉ dành cho lắp đặt trong phòng sạch
- Tự động ghi lại quá trình sản xuất với tính năng chống giả mạo trên thẻ SD/USB
- Hoạt động liên tục 24/7, ít phải bảo trì, không cần làm mát cưỡng bức
- Không cần sử dụng hạt mài, không có buồng nghiền, không có hiện tượng nhiễm chéo giữa các mẻ
Thiết kế, sản xuất và tư vấn – Chất lượng Sản xuất tại Đức
Hielscher ultrasonicators nổi tiếng với chất lượng cao nhất và tiêu chuẩn thiết kế của họ. Mạnh mẽ và hoạt động dễ dàng cho phép tích hợp trơn tru của ultrasonicators của chúng tôi vào các cơ sở công nghiệp. Điều kiện khắc nghiệt và môi trường đòi hỏi dễ dàng được xử lý bởi Hielscher ultrasonicators.
Hielscher Ultrasonics là một công ty được chứng nhận ISO và đặc biệt nhấn mạnh vào ultrasonicators hiệu suất cao có công nghệ tiên tiến và thân thiện với người dùng. Tất nhiên, Hielscher ultrasonicators là CE tuân thủ và đáp ứng các yêu cầu của UL, CSA và RoHs.
Lắp đặt 2 chiếc UIP1000hdT (mỗi chiếc 1 kW, 20 kHz) để sản xuất dược phẩm
Các câu hỏi thường gặp về phương pháp phá vỡ tế bào bằng sóng siêu âm trong sản xuất vắc-xin dựa trên virus
Phá vỡ tế bào bằng sóng siêu âm là gì?
Phương pháp phá vỡ tế bào bằng sóng siêu âm sử dụng sóng siêu âm cường độ cao, thường trong khoảng từ 20 đến 30 kHz, để làm vỡ màng tế bào và giải phóng chất bên trong tế bào. Sóng siêu âm công suất cao tạo ra các bong bóng xâm thực trong chất lỏng. Khi các bong bóng này vỡ ra, chúng tạo ra lực cắt cục bộ mạnh và dòng chảy vi mô, từ đó phá vỡ tế bào một cách cơ học và thúc đẩy quá trình chuyển khối giữa bên trong tế bào và môi trường xung quanh. Trong sản xuất vắc-xin, phương pháp này được sử dụng để ly giải các nuôi cấy tế bào bị nhiễm virus và giải phóng các hạt virus nội bào và liên kết với màng tế bào vào sản phẩm thu hoạch.
Tại sao nên sử dụng phương pháp siêu âm thay vì phương pháp phân giải hóa học hoặc enzym để thu hoạch virus?
Quá trình siêu âm hoạt động hoàn toàn dựa trên các lực cơ học. Không cần sử dụng chất tẩy rửa, lysozyme, proteinase K hay các chất phản ứng ly giải khác – những chất có thể làm thay đổi thành phần của dịch ly giải, gây cản trở cho quá trình tinh chế tiếp theo hoặc phải được loại bỏ trước khi tiến hành các bước xử lý tiếp theo. Các chất phản ứng hóa học thường đòi hỏi quy trình chuẩn bị nhiều bước tốn thời gian để ngăn chặn sự ức chế các xét nghiệm tiếp theo và các bước xử lý sau đó. Quá trình phá vỡ bằng enzym đòi hỏi thời gian ủ dài và thường cho kết quả không thể tái tạo. Quá trình phân giải bằng sóng siêu âm cũng kết hợp các bước tái huyền phù, phá vỡ và chiết xuất thành một quy trình liên tục duy nhất. Trong trường hợp quy trình của bạn yêu cầu bước hỗ trợ bằng chất tẩy rửa hoặc enzyme, siêu âm sẽ tăng cường hiệu quả của bước đó thay vì thay thế nó: hiện tượng xâm thực làm suy yếu màng tế bào và cải thiện sự tiếp xúc đồng đều của tất cả các tế bào với chất phản ứng.
So sánh giữa phương pháp siêu âm và các phương pháp đồng nhất hóa cơ học như thế nào?
Các thiết bị siêu âm kiểu đầu dò truyền năng lượng siêu âm trực tiếp và hiệu quả, do đầu dò (sonotrode) tiếp xúc trực tiếp với mẫu. Các kỹ thuật đồng nhất hóa bằng cơ học thường dẫn đến hiệu suất truyền năng lượng thấp hơn. Quá trình xử lý bằng siêu âm không cần sử dụng các hạt mài tiêu hao hay các vòng đệm quay trong dòng sản phẩm, không cần vòi phun hay buồng có thể bị tắc nghẽn bởi khối tế bào nhớt, và không xảy ra hiện tượng nhiễm chéo giữa các mẻ sản phẩm.
Việc sử dụng sóng 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 của quá trình xử lý siêu âm, có thể kiểm soát chính xác các tác động của siêu âm: biên độ thấp và thời gian siêu âm ngắn mang lại tác động rất nhẹ, trong khi biên độ cao, áp suất tăng và thời gian siêu âm dài hơn sẽ dẫn đến quá trình xử lý mạnh mẽ. Vì cường độ có thể được điều chỉnh chính xác phù hợp với mẫu sinh học, nên có thể tránh được tình trạng xử lý quá mức, sự phân hủy và mất năng suất. Trong thực tế, biên độ, thời gian lưu và số lần đi qua được thiết lập ở mức tối thiểu để đạt được tỷ lệ phá vỡ mục tiêu, đồng thời tiến hành theo dõi nhiệt độ liên tục và làm mát.
Liệu phương pháp xử lý bằng sóng siêu âm có làm giảm độ nhớt của sản phẩm thu hoạch không?
Đúng vậy. Các mẫu thu hoạch có mật độ tế bào cao thường có độ nhớt cao và khó bơm do sự giải phóng của DNA tế bào chủ chưa bị phân mảnh. Xử lý bằng sóng siêu âm sẽ cắt và phân mảnh DNA và RNA, đồng thời làm tan rã khối tế bào và phân tán các mảnh vụn tế bào. Kết quả là thu được một hỗn dịch đồng nhất, có thể bơm được, giúp quá trình làm trong, ly tâm và sắc ký diễn ra hiệu quả hơn. Việc phân mảnh DNA và RNA bằng cách sử dụng sóng siêu âm có kiểm soát là một ứng dụng phòng thí nghiệm đã được chứng minh của công nghệ này.
Tôi có thể chạy quy trình này ở chế độ liên tục trực tiếp không?
Đúng vậy. Các thiết bị siêu âm Hielscher được thiết kế để hoạt động liên tục 24/7 trong môi trường công nghiệp và có thể được cấu hình cùng với các buồng dòng chảy và bình phản ứng để thực hiện quá trình siêu âm liên tục trong dòng chảy, các vòng tuần hoàn hoặc tích hợp vào các cụm thiết bị sản xuất và dây chuyền chế biến. Cả chế độ vận hành một lần qua và nhiều lần qua đều có thể thực hiện được.
Làm thế nào để mở rộng quy mô từ phòng thí nghiệm sang sản xuất?
Theo tỷ lệ tuyến tính, dựa trên lượng năng lượng đầu vào có thể đo lường được. Tất cả các kết quả siêu âm thu được từ máy đồng nhất siêu âm Hielscher đều có thể được mở rộng quy mô theo tỷ lệ tuyến tính để đạt năng suất cao hơn trong sản xuất công nghiệp; các thông số siêu âm được phát triển trên máy siêu âm để bàn có thể được chuyển trực tiếp sang các hệ thống Hielscher có quy mô lớn hơn. Tiêu chí mở rộng quy mô là lượng năng lượng đầu vào cụ thể trên 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 về tối ưu hóa thông số (biên độ, năng lượng cụ thể E/V, thời gian lưu, nhiệt độ và kiểm soát áp suất) gắn liền với lượng năng lượng đầu vào có thể đo lường được.
Phương pháp phá vỡ tế bào bằng sóng siêu âm có phù hợp với sản xuất trong phòng sạch và theo tiêu chuẩn GMP không?
Các thiết bị siêu âm Hielscher có thể được lắp đặt dễ dàng 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 đầu siêu âm (sonotrodes) và buồng phản ứng dòng chảy (flow cells), đều được làm từ titan hoặc thép không gỉ và có thể tiệt trùng bằng nồi hấp. Có sẵn các buồng phản ứng dòng chảy đặc biệt đáp ứng các yêu cầu tiên tiến về CIP (làm sạch tại chỗ) và SIP (khử trùng tại chỗ). Đầu dò của dòng UIP công nghiệp đạt tiêu chuẩn IP64 và có thể được lắp đặt trong các môi trường khắc nghiệt trong khi bộ phát được đặt ở vị trí xa. Vì các máy siêu âm Hielscher chuyển đổi năng lượng điện thành dao động cơ học với hiệu suất rất cao, khoảng 80–90% từ ổ cắm điện đến chất lỏng, nên bộ chuyển đổi có thể được lắp vào vỏ kín mà không cần khe thông gió, và không cần làm mát cưỡng bức như khí nén hoặc nước. Điều này cũng có nghĩa là không có chất làm mát nào tiếp xúc với quy trình. Tính năng ghi chép quy trình tự động hỗ trợ khả năng truy xuất nguồn gốc và khả năng tái tạo trong sản xuất tuân thủ quy định.
Liệu phương pháp siêu âm có thể làm bất hoạt virus để sản xuất vắc-xin bất hoạt không?
Đúng vậy. Siêu âm công suất cao được ứng dụng trong việc bất hoạt các tác nhân gây bệnh như vi khuẩn và vi-rút. Với liều lượng và cường độ siêu âm phù hợp, các tế bào và vi sinh vật có thể được xử lý theo mục tiêu của quy trình, do đó cùng một nền tảng có thể thực hiện cả quá trình phá vỡ tế bào để thu hoạch và quá trình bất hoạt. Sự kết hợp giữa siêu âm và nhiệt, được gọi là siêu âm nhiệt (thermo-sonication), mang lại tốc độ khử trùng nhanh hơn với cường độ nhiệt và thời gian tác động giảm đáng kể, điều này rất có lợi cho việc bảo toàn các hợp chất nhạy cảm với nhiệt như protein và kháng nguyên. Việc bất hoạt bằng siêu âm thường được sử dụng kết hợp với các phương pháp hóa học bất hoạt đã được xác lập, và động học bất hoạt đầy đủ phải được xác nhận đối với từng loại virus cụ thể.
Có thể sử dụng cùng một hệ thống cho các công đoạn chế biến sau khi thu hoạch không?
Đúng vậy. Cùng một nền tảng này đảm nhiệm việc phân tán kháng nguyên vào các hỗn dịch, polyme hoặc bao bọc trong liposome, quá trình phá vỡ cụm và phân bố đồng đều kháng nguyên cùng các chất phụ gia dựa trên nhôm như Alhydrogel™, quá trình bào chế vắc-xin thành liposome và các hạt nano lipid rắn với khả năng kiểm soát chính xác kích thước chất mang, cũng như bước khử khí trước khi đóng gói vào lọ hoặc ống tiêm.
Văn học / 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 homogenizers siêu âm hiệu suất cao từ phòng thí nghiệm đến quy mô công nghiệp.