Nuôi cấy không sử dụng huyết thanh: Ưu điểm, thách thức và ứng dụng trong nuôi cấy tế bào

Nuôi cấy tế bào không huyết thanh đang trở thành một hướng phát triển quan trọng trong công nghệ nuôi cấy tế bào, đặc biệt trong nghiên cứu tế bào gốc, sản xuất sinh phẩm và phát triển các sản phẩm trị liệu tế bào. So với môi trường bổ sung huyết thanh thai bò (FBS) truyền thống, môi trường không huyết thanh giúp kiểm soát thành phần nuôi cấy tốt hơn, giảm sự biến thiên giữa các lô nguyên liệu và hạn chế một số nguy cơ liên quan đến thành phần có nguồn gốc động vật.

Vậy nuôi cấy không sử dụng huyết thanh là gì, có những ưu điểm và hạn chế nào, đồng thời được ứng dụng ra sao trong thực tế? Hãy cùng Mescells tìm hiểu qua nội dung dưới đây.

1. Nuôi cấy không sử dụng huyết thanh là gì?

Nuôi cấy không sử dụng huyết thanh (serum-free cell culture) là phương pháp nuôi tế bào trong môi trường không bổ sung huyết thanh động vật, chẳng hạn như FBS. Thay vì phụ thuộc vào hỗn hợp tự nhiên có thành phần phức tạp của huyết thanh, môi trường nuôi cấy được bổ sung các thành phần cần thiết đã được xác định hoặc kiểm soát như insulin, transferrin, albumin, lipid, vitamin và các yếu tố tăng trưởng.

Tùy mục đích, môi trường có thể được thiết kế theo nhiều mức độ kiểm soát khác nhau, từ serum-free, xeno-free đến chemically defined medium. Trong đó, môi trường được xác định về mặt hóa học cho phép kiểm soát thành phần rõ ràng hơn và ngày càng được quan tâm trong sản xuất tế bào quy mô lớn.

1.1. Huyết thanh có vai trò gì trong nuôi cấy tế bào?

Trong nuôi cấy tế bào truyền thống, huyết thanh thường được bổ sung vào môi trường vì chứa nhiều thành phần hỗ trợ sự sống và tăng trưởng của tế bào. Các thành phần này có thể cung cấp hoặc hỗ trợ:

• Yếu tố tăng trưởng và các protein điều hòa.
• Hormone và lipid cần thiết cho hoạt động tế bào.
• Protein giúp tế bào bám dính và phát triển.
• Các thành phần hỗ trợ vận chuyển chất dinh dưỡng.
• Một số yếu tố giúp tế bào thích nghi với điều kiện nuôi cấy.

Vai trò của huyết thanh bào thai bò (FBS) trong nuôi cấy tế bào 

Chính vì chứa nhiều thành phần sinh học nên huyết thanh có khả năng hỗ trợ nhiều loại tế bào phát triển hiệu quả. Tuy nhiên, thành phần của huyết thanh rất phức tạp và có thể thay đổi giữa các lô, gây khó khăn khi cần kiểm soát chặt chẽ quy trình nuôi cấy.

1.2. Vì sao cần phát triển nuôi cấy không sử dụng huyết thanh?

Sự phát triển của nuôi cấy tế bào không huyết thanh xuất phát từ nhu cầu kiểm soát tốt hơn môi trường nuôi cấy, đặc biệt khi tế bào được sử dụng cho nghiên cứu chuyên sâu hoặc các quy trình sản xuất có yêu cầu cao về chất lượng.

Huyết thanh có nguồn gốc động vật có thể tạo ra sự biến thiên giữa các lô nguyên liệu và tiềm ẩn nguy cơ mang theo các tác nhân sinh học không mong muốn. Với các sản phẩm tế bào dùng trong nghiên cứu và y học tái tạo, việc giảm hoặc loại bỏ thành phần có nguồn gốc động vật có thể giúp quá trình sản xuất dễ kiểm soát và thuận lợi hơn cho việc chuẩn hóa.

Đặc biệt, các hệ thống serum-free, xeno-free và môi trường được xác định bằng hóa chất (chemically defined medium) ngày càng được quan tâm trong sản xuất tế bào, liệu pháp gen, vaccine và các sản phẩm sinh học.

Xu hướng phát triển môi trường nuôi cấy tế bào không sử dụng huyết thanh và protein động vật

2. Ưu điểm của nuôi cấy không sử dụng huyết thanh

Khi được thiết kế phù hợp với từng loại tế bào, nuôi cấy không huyết thanh mang lại nhiều lợi ích:

• Kiểm soát môi trường tốt hơn: Thành phần môi trường có thể được xác định và điều chỉnh rõ ràng hơn, trong khi huyết thanh vốn có thành phần phức tạp và khó kiểm soát đầy đủ.
• Tăng tính ổn định và khả năng tái sinh: Việc giảm sự phụ thuộc vào các lô huyết thanh khác nhau giúp hạn chế sự biến thiên giữa các thí nghiệm hoặc giữa các sản phẩm sản xuất.
• Giảm nguy cơ liên quan đến nguyên liệu động vật: Loại bỏ FBS trợ giúp hạn chế một số rủi ro về ngoại lai (adventitious agents) như virus, mycoplasma và các vấn đề liên quan đến nguyên liệu có nguồn gốc động vật. Đây là yếu tố đặc biệt quan trọng khi phát triển sản phẩm tế bào cho ứng dụng y sinh.
• Thuận lợi cho nhà sản xuất quy mô lớn: Môi trường được kiểm soát tốt hơn có thể hỗ trợ quá trình chuẩn hóa, mở rộng quy mô và phát triển quy trình sản xuất theo hướng phù hợp với yêu cầu GMP.
• Hỗ trợ nghiên cứu cơ chế tế bào: Khi giảm các thành phần không xác định trong huyết thanh, nhà nghiên cứu có thể đánh giá mức độ ảnh hưởng của từng yếu tố tăng trưởng hoặc thành phần môi trường đến quá trình tăng trưởng của tế bào. Hệ thống không có huyết thanh đã được sử dụng để nghiên cứu quá trình duy trì và tăng sinh tế bào gốc tạo máu cũng như nhiều loại tế bào khác.

Quy trình loại bỏ dần huyết thanh FBS trong nuôi cấy tế bào

3. Hạn chế và thách thức của nuôi cấy không sử dụng huyết thanh

Mặc dù mang lại nhiều lợi ích, nuôi cấy tế bào không huyết thanh vẫn có một số hạn chế và thách thức cần được giải quyết để có thể ứng dụng rộng rãi trong nghiên cứu và sản xuất tế bào.

• Khó tối ưu cho từng loại tế bào: Huyết thanh chứa nhiều thành phần hỗ trợ tế bào tăng trưởng và tồn tại. Khi loại bỏ huyết thanh, các thành phần cần thiết phải được xác định và bổ sung phù hợp. Vì vậy, một môi trường có thể phù hợp với loại tế bào này nhưng chưa chắc đáp ứng tốt nhu cầu của loại tế bào khác.
• Tế bào có thể cần thời gian thích nghi: Việc chuyển từ môi trường có huyết thanh sang môi trường không huyết thanh có thể ảnh hưởng đến tốc độ tăng sinh, khả năng sống và đặc điểm của tế bào. Quá trình thích nghi cần được kiểm soát để hạn chế những thay đổi không mong muốn của quần thể tế bào.
• Chi phí và thành phần môi trường: Môi trường không huyết thanh thường cần các yếu tố tăng trưởng, protein hoặc chất bổ sung có độ tinh khiết cao. Việc lựa chọn và kiểm soát các thành phần này có thể làm tăng chi phí và yêu cầu kỹ thuật của quy trình.
• Yêu cầu kiểm soát chất lượng cao: “Không huyết thanh” không đồng nghĩa hoàn toàn với “không có thành phần nguồn gốc động vật”. Một số môi trường serum-free vẫn có thể sử dụng protein hoặc nguyên liệu có nguồn gốc động vật. Do đó, nếu mục tiêu là phát triển quy trình xeno-free hoặc phù hợp với sản xuất tế bào dùng trong y học, cần kiểm soát nguồn gốc và chất lượng của từng nguyên liệu.
• Khó khăn khi mở rộng quy mô: Một môi trường hoạt động tốt ở quy mô nghiên cứu chưa chắc giữ được hiệu suất tương tự khi chuyển sang quy mô sản xuất. Vì vậy, cần tiếp tục tối ưu môi trường, điều kiện nuôi cấy và quy trình kiểm soát để đảm bảo tế bào có chất lượng ổn định khi mở rộng sản xuất.

Các yếu tố ảnh hưởng đến môi trường nuôi cấy tế bào 3D

4. Ứng dụng thực tế của nuôi cấy không sử dụng huyết thanh

Hỗ trợ khả năng kiểm soát môi trường tốt hơn, nuôi cấy tế bào không huyết thanh đang được nghiên cứu và ứng dụng trong nhiều lĩnh vực:

• Nghiên cứu và nuôi cấy tế bào gốc: Môi trường không huyết thanh được sử dụng để duy trì, tăng sinh và biệt hóa một số loại tế bào gốc. Đối với tế bào gốc tạo máu, các hệ thống không huyết thanh đã được nghiên cứu nhằm hỗ trợ duy trì và mở rộng quần thể tế bào tiền thân. Đối với tế bào gốc và các hệ tế bào gốc khác, môi trường được xác định có thể giúp kiểm soát tốt hơn điều kiện duy trì trạng thái tế bào và quá trình biệt hóa.
• Sản xuất tế bào cho y học tái tạo: Trong lĩnh vực y học tái tạo, môi trường không có huyết thanh đặc biệt được quan tâm đối với quá trình mở rộng các quần thể tế bào như tế bào gốc trung mô (MSC). Việc giảm bớt thành phần có nguồn gốc động vật giúp hướng tới sản phẩm sản xuất ổn định và phù hợp hơn với các yêu cầu kiểm soát chất lượng.
• Sản xuất vắc xin và sản phẩm sinh học: Nuôi cấy không huyết thanh cũng được ứng dụng trong sản xuất vắc xin, tổ hợp protein tái sinh và các sản phẩm sinh học. Việc sử dụng môi trường được kiểm tra hỗ trợ quá trình chuẩn hóa và mở rộng sản phẩm sản xuất.
• Liệu pháp tế bào và gen: Trong liệu pháp tế bào và liệu pháp gen, yêu cầu về tính chất nhất quán, an toàn và khả năng kiểm soát nguyên liệu ngày càng cao. Vì vậy, các hệ thống không có huyết thanh, không có xeno và được xác định về mặt hóa học được xem là những hướng phát triển quan trọng cho quá trình sản xuất tế bào và virus vector phục vụ trị liệu.

Sản xuất môi trường nuôi cấy tế bào đạt tiêu chuẩn phòng sạch

5. Công nghệ nuôi cấy tế bào tại Mescells

Để phát triển quy trình nuôi cấy tế bào không sử dụng huyết thanh, bên cạnh việc lựa chọn môi trường nuôi cấy phù hợp, yếu tố quan trọng là phải kiểm soát chặt chẽ từ nguồn nguyên liệu, điều kiện nuôi cấy, thiết bị đến chất lượng tế bào sau thu hoạch. Viện Nghiên cứu Ứng dụng Công nghệ Tế bào Mescells xây dựng nền tảng công nghệ theo hướng kết hợp tiếp nhận công nghệ y học tái tạo quốc tế với năng lực nghiên cứu, tối ưu hóa và chuẩn hóa quy trình trong thực nghiệm.

Tiếp nhận công nghệ chuyển giao từ Nhật Bản và Hoa Kỳ

Mescells tiếp nhận các nền tảng công nghệ tế bào từ Nhật Bản và Hoa Kỳ, đồng thời đội ngũ nghiên cứu tiếp tục nghiên cứu, đánh giá và tối ưu hóa các quy trình nuôi cấy tế bào trung mô (MSCs). Định hướng này cũng được thể hiện qua hoạt động hợp tác với Mt. Fuji GX Holdings (Nhật Bản) trong chuyển giao công nghệ sản xuất tế bào gốc trung mô và tế bào miễn dịch, tạo thêm nền tảng để cập nhật các quy trình và tiêu chuẩn công nghệ tế bào tiên tiến.

Đại diện Mescells và Tập đoàn Mt. Fuji GX Holdings bắt tay hợp tác, ạo nền tảng tiếp nhận và chuẩn hóa các quy trình công nghệ tế bào từ Nhật Bản

Môi trường nuôi cấy chuẩn y khoa quốc tế

Để hạn chế nguy cơ nhiễm khuẩn và nhiễm chéo trong quá trình nuôi cấy, phòng LAB của Mescells được xây dựng và vận hành theo các yêu cầu kiểm soát nghiêm ngặt. Hệ thống phòng sạch được định hướng theo tiêu chuẩn GMP-WHO và đạt ISO 14644-1:2015, tạo môi trường ổn định cho các quy trình nghiên cứu và nuôi cấy tế bào.

Bên trong phòng LAB, hệ thống xử lý không khí AHU kết hợp màng lọc HEPA giúp kiểm soát bụi và các vi sinh vật có kích thước rất nhỏ, đồng thời, khu vực nuôi cấy được thiết kế theo nguyên lý áp lực dương để hạn chế không khí từ bên ngoài xâm nhập và giảm nguy cơ nhiễm chéo giữa các mẻ.

Quy trình sản xuất và nuôi cấy tế bào trong phòng sạch tại Viện nghiên cứu Ứng dụng Công nghệ Tế bào Mescells

Trong xu hướng phát triển nuôi cấy tế bào không sử dụng huyết thanh, việc lựa chọn môi trường phù hợp, kiểm soát nguyên liệu, điều kiện nuôi cấy và chất lượng tế bào là những yếu tố cần được xem xét đồng thời. Đây cũng là nền tảng để hướng tới các quy trình nuôi cấy có tính ổn định, khả năng mở rộng và đáp ứng yêu cầu kiểm soát chất lượng ngày càng cao.

Nuôi cấy không sử dụng huyết thanh là hướng phát triển quan trọng của công nghệ nuôi cấy tế bào hiện đại. Phương pháp này giúp kiểm soát tốt hơn thành phần môi trường, giảm biến thiên giữa các lô huyết thanh và hạn chế một số rủi ro liên quan đến nguyên liệu có nguồn gốc động vật. Tuy nhiên, mỗi loại tế bào có nhu cầu khác nhau nên việc chuyển đổi sang môi trường không huyết thanh vẫn cần được tối ưu và kiểm soát chặt chẽ. Với sự phát triển của tế bào gốc, y học tái tạo, liệu pháp tế bào và sản phẩm sinh học, nuôi cấy không huyết thanh được kỳ vọng tiếp tục đóng vai trò quan trọng trong việc xây dựng các quy trình nuôi cấy tế bào khỏe mạnh, an toàn, ổn định và có khả năng mở rộng.

HỆ THỐNG Y TẾ CHUYÊN SÂU Y HỌC TÁI TẠO VÀ TRỊ LIỆU TẾ BÀO MESCELLS | MSC

• Hotline: 0866 022 097
• Địa chỉ: TT21, số 204 Nguyễn Tuân, phường Thanh Xuân, Hà Nội, Việt Nam.
• Fanpage: Viện Nghiên Cứu Ứng Dụng Công Nghệ Tế Bào Mescells

NGUỒN THAM KHẢO:

• Gottipamula S, Muttigi MS, Kolkundkar U, Seetharam RN.Serum-free media for the production of human mesenchymal stromal cells: a review.2013;46(6):608–627. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/24118248/ 
• Karnieli O, Friedner OM, Allickson JG, et al. A consensus introduction to serum replacements and serum-free media for cellular therapies. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/28017599/ 
• Al-Saqi SH, Saliem M, Asik M, et al. Defined serum-free media for in vitro expansion of adipose-derived mesenchymal stem cells. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/24726655/ 
• Goh BC, Teo LQ, Tan WT, et al. Serum and xeno-free, chemically defined, no-plate-coated. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/27492579/