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Optimal Cell Disruption
단백질, 세포소기관, DNA/RNA 그리고 Adeno-Associated Virus (AAVs) Vectors 와 같은 세포내 성분을 활용하는 것은 차세대 제약 개발에서 매우 중요한 분야로 인식되고 있다.
여기서 세포내 성분들은 세포외부로 분비되지 않기 때문에 세포를 파쇄하는 것이 매우 중요한데 이 때 세포를 파쇄하는 과정에서 과도한 온도와 에너지로 인해 세포내 성분들이 변질되어서는 안된다.

Microfluidizer® processors 는 박테리아, 동.식물세포, fungi, algae 그리고 효모 세포등 거의 모든 세포를 파쇄할 수 있으며 또한 그 세포 내부에 있는 단백질과 같은 세포 성분들을 회수하는 효율이 매우 높은 장비이다. 이는 Microfluidizer® 는 세포에는 매우 강한 에너지로 작용하지만 세포내 성분에는 강한 에너지가 거의 작용하지 않기 때문인데 이러한 이유로 protein recovery rate 가 매우 높게 나타난다.

Proven Processing Results
Microfluidizer® processors 는 다른 세포파쇄에 사용되는 다른 방법 및 장비들보다 훨씬 더 많은
장점들을 제공합니다.

E.coli Cell Rupture
※ Bacteria Lysis (E. Coli) Before and After processing on the Microfluidizer® for 1 pass achieving >95% lysis


Yeast Lysis (S. Pombe)
※ Yeast Lysis (S. Pombe) Before and After processing on the Microfluidizer® for 5 passes achieving ~95% lysis


Microfluidizer® Benefits for Cell Disruption
Highest Protein Integrity Recovery
다른 장비와 달리 Microfluidizer® 는 정밀한 압력 조절이 가능하여 세포파쇄에 필요한 에너지 양을 최소한으로 하여 세포내 단백질의 변질을 최대한 억제할 수 있다. 그 결과 Microfluidizer® 의 단백질 회수율은 다른 세포파쇄 방법에 비해 훨씬 더 높게된다.

자료보기 : See a compilation of peer reviewed publications that highlight the performance and advantages of using a Microfluidizer for cell disruption

Efficient Cooling
거의 모든 세포내 성분들은 온도에 매우 민감하기 때문에 세포파쇄에서 cooling 은 매우 중요하다. Microfluidizer® 에서는 세포 파쇄가 일어나는 시간이 매우 짧고 또한 파쇄한 세포는 즉시 Heat Exchanger (열교환기) 를 통해 cooling 이 이루어지므로 파쇄한 세포의 온도가 상승할 가능성이 매우 희박하다.

Ease of Use
Microfluidizers® 는 장비 개발 초기부터 세포파쇄의 편리성과 그 효율성을 염두에 두고 개발되었다. 그 결과 장비 조작이 매우 편리하고 특히 세척이 매우 편리하다. 실험용 Microfluidizers® 장비를 사용하는 것은 특별한 기술과 지식을 필요로 하지 않고 초기 장비 설치시 간단한 training 만으로도 충분히 사용할 수 있다. 그리고 다른 valve 방식의 다른 고압분산장비들은 세척을 위해서는 valve 를 붐해하여 세척하여야 하나 Microfluidizers® processor 는 장비를 분해하는 과정없이 장비 사용 후 바로 세척이 가능하므로 매우 편리하다.

Simple Downstream Processes
Microfluidizer® 는 세포를 부드러우면서도 효율적으로 파쇄하므로 세포벽 잔해물이 많이 나오게 된다. 큰 사이즈의 잔해물은 훨씬 사이즈가 작은 세포내 성분들에 비해 분리가 매우 쉽게 되며 filtration 하는데 걸리는 시간이 매우 짧다. 원심분리가 필요치 않다.

Processes at a Constant, Controlled Shear Rate
Microfluidizer® 가 sample 에 가해주는 압력과 전단력 (shear rate) 의 세기는 항상 일정하므로 모든 세포는 동일한 에너지를 받게된다. 반면에 세포파쇄 목적으로 사용되는 초음파장비 (sonication) 의 경우 probe 와 가까운 곳에 있는 세포는 먼곳에 있는 세포보다 훨씬 더 큰 에너지를 받게되므로 모든 세포에 균일한 에너지를 가하는 것은 매우 어렵다. 어떤 세포들은 파쇄되지 않은채로 남아있게되고 어떤 세포들은 sonicator 의 probe 에서 발생되는 온도에 의해 세포내 성분들이 변성되기도 한다.

낮은 shear rate 를 이용한 processing 은 동물세포의 파쇄를 효율적으로 하면서 고효율의 Adeno-Associated Virus (AAVs) Vectors 회수를 가능하게 한다



위 이미지는 세포를 파쇄하는 데 필요한 shear rate 를 나타내고 있다.
Microfluidizer® 는 압력과 Interaction Chamber (IXC) 의 조합에 변화를 주어 필요한 shear rate 를 정밀하게 조절할 수 있다.

Guaranteed Scalability



다른 세포파쇄 기법과는 달리 Microfluidizer® 장비는 실험실 규모에서 세포파쇄 실험을 한 프로토콜을 이용하여 대량 생산 규모에서 그대로 사용할 수 있으며 그 결과를 보장한다.
이러한 scale-up guarantee 는 실험실 규모에서 생산규모로 확장할 때 소요되는 수많은 시간과 비용을 절약시켜준다.

다른 valve 방식의 고압분산장비들은 이러한 scale-up 을 위해서는 그 결과가 일정하지 않으므로 중형 장비를 이용하여 다시 조건을 잡아야 하는 불편이 있다.
그러나 Microfluidizer® 는 scale-up performance 를 guarantee 한다.

Flexibility
Microfluidizers® are capable of handling a wide range of cell types by optimizing pressure and cooling. Microfluidizers® 는 다양한 종류의 세포를 파쇄할 수 있으며 완벽한 cooling 조건을 제공한다.

Small Sample Volumes
Microfluidizers® 장비 중 LV1 모델은 1ml 까지 용량을 가진 sample 도 세포파쇄가 가능하다.


Cell Disruption Methods
Advantages of Microfluidizers® Compared to Other Cell Lysis Techniques
Microfluidizer Homogenizer Sonicator Bead Mill
  Scalable Yes Limited No Yes
  Optimal Temp Control Yes Yes No No
  Contamination Free Yes Yes Yes No
  Minimum Volume 1 ml 10 ml 1 ml 1 ml
  Constant Shear rate Yes No No No

자료보기 : See an application note that gives an overview of the techniques used for cell disruption and why the Microfluidizer is best suited for cell disruption

High Pressure Valve Homogenizers : Microfluidizer® 를 제외하면 valve 방식의 고압분산장비가 다른 방법들에 비해 세포파쇄 효율이 높다고 할 수 있다. 그러나 cooling 과 cleaning 효율이 떨어지고 valve 를 주기적으로 교체하여야 하는 단점이 있으며 scalibility 에 있어 약점이 있다.

French Press : French press 실험은 결과의 재현성이 떨어지고 실험과정이 어려우며 세척에 많은 시간이 소요된다. 이런 이유로 인해 현재 대부분의 French Press 제조사들이 이 장비의 생산을 중단하였다.

Ultrasonication : cavitational force 를 이용하여 세포를 파쇄하는 장비로서 초음파 probe 를 이용하여 적은 양의 cell suspension 를 세포파쇄하는데 적당하다. 그러나 생산효율이 떨어지고 특히 대량생산하는데 큰 약점이 있다. 장비의 가격이 저렴한 것이 장점이다.

Freeze-thawing : 세포를 얼렸다 녹였다 하게 되면 세포벽이 파쇄되는데 이런 cell lysis 는 재현성있는 결과를 구하기 어렵다. 대부분 매우 적은 양의 sample 을 처리할 경우에 사용한다.

Chemical Cell Lysis : 화학물질을 이용하여 세포벽을 파쇄하는 방법인데 화학물질의 가격이 비싸고 또한 대량으로 세포파쇄를 하기에는 문제점이 있다. 또한 세포파쇄에 사용되는 시약을 준비하는 도중에 contamination 에 대한 염려도 있다.


Additional References
Effect of Microfluidization On Bio-Accessibility of Carotenoids From Chlorella Ellipsoidea During Simulated Digestion (paper)
A Novel Dual Promoter DNA Vaccine Induces CD8+ Response Against Toxoplasma Gondii Sporozoite-Specific Surface Protein 'SporoSAG' Through Non-Apoptotic Cells (paper)
Pre-Steady-State Kinetic Analysis of 1-Deoxy-D-Xylulose-5-Phosphate Reductoisomerase From Mycobacterium Tuberculosis Reveals Partially Rate-Limiting Product Release By Parallel Pathways (paper)
Structure and Biochemical Properties of Fission Yeast Arp2/3 Complex Lacking The Arp2 Sub-Unit (paper)
GRA1 Protein Vaccine Confers Better Immune Response Compared To Codon-Optimized GRA1 DNA Vaccine (paper)











 
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