การทำลายเซลล์หรือบางครั้งเรียกว่าการย่อยสลายเป็นวิธีการหรือกระบวนการในการปลดปล่อยโมเลกุล ทางชีวภาพจากภายในเซลล์

การผลิตโมเลกุลที่น่าสนใจทางชีววิทยาโดยใช้ วิธี การโคลนนิ่งและการเพาะเลี้ยงช่วยให้สามารถศึกษาและผลิตโมเลกุลที่เกี่ยวข้องได้ ยกเว้นโมเลกุลที่ถูกขับออกมา เซลล์ที่ผลิตโมเลกุลที่น่าสนใจจะต้องถูกทำลาย หน้านี้จะกล่าวถึงวิธีการต่างๆ อีกวิธีหนึ่งของการทำลายเซลล์เรียกว่าการเปิดหลังคาเซลล์ (cell unroofing )

วิธีการทำลายเซลล์ด้วยกลไกในระดับห้องปฏิบัติการที่ใช้กันทั่วไป คือ การใช้ ลูกปัด แก้วเซรามิกหรือเหล็กขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 0.1–2 มม. (0.004–0.08 นิ้ว) ผสมกับตัวอย่างที่แขวนลอยอยู่ในสารละลายน้ำวิธีนี้ได้รับการพัฒนาครั้งแรกโดย Tim Hopkins ในช่วงปลายทศวรรษ 1970 โดยการผสมตัวอย่างและลูกปัดจะถูกกวนด้วยความร้อนสูงโดยการคนหรือเขย่า ลูกปัดจะชนกับตัวอย่างเซลล์ ทำให้เซลล์แตกออกและปล่อยส่วนประกอบภายในเซลล์ ออกมา แตกต่างจากวิธีการอื่นๆ ตรงที่แรงเฉือนเชิงกลในระหว่าง การทำให้ เป็น เนื้อเดียวกันนั้นอยู่ในระดับปานกลาง ส่งผลให้ได้การเตรียม เยื่อหุ้ม เซลล์หรือส่วนประกอบย่อยของเซลล์ ที่ดีเยี่ยมวิธีนี้มักเรียกว่า "การตีด้วยลูกปัด" ใช้ได้ผลดีกับวัสดุเซลล์ทุกประเภท ตั้งแต่สปอร์ไปจนถึง เนื้อเยื่อ สัตว์และพืชเป็นวิธีที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุดในการทำลายยีสต์ และสามารถทำให้เซลล์แตกได้มากกว่า 50% (สูงถึง 95%) ^{[ 1 ]}วิธีนี้มีข้อดีเหนือกว่าวิธีการทำลายเซลล์เชิงกลอื่นๆ คือสามารถทำลายตัวอย่างขนาดเล็กมากได้ ประมวลผลตัวอย่างจำนวนมากในคราวเดียวโดยไม่ต้องกังวลเรื่องการปนเปื้อนข้าม และไม่ปล่อยละอองลอย ที่อาจเป็นอันตราย ในกระบวนการ

ในตัวอย่างที่ง่ายที่สุดของวิธีการนี้ จะมีการเติมลูกปัดปริมาตรเท่ากันลงในสารละลายเซลล์หรือเนื้อเยื่อในหลอดทดลอง และตัวอย่างจะถูกผสมอย่างรุนแรงด้วยเครื่องผสมแบบหมุนวน ในห้องปฏิบัติการทั่วไป แม้ว่าเวลาในการประมวลผลจะช้า โดยใช้เวลานานกว่าเครื่องเขย่า เฉพาะทางถึง 3-10 เท่า แต่ก็ใช้ได้ผลดีกับเซลล์ที่แตกตัวได้ง่าย และมีราคาไม่แพง

การตีลูกปัดให้ได้ผลดีนั้น ไม่ได้ขึ้นอยู่กับเพียงแค่คุณลักษณะการออกแบบของเครื่องเขย่า (ซึ่งคำนึงถึงความถี่ของการสั่น ระยะการเขย่า ทิศทางการเขย่า และทิศทางของขวด) เท่านั้น แต่ยังขึ้นอยู่กับการเลือกขนาดลูกปัดที่ถูกต้อง (เส้นผ่านศูนย์กลาง 0.1–6 มม. (0.004–0.2 นิ้ว)) ส่วนประกอบของลูกปัด (แก้ว เซรามิก เหล็ก) และปริมาณลูกปัดในขวดด้วย

ในห้องปฏิบัติการส่วนใหญ่ การบดด้วยลูกปัดจะทำเป็นชุดๆ ละหนึ่งถึงยี่สิบสี่หลอดพลาสติกปิดผนึกหรือหลอดเหวี่ยงตัวอย่างและลูกปัดขนาดเล็กจะถูกกวนด้วยความเร็วประมาณ 2,000 รอบต่อนาทีในเครื่องเขย่าแบบลูกสูบที่ออกแบบมาเป็นพิเศษซึ่งขับเคลื่อนด้วยมอเตอร์ไฟฟ้า กำลังสูง การทำลายเซลล์จะเสร็จสมบูรณ์ภายใน 1-3 นาทีของการเขย่า อัตราการทำลายเซลล์ที่เร็วกว่าอย่างมากสามารถทำได้ด้วยเครื่องบดลูกปัดแบบดัดแปลงที่เรียกว่าSoniBeastซึ่งแตกต่างจากเครื่องจักรทั่วไปตรงที่มันจะกวนลูกปัดโดยใช้การเคลื่อนที่แบบหมุนวนที่ 20,000 รอบต่อนาที เครื่องบดลูกปัดขนาดใหญ่ที่สามารถบรรจุแผ่นไมโครไทเตอร์ แบบหลุมลึกได้ จะช่วยลดเวลาในการดำเนินการลง เช่นเดียวกับเครื่องจ่ายลูกปัดที่ออกแบบมาเพื่อโหลดลูกปัดลงในหลอดหรือแผ่นไมโครเพลทหลายๆ หลอดอย่างรวดเร็ว^{[ 2 ] [ 3 ]}นอกจากนี้ยังมีหลอดและแผ่นไมโครเพลทที่บรรจุลูกปัดไว้ล่วงหน้าให้เลือกใช้ด้วย

เครื่องตีลูกปัดพลังงานสูงทุกเครื่องจะทำให้อุณหภูมิของตัวอย่างเพิ่มขึ้นประมาณ 10 องศาต่อนาที เนื่องจากการชนกันของลูกปัดระหว่างกระบวนการทำให้เป็นเนื้อเดียวกัน อาจจำเป็นต้องทำให้ตัวอย่างเย็นลงในระหว่างหรือหลังการตีลูกปัดเพื่อป้องกันความเสียหายต่อโปรตีนที่ไวต่อความร้อน เช่น เอนไซม์ สามารถควบคุมการเพิ่มอุณหภูมิของตัวอย่างได้โดยการตีลูกปัดเป็นช่วงเวลาสั้นๆ แล้วพักให้เย็นด้วยน้ำแข็ง ระหว่างแต่ละช่วงเวลา หรือโดยการใช้ ที่ใส่หลอดทดลองอะลูมิเนียม ที่แช่เย็นไว้ล่วงหน้าหรือโดยการหมุนเวียนก๊าซหล่อเย็นผ่านเครื่องระหว่างการตีลูกปัด

เครื่องกวนลูกปัดแบบอื่นที่เหมาะสำหรับปริมาณตัวอย่างที่มากขึ้น ใช้ โรเตอร์ ฟลูออโรคาร์บอน แบบหมุน ภายในห้องขนาด 15, 50 หรือ 200 มล. เพื่อกวนลูกปัด ในรูปแบบนี้ ห้องสามารถล้อมรอบด้วยปลอกระบายความร้อนแบบคงที่ได้ โดยใช้การกำหนดค่าโรเตอร์/ห้องแบบเดียวกันนี้ เครื่องจักรเชิงพาณิชย์ขนาดใหญ่มีจำหน่ายเพื่อประมวลผลสารแขวนลอยของเซลล์ หลายลิตร ปัจจุบัน เครื่องจักร เหล่า นี้จำกัดเฉพาะการประมวลผลสิ่งมีชีวิตเซลล์เดียวเช่น ยีสต์สาหร่ายและแบคทีเรีย

ตัวอย่างที่มีเมทริกซ์นอกเซลล์ที่แข็งแรง เช่น เนื้อเยื่อเกี่ยวพันของสัตว์ ตัวอย่างชิ้นเนื้อจากเนื้องอกบางชนิด เนื้อเยื่อหลอดเลือดดำ กระดูกอ่อน เมล็ดพืช ฯลฯ จะถูกบดให้เป็นผงละเอียดด้วยการบดกระแทกที่อุณหภูมิไนโตรเจนเหลว เทคนิคนี้เรียกว่าการบดด้วยความเย็นจัด (cryopulverization) ซึ่งมีพื้นฐานมาจากข้อเท็จจริงที่ว่าตัวอย่างทางชีวภาพที่มีน้ำเป็นส่วนประกอบจำนวนมากจะเปราะบางที่อุณหภูมิเย็นจัด เทคนิคนี้ได้รับการอธิบายครั้งแรกโดย Smucker และ Pfister ในปี 1975 ซึ่งเรียกเทคนิคนี้ว่าการบดกระแทกด้วยความเย็นจัด (cryo-impacting) ผู้เขียนได้แสดงให้เห็นว่าเซลล์ถูกทำลายอย่างมีประสิทธิภาพด้วยวิธีนี้ โดยยืนยันด้วยกล้องจุลทรรศน์เฟสและอิเล็กตรอนว่าระนาบการแตกหักตัดผ่านผนังเซลล์และเยื่อหุ้มไซโตพลาสมิก^{[ 4 ]}

เทคนิคนี้สามารถทำได้โดยใช้ครกและสากที่แช่เย็นจนถึงอุณหภูมิของไนโตรเจนเหลว แต่การใช้อุปกรณ์แบบดั้งเดิมนี้ค่อนข้างยุ่งยากและมักมีความเสี่ยงต่อการสูญเสียตัวอย่าง จึงมีเครื่องบดเนื้อเยื่อสแตนเลสแบบพิเศษที่เรียกกันทั่วไปว่าเครื่องบดเนื้อเยื่อ (Tissue Pulverizers) ซึ่งใช้แรงงานคนน้อยกว่า ให้ผลลัพธ์การกู้คืนตัวอย่างที่ดี และทำความสะอาดง่ายระหว่างการใช้งานแต่ละครั้ง ข้อดีของเทคนิคนี้คือได้ผลผลิตโปรตีนและกรดนิวคลีอิกสูงขึ้นจากตัวอย่างเนื้อเยื่อขนาดเล็กและแข็ง โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อใช้เป็นขั้นตอนเบื้องต้นก่อนวิธีการทำลายเซลล์ด้วยวิธีทางกลหรือทางเคมี/ตัวทำละลายที่กล่าวมาข้างต้น

นับตั้งแต่ทศวรรษ 1940 ความดันสูงถูกนำมาใช้เป็นวิธีการทำลายเซลล์ โดยเฉพาะอย่างยิ่งโดยเครื่องอัดเซลล์ความดันแบบฝรั่งเศสหรือเรียกสั้นๆ ว่า French Press วิธีนี้ได้รับการพัฒนาโดย Charles Stacy French และใช้ความดันสูงเพื่อบังคับเซลล์ผ่านรูแคบๆ ทำให้เซลล์แตกตัวเนื่องจากแรงเฉือนที่เกิดขึ้นจากความแตกต่างของความดัน^{[ 5 ] [ 6 ]} แม้ว่า French Press จะกลายเป็นอุปกรณ์หลักในห้องปฏิบัติการจุลชีววิทยาหลายแห่ง แต่การผลิตส่วนใหญ่ได้หยุดลง ทำให้เกิดการกลับมาของการประยุกต์ใช้เทคโนโลยีที่คล้ายคลึงกันในรูปแบบอื่นๆ

เครื่องทำลายเซลล์แบบสมัยใหม่โดยทั่วไปทำงานโดยใช้แรงดันลมหรือแรงดันไฮดรอลิก แม้ว่าเครื่องจักรแบบใช้ลมจะมีต้นทุนต่ำกว่า แต่ประสิทธิภาพอาจไม่น่าเชื่อถือเนื่องจากแรงดันในการประมวลผลมีความผันแปรตลอดช่วงการทำงานของปั๊มลม โดยทั่วไปแล้วถือว่าเครื่องจักรแบบไฮดรอลิกมีประสิทธิภาพในการทำลายเซลล์ได้ดีกว่า โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อประมวลผลตัวอย่างที่แตกยาก เช่น ยีสต์หรือแบคทีเรียแกรมบวกเนื่องจากความสามารถในการรักษาแรงดันให้คงที่ตลอดช่วงการทำงานของลูกสูบ เนื่องจากเครื่อง French Press ซึ่งทำงานด้วยแรงดันไฮดรอลิก สามารถทำลายเซลล์ได้มากกว่า 90% ของเซลล์ชนิดที่ใช้กันทั่วไป จึงมักถูกยกให้เป็นมาตรฐานทองคำในด้านประสิทธิภาพการทำลายเซลล์ และเครื่องจักรสมัยใหม่มักถูกนำมาเปรียบเทียบกับเครื่อง French Press ไม่เพียงแต่ในแง่ของประสิทธิภาพการทำลายเซลล์เท่านั้น แต่ยังรวมถึงความปลอดภัยและความง่ายในการใช้งานด้วย ผู้ผลิตบางรายพยายามปรับปรุงการออกแบบแบบดั้งเดิมโดยการเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติภายในเครื่องจักรเหล่านี้ นอกเหนือจากแรงดันที่ขับเคลื่อนตัวอย่างผ่านรู ตัวอย่างเช่น Constant Systems ซึ่งเพิ่งแสดงให้เห็นว่าเครื่องทำลายเซลล์ของพวกเขานั้นไม่เพียงแต่มีประสิทธิภาพเทียบเท่ากับเครื่อง French Press แบบดั้งเดิมเท่านั้น แต่ยังมุ่งมั่นที่จะบรรลุผลลัพธ์เดียวกันโดยใช้พลังงานที่ต่ำกว่ามาก^{[ 7 ]}

เทคโนโลยีการหมุนเวียนความดัน ("PCT") PCT เป็นแพลตฟอร์มเทคโนโลยีที่ได้รับการจดสิทธิบัตร ซึ่งใช้การหมุนเวียนความดันไฮโดรสแตติกสลับกันระหว่างระดับความดันแวดล้อมและระดับสูงมาก (สูงถึง 90,000 psi) เพื่อควบคุมการทำงานของโมเลกุลในตัวอย่างทางชีวภาพได้อย่างปลอดภัย สะดวก และทำซ้ำได้ เช่น การแตกตัว (lysis) ของเซลล์และเนื้อเยื่อจากแหล่งกำเนิดของมนุษย์ สัตว์ พืช และจุลินทรีย์ และการยับยั้งเชื้อโรค ระบบที่ได้รับการปรับปรุงด้วย PCT (เครื่องมือและวัสดุสิ้นเปลือง) ช่วยแก้ปัญหาที่ท้าทายบางประการในการเตรียมตัวอย่างทางชีวภาพ ข้อดีของ PCT ได้แก่: (a) การสกัดและการกู้คืนโปรตีนเยื่อหุ้มเซลล์ได้มากขึ้น (b) การย่อยโปรตีนที่ดีขึ้น (c) การแตกตัวที่แตกต่างกันในฐานตัวอย่างแบบผสม (d) การยับยั้งเชื้อโรค (e) การตรวจจับ DNA ที่เพิ่มขึ้น และ (f) การควบคุมกระบวนการเตรียมตัวอย่างที่ยอดเยี่ยม^{[ 8 ]}

วิธีการใช้ไมโครฟลูอิไดเซอร์ในการทำลายเซลล์นั้น มีอิทธิพลอย่างมากต่อคุณสมบัติทางกายภาพและเคมีของ สารละลายเซลล์ ที่ถูกทำลายเช่น ขนาดอนุภาค ความหนืด ปริมาณโปรตีน และกิจกรรมของเอนไซม์ ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา วิธีการใช้ไมโครฟลูอิไดเซอร์ได้รับความนิยมในการทำลายเซลล์มากขึ้น เนื่องจากใช้งานง่ายและมีประสิทธิภาพในการทำลายเซลล์หลายชนิด เทคโนโลยีไมโครฟลูอิไดเซอร์นี้ได้รับลิขสิทธิ์จากบริษัท Arthur D. Little และได้รับการพัฒนาและใช้งานครั้งแรกในทศวรรษ 1980 โดยเริ่มแรกเป็นเครื่องมือสำหรับ การสร้าง ไลโปโซม ต่อมาได้ถูกนำไปใช้ในงานอื่นๆ เช่นนาโนอิมัลชัน สำหรับการทำลายเซลล์ และการลดขนาดอนุภาคของแข็ง เป็นต้น

โดยการใช้ไมโครแชนเนลที่มีรูปทรงเรขาคณิตคงที่และปั๊มเพิ่มความเข้มข้น จะทำให้เกิด อัตราการเฉือน สูง ที่ทำให้เซลล์แตก วิธีการสลายเซลล์นี้สามารถทำให้เซลล์ E. coli แตกได้มากกว่า 90% ^{[ 9 ]}

โปรตีนหลายชนิดมีความไวต่ออุณหภูมิอย่างมาก และในหลายกรณีอาจเริ่มเสียสภาพได้ที่อุณหภูมิเพียง 4 องศาเซลเซียส ภายในไมโครแชนเนล อุณหภูมิจะสูงกว่า 4 องศาเซลเซียส แต่เครื่องได้รับการออกแบบให้ระบายความร้อนอย่างรวดเร็ว ทำให้เวลาที่เซลล์สัมผัสกับอุณหภูมิสูงนั้นสั้นมาก ( เวลาอยู่ในระบบ 25-40 มิลลิวินาที) เนื่องจากการควบคุมอุณหภูมิที่มีประสิทธิภาพนี้ ไมโครฟลูอิไดเซอร์จึงให้โปรตีนและเอนไซม์ที่ออกฤทธิ์ได้ในระดับที่สูงกว่าวิธีการเชิงกลอื่นๆ เมื่อโปรตีนมีความไวต่ออุณหภูมิ^{[ 10 ]}

การเปลี่ยนแปลงความหนืดมักพบเห็นได้บ่อยเมื่อเซลล์ถูกทำลาย หากความหนืดของสารละลายเซลล์สูง อาจทำให้การจัดการในขั้นตอนต่อไป เช่น การกรองและการปิเป็ตอย่างแม่นยำ ทำได้ยากมาก การเปลี่ยนแปลงความหนืดที่สังเกตได้ด้วยไมโครฟลูอิไดเซอร์นั้นค่อนข้างต่ำ และจะลดลงเมื่อผ่านเครื่องต่อไปอีก^{[ 11 ]}

เมื่อเปรียบเทียบกับวิธีการทำลายเชิงกลอื่นๆ เครื่องไมโครฟลูอิไดเซอร์จะทำลายเยื่อหุ้มเซลล์ได้อย่างมีประสิทธิภาพแต่ก็อ่อนโยน ส่งผลให้ได้ชิ้นส่วนผนังเซลล์ที่มีขนาดค่อนข้างใหญ่ (450 นาโนเมตร) จึงทำให้การแยกส่วนประกอบภายในเซลล์ทำได้ง่ายขึ้น ซึ่งอาจนำไปสู่เวลาในการกรองที่สั้นลงและการแยกโดยการเหวี่ยงที่ดีขึ้น^{[ 12 ]}

เทคโนโลยีไมโครฟลูอิไดเซอร์สามารถปรับขนาดได้ตั้งแต่หนึ่งมิลลิลิตรไปจนถึงหลายพันลิตร

สำหรับการลดความดันด้วยไนโตรเจน ขั้นแรกจะละลายไนโตรเจนปริมาณมากในเซลล์ภายใต้ความดันสูงภายในภาชนะรับความดัน ที่เหมาะสม จากนั้น เมื่อความดันก๊าซถูกปล่อยออกอย่างฉับพลัน ไนโตรเจนจะออกมาจากสารละลายในรูปของฟองอากาศที่ขยายตัวและยืดเยื่อหุ้มเซลล์แต่ละเซลล์จนกระทั่งแตกและปล่อยสารภายในเซลล์ออกมา

การลดความดันด้วยไนโตรเจนช่วยปกป้องเอนไซม์และออร์แกเนลล์ ได้ดี กว่าวิธีการโฮโมจีไนซ์ด้วยคลื่นอัลตราโซนิคและเชิงกล และเปรียบเทียบได้ดีกับการกระทำที่ทำลายอย่างควบคุมได้ซึ่งได้จากการใช้ครกและสาก PTFE และแก้ว[ ^{13 ] ใน}ขณะที่วิธีการทำลายอื่นๆ ขึ้นอยู่กับแรงเสียดทานหรือ การ เฉือน เชิงกล ที่สร้างความร้อน กระบวนการลดความดันด้วยไนโตรเจนจะมาพร้อมกับการขยายตัวแบบอะเดียแบติกซึ่งทำให้ตัวอย่างเย็นลงแทนที่จะร้อนขึ้น

ชั้นก๊าซไนโตรเจนเฉื่อยที่ปกคลุมสารละลายเซลล์และสารโฮโมจีเนตจะช่วยป้องกันการเกิดออกซิเดชันของส่วนประกอบของเซลล์ แม้ว่าก๊าซอื่นๆ เช่นคาร์บอนไดออกไซด์ไนตรัสออกไซด์คาร์บอนมอนอกไซด์และอากาศอัดจะถูกนำมาใช้ในเทคนิคนี้ แต่ไนโตรเจนเป็นที่นิยมมากกว่าเนื่องจากไม่ทำปฏิกิริยาและไม่เปลี่ยนแปลงค่า pH ของตัวกลางที่ใช้แขวนลอย นอกจากนี้ ไนโตรเจนยังเป็นที่นิยมเพราะโดยทั่วไปมีราคาถูกและมีความดันที่เหมาะสมสำหรับกระบวนการนี้

เมื่อ สาร ภายในเซลล์ ถูกปล่อยออกมาแล้ว สารเหล่านั้นจะไม่สัมผัสกับการสึกหรอ อย่างต่อเนื่อง ที่อาจ ทำให้ตัวอย่าง เสียสภาพหรือก่อให้เกิดความเสียหายที่ไม่พึงประสงค์ ไม่จำเป็นต้องสังเกตจุดสูงสุดระหว่างกิจกรรมของเอนไซม์และเปอร์เซ็นต์การทำลาย เนื่องจากฟองไนโตรเจนถูกสร้างขึ้นภายในแต่ละเซลล์ แรงทำลายจึงกระจายอย่างสม่ำเสมอทั่วทั้งตัวอย่าง ทำให้ได้ผลิตภัณฑ์ที่มีความสม่ำเสมอเป็นพิเศษ สามารถผลิตโฮโมจีเนตที่ปราศจากเซลล์ได้

เทคนิคนี้ใช้ในการ ทำให้ เซลล์และเนื้อเยื่อเป็นเนื้อ เดียวกัน แยก ออร์แกเนลล์ ที่สมบูรณ์ เตรียมเยื่อหุ้มเซลล์แยกสารชีวเคมี ที่ไม่เสถียร และผลิตสารละลายที่เป็นเนื้อเดียวกันและทำซ้ำได้โดยไม่ต้องทำให้ตัวอย่างได้รับความเครียดทางเคมีหรือทางกายภาพอย่างรุนแรง

วิธีนี้เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการรักษา เซลล์ ของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมและเซลล์ที่มีเยื่อหุ้มอื่นๆ^{[ 14 ]}นอกจากนี้ยังใช้ได้ผลดีในการรักษาเซลล์พืชปลดปล่อยไวรัสจากไข่ที่ได้รับการผสมพันธุ์ และรักษาแบคทีเรีย ที่ เปราะ บาง ไม่แนะนำให้ใช้กับเซลล์แบคทีเรียที่ยังไม่ได้รับการรักษายีสต์เชื้อราสปอร์และวัสดุอื่นๆ ที่มีผนังเซลล์แข็งแรงจะไม่ตอบสนองต่อวิธีนี้ได้ดี

• ไลซิส
• โฮโมจีไนเซอร์อัลตราโซนิก
• โซนิเคชั่น
• การทำให้เป็นเนื้อเดียวกัน (ทางเคมี)
• เครื่องโฮโมจีไนเซอร์