如何优化上游生产的工艺效率

Cytiva 2023-07-04

本篇文章综合了来自Cytiva的科学家Andreas Castan博士对“优化上游生产的工艺效率”的观点。

优化上游生产的工艺效率

工艺效率是生物制药生产的一个关键目标，其重点是提高工艺速度，控制成本，提高工艺灵活性，同时保持最终产品的质量。本文将详细介绍几种可以显著提高上游工艺效率的不同方法和技术，包括细胞系开发、工艺开发和工艺强化、实时分析和工艺整合。

制造现状

许多公司已经生产生物制品多年，直到最近，大多数生物制品都是肽、蛋白质、单克隆抗体和抗体片段。

随着行业需求的变化，生物制造也需要随之发展（图1）。药物开发人员越来越希望提高灵活性和反应性。这在一定程度上是由于对更复杂生物分子的需求不断增加所致，因为双特异性单克隆抗体、抗体药物偶联物等生物药正在不断发展。这种异质性的增加导致了生物制造需要更多的灵活性和反应性。

图1：生物制造的现状与未来。

建立全球业务有助于灵活敏捷应对需求的突然变化，并满足需求不断增长的国家（如印度或中国）的需求。

因此，我们的目标是制定一个灵活、高效和成本效益高的制造计划，让用户可以在同一或不同的站点轻松地进行扩展或复制，从而提高本地或全球的生产力。这个平台的建立依赖于逐步简化流程，从细胞系开发开始，因为这是所有生物制品生产的基础。

加速细胞系开发

传统的细胞系开发包括细胞的随机转染，随后是细胞分选和基于生产力和生长性能的克隆评估。整个开发过程大约需要用时40周。目前已有许多潜在的方法可用于加快细胞系开发工艺。

传统的筛选工艺是将单个细胞放入96孔板的孔中，然后筛选50到100个板，选出产量最高的细胞。然而，操作员可以将细胞放入微型池中，然后选出产量最高的细胞池，而不是单个细胞。然后再对这个微型细胞池进行筛选，得到单个细胞。选择系统也能起到作用。例如，将荧光激活细胞分选 (FACS) 与谷氨酰胺合成酶 (GS) 选择系统结合使用可进一步加快这一过程。微流控技术可以在克隆评估中发挥作用，并在5天内获得细胞增殖率和细胞特异性的结果。

细胞系开发工艺的简化始于转染。目标整合不依赖于随机事件，而是允许细胞系开发员在预定义的“热点”中插入基因。这种特异性增加了高产细胞系的产生，减少了下一步所需的筛选量。

这些步骤的结合可以将细胞发育的时间大大缩短到8至10周，并能通过缩短目标生物制剂的毒性研究时间而产生重大影响。

加快工艺开发

优化工艺的下一个阶段是进入工艺开发阶段。首先使用高通量系统，例如孔板、旋转管和微生物反应器，然后进入平行实验室规模的生物反应器系统，包括从250毫升到5或10升规模的生物反应器。为了使规模扩大过程尽可能顺利，这些指标必须反映和预测在中试和生产规模中的条件和性能。

工艺分析扮演着重要的角色，应该在上游工艺和仪器中实现自动化和整合。这些分析将提供大量非常重要的数据，例如，来自细胞培养基和层析填料等原材料、来自生物反应器和捕获阶段以及来自药物产品的数据。然而，挑战在于捕获和存储信息，然后对其进行评估。数据只有能够进行分析并具有相关性，才有价值。

从将所有数据输入一个数据库或“数据湖”到数据分析，数据收集和分析的过程如图2所示。为了从数据及其分析中获得更多信息，分析过程不仅需要查看输出，还需要查看不同子系统之间的交互。例如，实时监控可用于预测批次的发展情况和检测各种偏差。

图2：数据收集和分析。

然后，通过与其他批次的比较，工艺开发员可以更好地了解如何改进工艺并减少错误。

如果可以将更密切的分析整合到工艺中，效果会更好。在理想的情况下，上下游的实时分析意味着整个工艺可以从开始到结束“随时”修改，以提高质量和产量。数据源可以包括整个工艺中的信息，例如进入生物反应器的原料、任何层析数据以及纯化和过滤步骤的细节。

工艺强化

许多生物制药公司通过关注种子生物反应器（N-1阶段）来寻求工艺强化的好处。另外两种方法作为提高容积生产能力的战略也越来越引起业界的兴趣。

第一种方法：使用高密度、大容量的细胞库小瓶，可在一个步骤中对其进行扩展。该小瓶用于接种1至10升的摇摆灌注生物反应器，将细胞扩增至足够的体积和密度，以接种高达2000升的生物反应器。加速过程只需两周甚至更短的时间，从而使工艺强化时间减半。

第二种方法：在灌注中进行N-1阶段来产生足够的细胞，从而以更高的细胞密度接种生产生物反应器。这样，生产生物反应器的时间可缩短约5天。

利用系统生物学进行工艺设计

受基因组、蛋白质组和代谢组的影响，细胞生物学对该工艺的结果有影响。通过对通路进行建模并将从中获得的知识用于工艺开发，不仅可以利用系统生物学来改进宿主。

细胞系还可以改进工艺设计和培养基开发。例如，对系统进行改变，然后分析细胞的mRNA，可以显示与细胞周期代谢相关的细胞通路的上下调节变化。这些信息然后可以用来改进培养基，提高细胞单位生产率。

通过实时分析在线发布

如期望的未来制造状态中所述，质量控制和质量保证的发布很繁琐，并且可能会对时间表产生重大影响。因此，需要一种能够捕获多个质量属性并且可以接近在线或在线运行的方法。这种快速捕获方法还可以将有关质量属性的信息反馈给工艺。

引入整合和自动化

整合分析和优化工艺为自动化系统的潜力打开了大门。自动化系统可以检测和处理工艺中的偏差，并在没有人为干预的情况下进行纠正。这种自动化的下一步发展可能是连接上游和下游，创建一个整合的连续生物制造平台（图3）。然而，一个完全整合的系统需要高水平的精度、控制和执行，以及处理问题的强大方案。

图3：端到端上下游连续工艺。

最终目标

细胞系开发、工艺开发和工艺强化、实时分析、工艺整合和自动化都是制造商优化工艺效率的重要方法。为了满足生物制品行业不断变化的需求，这些步骤，以及更好地解决生产线异质性、降低成本和更灵活敏捷的制造方法，都是必不可少的。然而，最大的影响可能来自于对工艺的下一步改进-增加上游和下游工艺的整合，并向更高的自动化迈进。最终的目标越来越接近现实，它是一个完全整合和完全自动化的工艺平台，从细胞和培养基一直运行到产品的配方。

撰稿人 | Cytiva 思拓凡

责任编辑 | 胡静

审核人 | 何发

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