生物下游工艺开发的PAT解决方案

2023-11-23

随着mAb（单克隆抗体）、ADC（抗体偶联药物）、寡核苷酸、多肽、疫苗以及各种重组蛋白日益成为解决疾病的重要药物类型，高水平的生产和高质量的药物质量要求对传统生物工艺进行不断的优化和升级。在上游过程生产出目标分子后，需要进一步回收、浓缩和纯化产物以获得纯化后的产品并满足质量要求。

图1：生物过程的上下游工艺流程

为了使生物大分子的生产效率进一步提升，需要对传统的生物过程进行改进。在上游细胞系开发、培养基的优化、营养物和代谢物的控制等过程的优化大幅提高了抗体等大分子的产量和滴度水平。在细胞培养过程中引入原位拉曼等PAT（过程分析技术）手段，可以实时监测各组分的实时浓度以及细胞密度、细胞活率等生化参数，从而通过更精确的控制提升上游过程的工艺水平。

图2：使用在线拉曼光谱技术原位监控微生物发酵和细胞培养过程：可实时同步分析发酵过程中营养物、代谢物和产物的浓度变化，借助化学计量学，甚至可实现同步监测光密度（OD）、活细胞密度（VCD）、总细胞密度（TCD）、细胞活率（VIB）等生化指标，从而进一步实现基于关键工艺参数的实时反馈控制。

下游工艺过程通过离心、过滤、色谱、膜分离等操作和手段，完成对产品的回收、浓缩和纯化。由于上游工艺的现代化改造，传统的下游工艺出现了技术瓶颈。即使在完美的下游单元操作下，由于管线死体积、离心和过滤的损失、色谱杂质、团聚、采样方法和测量误差等因素，也会出现难以避免的产量损失以及工艺效率低下的问题。为了提高批次间一致性和工艺质量，并更好的管理产量和成本，下游工艺也相应的需要进行新的现代化升级。

基于QbD（质量源于设计）的理念和更精益的工艺开发的诉求，针对生物下游工艺的开发和优化，梅特勒托利多提供了覆盖各个步骤的PAT工具和解决方案。利用先进的原位光谱分析、在线颗粒分析等过程分析工具以及全自动反应器技术，通过快速、丰富的数据收集和处理，大幅提高对工艺过程的洞察，有效地开发连续工艺，并实现全面的数据记录和管理。

用于生物下游工艺开发的PAT工具

原位光谱技术

ReactIR™和ReactRaman™追踪整个生物过程中上游、下游、偶联和制剂配方过程单元操作的关键参数。在上游应用中可以监测葡萄糖和关键代谢物，而在下游过程中，可以实时监测和控制蛋白质或疫苗浓度、稳定剂和佐剂以及杂质，并且不会产生因离线分析产生的延迟或成本。这有助于快速确定过程终点，并揭示各种工艺参数对产品质量和工艺效率的影响。

在线颗粒表征

在线颗粒分析可监测过程中颗粒数目和粒径的变化和程度，无需对精细结构进行采样或质疑样品的代表性。这些信息可用于了解颗粒机制，从而能够形成合适的颗粒，以加快收获和纯化工艺的建立并确保产品的功效。缓冲液和培养基配方中的颗粒溶解和沉淀是维持细胞培养一致性和性能的重要工艺参数。ParticleTrack™和EasyViewer™能够为溶解和混合研究提供快速的过程理解和全面的颗粒洞察。工艺条件可以被轻松地建立和比较，同时也可以加速获取工艺开发以及生产规模的可操作信息。

自动合成工作站

强大的控制和分析软件与EasyMax™等自动化反应器相结合，提供了一种简单而可靠的方法来精确控制和记录关键工艺参数，例如pH测量和双向滴定、加料、电导率、氧化还原电位、溶解O₂等。这些工作站确保操作步骤和实验条件的自动记录，从而轻松收集关键工艺数据。在实验的可重复性和稳定性大幅提高的基础上，可轻松实现在放大之前识别失败的批次条件，从而节省时间和预算。除此之外，实验结果可以轻松地与同事共享并保存以供未来使用。

一体化分析

使用iC软件将实验数据转化为重要的过程理解。利用One Click Analytics™理解生物过程的动态变化或了解参数变化的影响。优化工艺条件；轻松收集、准备和共享数据。利用集成的一体化分析来分析所有相关工艺参数和质量属性的趋势，并快速、自信地识别过程变化和原因。这使得可以花更少的时间来比较不同批次，而花更多的时间来采取行动。

生物下游工艺优化的PAT解决方案

收获和过滤

ParticleTrack™（FBRM^®）测量进入或流出过滤器的细胞培养液的颗粒积累和粒度分布，并可以提供膜容量相关性信息或反馈控制，以最大限度地减少过程中断。EasyViewer™从过程中的实时在线图像中获取有关颗粒积累、尺寸分布和形貌的信息。这些在线技术被实施在过滤前方或后方，提供膜容量相关性或反馈控制，对于工艺本质分析、过程表征和形貌研究具有重要价值。

捕获和富集

ReactIR™的测量速度和检出限可为初级色谱富集过程带来价值，在快速测量的同时实时定量区分多个组分。原位FTIR光谱能够监测可变的进料/出料，并通过指纹识别流出液成分来提供有关树脂质量和寿命性能的信息。

缓冲液交换和浓缩

ReactIR™可以同时实时量化和监测多种佐剂和物料，从而消除离线分析中常见的信息延迟。减少缓冲液的过度使用，监测膜效应，使用直接原位浓缩而不是体积近似值，将浓度精度从±5%提高到±2%，并消除分析延迟。

纯化

ReactIR™和ReactRaman™原位光谱有利于优化精细色谱操作，以量化和分析包括缓冲液、原料药和杂质在内的馏分成分，并实时改进馏分切割、馏分辨别和总浓度，通过利用EasyMax™进行病毒灭活研究，科学家们可以快速评估DoE设计空间，包括混合条件、温度控制、补料策略和速率。通过集成pH、电导率、氧化还原和DO等传感器来加速工艺开发，并有效地实现工艺放大和转移。