一次性系统（SUS）如今已经应用于大多数涉及动物细胞培养物的生物制药流程——例如, 在预临床和临床样品生产过程中，一次性过滤器、塑料贮存袋、一次性搅拌器和一次性生物反应器等上游处理（USP）部分是最为常用的部件。但是，生物制药行业也在更深入地将一次性系统应用于下游处理（DSP）、配方和填装。其中，一次性搅拌釜式生物反应器是当前行业优先发展方向之一。此外，处理干细胞和T 细胞的一次性设备也是本行业所需。

图1 用于上游处理的一次性系统（图片经Sartorius Stedim Biotech AG 公司友情批准使用）

一次性(即弃型)系统只供一次性使用，并且一次性系统中所有与产品发生接触的部件，均采用经美国食品和药物管理局(FDA)批准的塑料材料，如聚乙烯或聚碳酸酯。这些一次性系统通常由制造厂商以贝塔射线或伽马射线进行灭菌，可以随时投入使用。在这15 年的生物制药生产过程中，人们对使用一次性系统的接受度已经得到极大的提升。尤其对所有涉及到动物细胞培养物的流程，需要快速开发和高效生产中小批量的产品时，如治疗性抗体、激素、酶和疫苗时，人们对一次性系统的接受度尤其之高。保守估计，这些应用领域的一次性系统，已经在2/3 的新流程设计中得到了采用。

这种发展趋势的原因在于，与玻璃或金属制可重用设备相比较时，一次性系统展现出很多优点。例如，它能增加产品层级(生产型生物反应器的容量下调到了1 m3 或2 m3)， 能更快形成生产能力(无需灭菌和清洁工序)，提高产品灵活性(快速实现产品切换)以及增强产品安全性(将产品交叉污染风险降至最低)。此外，一次性系统能够将生产系统前提投资成本削减约40%，并且其系统安装、调试和投运所用时间也更少。

一次性设备在预临床和临床样品生产中无处不在，但在商品级生物制药生产中的应用程度少一些。导致出现这种现象的原因是，目前市场供应的一次性系统存在着一些影响其应用范围的限制。

一次性系统的主要缺点

可溶出物和可萃取物(L&E)，是一些在处理条件下或在最差条件下，从塑料当中迁移出来的物质，这些物质会导致产品品质降级，成为一次性系统的主要缺点。其中最大的缺点是，此系统缺乏用于检测L&E 的标准化测试规程，同时还缺乏适合的分析试验规程。可溶出物双(2,4- 双叔丁基苯基)磷酸酯钠(bDtBPP)，被识别为对中国仓鼠卵巢(CHO)细胞株系具有细胞毒性，这个事实未能改变这种状况。但是，在Matthew Hammond 指导下，Amgen 公司专家团队通过研究取得了一些成果，这些成果加快了适用于贮存袋、搅拌器袋和生产反应器袋的更坚固且最优化薄膜的开发工作(例如， ThermoFisher Scientific 公司出品的Aegis5-14 薄膜，或Sartorius Stedim Biotech 公司出品的Flexsafe S80 薄膜)。最近一项以德国化学和生物技术协会(DECHEMA)建议为基础的研究表明，如果将抗氧化剂Irgafors 168 的浓度降至最低，则可以排除Flexsafe S80 的细胞生长抑制风险，而且这种排除不仅适用于CHO 细胞。

通过DECHEMA 生物制药生产一次性技术工作组的努力，DECHEMA 正在为德语地区一次性系统的标准化制订建议标准和指南，除DECHEMA 以外，表1所列的一些组织也在积极参与这些工作。除了L&E 问题之外，与一次性生物反应器的完整性、供应商资格、材质和部件可更换性以及流程特性描述方面的问题也正在得到解决。

处理平台、USP 生产线和生产装置

尽管如此，如果选用了正确的设备并且正确使用，一次性系统的优势胜过如上所列缺点。一次性系统如今已经存在于上游处理和下游处理的流程工序中。甚至还有可用于合适配方和填装的一次性使用设备(搅拌器、输送系统、配药系统、填装针头等)。但是诸如上海WuXi PharmaTech这样的一次性使用生产厂仍然是例外( 约占10%)。混合式生产厂(约占75%)才是主导生产形式。一次性过滤器、塑料贮存袋、一次性搅拌器和一次性生物反应器与不锈钢设备同时得到了使用。由一次性系统市场领导者(GE Healthcare、Pall Life Sciences、Merck MilliPore、Sartorius Stedim Biotech 和ThermoScientific)设计的各种处理平台(例如，介质生产、发酵、生物质分离、病毒分离和灭活、配方和填装平台)都在这些工厂当中得到了广泛采用。

事实上，对于容量大于500 L的应用(一次性离心限制、一次性使用蛋白质A 层析、缺少传感器系统)，其应用空间仍然存在瓶颈。虽然，一次性使用DSP 已经有了进步，图1 也说明了生物制药业正发展为全部以一次性系统为基础的上游处理生产设施的趋势。典型例子之一是Shire 公司，它位于马萨诸塞州莱克星顿，拥有一座2 000 L 的生物反应器生产设施。此外，用于治疗戈谢病的药品Velaglucerase Alfa，已通过欧洲药品管理局(EMA)和美国食品和药物管理局(PDA)的批准，这是第一款将在一座采用整套一次性使用上游处理生产线的生产设施生产的商业生物药品。但是，如果没有可以扩容升级的一次性生物技术和相关周围设备，这种类似的生产设施将不会存在。

新一代一次性生物反应器

表1 列出了一系列商业化应用的一次性使用生物反应器，其规模范围从试验台级直至立方米级。本清单并不是一项全无遗漏的清单。其中并没有包括一些毫升级生物培养自动化一次性微型生物反应器， 诸如ambr 15 和ambr 250(Sartorius Stedim Biotech 公司，前TAP Systems 公司)、BioBLU 0.3 系统(Eppendorf公司)、Pall Micro-24 生物反应器系统(Pall Life Sciences 公司)、BioLector(mp2-labs 公司)、Zellwerk 公司的H 系列ZRP 生物反应器和PBS Biotech MagDrive微型生物反应器。用于组织工程的一次性生物反应器也从本清单当中略去。

其中还列出了来自各个不同供应商的生物反应器产品。其差别也许在于能量输入机制、规模、培养容器制造材料、传感器和控制单元的不同。这些产品同样运用于悬浮生长细胞和贴壁细胞的培养。悬浮细胞的培养适合采用机械或气动驱动方式的一次性生物反应器。贴壁细胞既可以在同一台一次性生物反应器内采用微型承载托盘进行培养，也可以在配备了机械驱动装置的回转床式生物反应器内培养，又可以在采用气动驱动装置的一次性中空纤维生物反应器内培养，还可以在平行盘式生物反应器和固定床式生物反应器内培养。

绝大多数用户都偏好采用配备机载驱动装置的搅拌釜式生物反应器。波浪袋式反应器主要用于细胞扩增( 也有一些例外)，其中的生物反应通常在搅拌釜式生物反应器内发生。近3年以来，有一些波浪袋式和搅拌釜式一次性反应器经过了重新设计，简化了操作，将应用范围扩展到动物细胞培养物之外。用于微生物处理的搅拌釜式一次性反应器的开发值得我们一谈。这些一次性生物反应器所使用的传感器、控制器以及监测和控制软件都进行了修改和升级，确保了更出色的数据采集和流程监测。一次性生物反应器的开发工作仍在继续深入当中，并且业内已经开展了一系列合并(例如Xcellerex/GE Healthcare、Eppendorf/New Brunswick/DASGIP 和ATMI/Pall Life Sciences)，所以有些生物反应器的名称有可能已经变了。

最近有少数新型一次性生物反应器出现， 但Pall 公司的Allegro STR 200 和PBS Biotech 公司的Vertical Wheel MagDrive 生物反应器是两项例外。

一些流程开发商和合同制造组织(CMO)已经将切线流过滤(TFF)视为一种有效工具，用于提升那些用于动物细胞的一次性生物反应器时间- 空间产量，或者用于克服一些可扩容性受限的问题。这些组织采用搅拌釜式和波浪袋式一次性生物反应器，并组合了交叉流微过滤系统，例如可重用式Refine 交流切线流(ATF)模块(Refine 的生物技术部门如今并入了Repligen 公司)，或者其它供应商(GE Healthcare、Spectrum Laboratories)出品的一次性中空纤维模块系统。采用这些类型的设备配置方案，生产厂商可以在诸如连接器、膜式阀和膜式泵等新型一次性周边设备支持下，执行持续输注、重复批次进料、集中批次进料和集中输注流程(图1)。

新型下游处理流程设计

但是，高细胞密度(≤ 108 /ml)和10 倍增加的产品层级都在不断对下游处理提出更高要求。这种要求也创造了一些引入可最大程度降低成本的创新下游处理流程的机会。一次性本体加料过滤模块，诸如Sartorius Stedim Biotech公司出品的Sartoclear Dynamics 模块(硅藻土过滤)，或者FILTROX FILTRODISC BIO SD 模块，可以用于培养液体的高效生产规模化澄清，并且也是一种一次性离心的可行替代方案。3M 公司在开发3M Emphaze AEX 混合提纯器(一种多功能一次性提纯器)时，将澄清工序作为起点，用于减少在成本高昂的下游层析纯化步骤内所需要去除的污染物含量。

有些用户已经在使用连续性DSP 处理方式。ASI 公司最近推进了一款应用于这些领域的一次性热交换器产品。除了配以全自动化TFF 模块外，这家领先的一次性系统供应商还提供了用于透滤和病毒过滤的TFF 模块，以及一次性层析纯化系统和各种规模的膜吸附器。但是，一些生物制药生产商和CMO 更偏好采用可以多次使用的预充填即弃型层析系统。这里仅举一例，Repligen 公司的Open Platform Specified(OPUS)层析柱就预充填了树脂。这些层析柱用于澄清来自容量在1 m3 至2 m3 之间的一次性生物反应器的培养液体。BIA Separations 公司则供应采用不定形材料制成的层析柱。

总结和展望

在所有涉及到动物细胞培养物的生物制药处理领域，一次性系统正在成为得到业界接受的技术。研究人员正在集中研究克服现有局限(标准化、增强型传感器技术、改进自动化解决方案和大规模一次性使用层析技术)。市场分析指出，一次性系统将以每年至少15% 的速度持续成长，预计其在商业化生产和微生物处理方面的应用将会增多。除了新建各种用于生产生物治疗药物和生物仿制药的灵活模块化设施之外，现有工厂当中的可重用设备也正在为一次性系统所取代。

考虑到细胞、基因和免疫治疗应用方面成功水平的不断提升，对用于处理干细胞和T 细胞(细胞增容、差异化、采收和纯化)的一次性设备的需求将更大。永久性细胞生产线开发的一次性使用设备是否可以用于干细胞，特别是用于诱导性多功能干细胞目前尚不清楚，因为这种细胞非常容易受到剪应力的影响。

本文摘自《Achema 趋势报告》，更多详情请参见www.achema.de。