优化现有的传统批次生物药生产

传统的批次生产经历了每一个可能的改进步骤，以优化工艺流程，降低复杂性，减少资本支出（CAPEX）和运营支出（OPEX），从而可以改善和简化药物物质的生物生产和产品交付给患者。该行业实施了许多可用的技术和运营管理工具来实现这一任务；

• 提高“整体资产效率”（OAE）

• 减少“生产时间”（TPT）

• 通过使用无缝集成和良好表征的工艺提高“质量”（Q）

实施精益生产和其它优化计划来改进传统的批次生物生产，取得了一些进展，但仍需努力；

• 运营

o已实现重大“效率提升”

o不太可能实现额外的“飞跃性效率提升

o跨大陆“生产和运输”

• 合规性

o 许多“手动”检查

o 偏差和调查

o 困难的“根本原因”分析

• 质量

o 依赖“生产过程中”和“最终产品”测试

上游补料分批系统：由于实现了更高的生产滴度（活细胞密度）、改进的控制（PAT、QbD）、灵活的设备和系统设计（在适用的情况下利用一次性技术）而实现了整体改进，使生物生产从图 1 所示的整体复杂生产线发展到图 2 所示的改进的更简单的操作。

对于上游灌流系统，由于更好的滴度、更高的单位体积流速（单位体积生产率）、灵活的设备和更好的系统设计而实现了整体改进，从图 3 所示的整体复杂操作发展到图 4 所示的更简单的操作。

图1. 典型的传统生产规模补料分批系统，上游（生产规模反应器可达30 kL）。

图2. 改进的生产规模补料分批系统，上游（生产规模反应器可达2 kL）

图3. 典型的传统生产规模灌流系统，上游

图4. 改进的生产规模灌流系统，上游

图5. 活细胞密度，上游生产能力发展迅速，上升潜力巨大。

图6. 单位体积生产率，上游生产能力发展迅速，上升潜力巨大。

连续生物生产

区分批次生产和连续生产：在批次生产中，所有材料在工艺开始前装入，并在工艺结束时排出。在连续生产中，材料在过程中同时装入和排出。

要实现上游连续生物生产，需要进行模式转换思维和实施系统；

• 模块化

• 灵活

• 便携

• 紧凑

• 占用空间小

• 成本效益高

• 优化

• 转换方便

这需要设计和实施新技术来实现目标，如下表 1 中的示例所示；

表1. 上游连续生产：行动、技术和优势

通过实施表 1 中概述的内容和临床实验数据（进行研究的少数公司报告的概念证明），上游系统将产生如图7 所示的简单系统。

图7. 连续生物生产 – 上游

工艺设计

测量和控制用于实现生物技术和生物制药行业中的连续工艺 – 从批次生产方法到连续生产方法的转变正在改变生物制药生产的未来。提高产能利用率和缩短工艺开发时间、产品方形时间和资本成本所带来的潜在经济收益正在推动这种模式的转变。这一转变的推动力在于质量、患者安全和突破性药物到达患者所需时间的潜在改善。

监管机构提倡向连续生产 (CM) 转变。然而，新方法也带来了新的挑战 – 特别是在工艺设计、测量、材料可追溯性和控制方面。生产商、供应商和研究机构正在全球范围内的项目中合作解决这些挑战。

生物制药行业中连续生物工艺的地位部分取决于对生产商如何克服与质量、合规性、材料可追溯性和工艺设计和控制相关的挑战的研究。

连续生物生产 - 上游

一个完全集成的连续培养、澄清、收获和捕获所需蛋白质的工艺平台由一个带有细胞截留装置的搅拌罐反应器组成，图 7，反应器被连续收获，无细胞流出物通过连续层析过程捕获。在这样的过程中，培养上清液被上样到层析柱上，直到完全饱和，然后突破；柱流出物被上样到第二个柱上。完全饱和后，柱与第二根柱断开连接并回收产品，而第二个柱被上样到完全饱和。突破第二个柱后，流出物被上样到第三个柱上。第二个柱再次断开连接并回收产品。该过程也称为逆流层析，已在中试规模实施。该系统比典型的批次层析过程更复杂，但完全自动化且生产率更高。在集成连续系统的长期稳定运行期间，产品质量可以保持在高水平。鉴于生物制药行业目前向质量源于设计和实时产品方形的转变，连续生产技术是实现这一雄心勃勃目标的一大步。

连续生物生产 – 下游

下游工艺侧重于产量和生产率以及纯度和工艺能力。通过扩建现有设施和优化现有和替代性工艺流程，可以提高单个单元操作的分离效率。这些包括建立平台技术、基于 QbD 和基于 DoE 的实验优化的高通量方法，此外，还包括单元操作建模和模拟的集成以及微型工厂设施的使用。

传统上，单克隆抗体是通过一系列不同的层析和基于膜的操作来纯化的。必须包括病毒灭活操作、基于过滤的病毒降低步骤以及最终的洗滤过滤。

通过离心或过滤收获细胞后，使用层析分离装置从培养液中分离抗体。Protein A 层析法是捕获抗体的最重要单元操作之一。它以对 IgG 型抗体的高选择性、高流速和高载量而著称。动态结合载量范围为 15-100 g mAb/L_填料，具体取决于抗体、流速和吸附配基。纯度始终高于 95%。工艺相关杂质如 DNA（脱氧核糖核酸）、HCP（宿主细胞蛋白）、培养基成分和病毒颗粒被去除。近年来工艺开发的重大进展之一是将层析法更好地整合到整个生产工艺中。初始 Protein A 捕获步骤的洗脱条件根据以下单元操作进行调整，以便进入后续的病毒灭活步骤或离子交换层析。这消除了这些单元操作之间进行缓冲液置换的需要，这是过去几十年中成功整合单一分离操作的一个例子。

存在 Protein A 配基脱落和 HCP 和 DNA 等杂质的非特异性结合的问题。脱落的 Protein A配基 降低了 Protein A 层析的结合载量，且需要在后续的纯化步骤中去除。结合杂质的量取决于吸附剂、细胞培养收获物的成分、柱上样和洗涤条件。Tarrant等人和 Shukla等人发表了关于 HCP 与不同 Protein A 配基和产品相互作用的研究。

由于生产成本和产品质量相关的好处，连续生产目前在生物制药行业被认真考虑作为生产治疗性蛋白质的可能的新范例。

用于单克隆抗体生产的 CHO 细胞系在灌流模式下培养并连接到连续亲和捕获步骤。通过合适的控制回路实现两个系统的可靠和稳定集成，调节连续体积流量并调整捕获过程的操作条件。对于后者，将生物反应器后的收获浓度的在线 HPLC 测量与捕获层析单元的机械模型相结合。从而，在整个过程中实现了最佳的缓冲液消耗和生产率，同时始终保持收率高于目标值 99%。在三个连续的活细胞密度设定点（20、60 和 40 × 10⁶ cells/mL）下实现了稳定运行，同时在聚体、碎片、电荷异构体和 N 链糖基化方面实现了一致的产品质量。此外，在不同的稳定状态下测量了这些产品质量属性的不同值，例如 N 链糖基化、电荷异构体和聚体含量。在所有考虑的上游操作条件下，捕获步骤显著减少了DNA 和 HCP 的数量。

在当前产品线多样化、市场需求快速波动和生物仿制药竞争日益激烈的环境中，生物技术公司越来越被驱使开发创新解决方案，以实现高度灵活且具有成本效益的生产。为了满足这些具有挑战性的需求，集成的连续工艺（由高密度灌流细胞培养和直接耦合的连续捕获步骤组成）可用作通用生物生产平台。

有研究报道首次成功演示了灌流生物反应器与四柱周期性逆流层析 (PCC) 系统的集成，用于连续捕获候选蛋白质治疗药物。给出了两个示例：(1) 单克隆抗体（稳定蛋白质模型）和 (2) 重组人酶（高度复杂、不太稳定的蛋白质模型）。在这两种情况下，高密度灌流 CHO细胞培养均在 50-60 × 10⁶ cells/mL 的准稳态下运行超过 60 天，实现了比当前灌流或补料分批工艺高得多的单位体积生产率。直接集成和自动化的PCC 系统不间断运行了 30 天，没有出现基于时间的性能下降迹象。连续捕获工艺过程观察到的产品质量与批次柱层析操作相当。此外，灌流细胞培养和 PCC 的整合大大减少了设备占地面积，并消除了几个非增值单元操作，例如澄清和中间保持步骤。这些发现证明了集成连续生物工艺作为生产各种治疗性蛋白质的通用平台的潜力。

结论

传统批次生物生产具有限制性

批次生物生产的固有障碍：

• 资本密集型

• 设施占地面积大

• 需要大量时间来建设设施

• 需要大量员工来操作

• 产能需求不断增加

• 需要本地化生产

批次工艺的缺点

• 定义的批次大小（产量由批次大小决定）

• 多个连续的端到端工艺步骤

• 工艺步骤之间/期间的多次中断

• 单个工艺步骤之间的等待时间长

• 工艺步骤之间的转运步骤众多

• 从开始到结束的生产时间很长

• 需要大量的原材料和中间库存

• 需要进行广泛的验证和规模放大活动

• 运营和开发中的物理和组织性分离

• 通过过程中取样/控制和最终产品测试来衡量质量

集成连续生物生产平台概述

集成连续生物生产，是：

图8. 细胞密度，当前工艺 vs. 新平台

图9. 单位体积生产率，当前工艺 vs. 新平台

图10. 从传统批次生物生产向集成式连续生物工艺的转变

• 通用、标准平台（各种蛋白质）

• 稳态（代谢）

• 封闭系统（最小化微生物问题）

• 无需规模放大，中试和生产规模相同

• 由于规模相对较小，与一次性使用/可抛弃技术兼容

• 最小化保持时间

• 连续液流

• 高单位体积生产率

• 集成、模块化、简化操作

• 灵活性，方便产能增加或减少

连续生产的优势

• 集成生物工艺，步骤更少

o 无需人工操作

o 提高安全性

o 缩短工艺时间

o 提高效率

• 设备和设施占地面积更小

o 操作更灵活

o 减少库存

o 降低成本

o 减小生态足迹（可持续性）

• 在线监测和控制，实时提高产品质量保证

o 适用于实时放行测试方法

o 质量稳定

连续生产的资本支出和运营支出优势；

• 在流程中整合合规性/质量

• 减少资产占用（40-90%）

• 减少资本支出（25-60%）

• 减少运营支出（25-60%）

• 减少原材料和中间库存

• 供应规模灵活

• 减少药物成分和药物产品的总体开发时间并缩短上市时间

• 确保向患者提供高质量、安全和有效的药物产品

我们所做的工作将技术和创新带到了生产前沿的核心。

在教育机构和设备生产商/供应商的帮助下，某些药品生产商已经成功实施了连续生产和集成连续生产 (ICM)。之所以达成这种合作，是因为双方在更好、更精简的生产方面有着相同的目标和共同兴趣。这些工艺在过去几年的研发中一直在研究中，现在已成现实。有些元素显然对生物技术行业非常重要，有些元素部分是公司机密。有了这种紧凑的生产单元，生物技术公司可以生产更多类型的药物，或者他们可以通过根据需要增加单元来快速扩大重磅药物的生产规模。