如何優化生物制藥上游生產的工藝效率

文/ Andreas Castan 博士

提高工藝效率是生物制藥生產的關鍵目標——其重點在于優化工藝速度、控制成本、增加工藝靈活性，同時保證最終產品的質量。本文將詳細介紹幾種可以顯著提高上游工藝效率的不同方法和技術，包括細胞系開發、工藝開發和工藝強化、實時分析和工藝集成。

生物制品的生產狀況

多年來，許多公司生產的生物制品中大部分產品是多肽、蛋白、單克隆抗體和抗體片段。生物制品生產大多采用不銹鋼生物反應器和分批補料工藝，以及使用常規的QC 和QA 體系來放行成品批次。生產設施往往規模龐大，投資額高，投資成本也主要集中于固定成本以及上游和下游的獨立工藝。

隨著行業需求的變化，生物制品生產也隨行業的變化而發展，詳見表1。藥物開發商希望朝著更大的生產靈活性和更快的市場響應能力方面發展，其部分原因是由于市場對復雜生物分子藥物（如雙抗、ADCs、溶瘤病毒、CAR-T 技術和基于RNA 干擾藥物）的需求不斷增長。此外還有其他因素，例如，藥物臨床試驗階段，公司需要在不同的研發階段使用不同數量的產品；藥物批準并進入市場時，需要盡快建立供應鏈等，這些均促使廠家提高靈活性和對市場的快速響應能力。

藥物上市后，需求的不確定性依然存在。不確定性的驅動因素包括臨床結果、根據推薦值和臨床實際情況變化的劑量水平、患者人數變化（隨著新適應癥獲得批準，患者人數會發生變化），以及取決于藥品價格和競爭情況的市場接受度。此外，還需要緩沖成本壓力。這可能是由藥物排他性、高昂的開發成本或醫療體系預算所致。

建立全球影響力可以幫助廠家靈活應對突然變化的市場需求，以及滿足需求不斷增長國家（如印度、中國等國家）的市場需求。例如，使用封閉式一次性系統以較低的先期投資創建較小的設施，也可以在多個不同的地點，以較少的固定成本建廠。

因此，生物制品生產的目標是建設靈活、高效且性價比高的生產項目，同時可以在一個工廠或不同工廠輕松擴產或復制，從而在本地或全球增加產能。構建這個平臺需要從細胞系開發開始，然后逐步簡化流程。細胞系開發是所有生物制品生產的基礎。

加速細胞系開發

傳統的細胞系開發涉及細胞轉染，分選和基于擴增能力和生長性能的克隆評估。從開始到結束，整個開發過程大約需要40 周。此外，還有許多增強細胞系開發的潛在方式。

傳統的篩選過程是將單個細胞放入96 孔板孔井中，篩選50 ～100 塊板，并選出最高產量的細胞。相比于單獨篩選，操作員將非常少量的細胞混合成池，選擇性能最好的細胞池。然后對這個較小的細胞池進行篩選，最終篩到單個細胞。目前市面上有不同的設備可供選擇。例如，熒光激活細胞分選（FACS）結合谷氨酰胺合成酶（GS）選擇系統使用，可進一步加快工藝速度。微流體在克隆評估中，可以在5 天內得到增殖速率和細胞特異性擴增的結果。轉染是流程化開發細胞系的起點，它使得靶點整合不再依賴隨機事件，而是允許開發人員在細胞中將基因插入預定插入點。這種特異性增加了高產細胞系的產生，并減少下一步所需的篩選量。當這些步驟組合在一起時，可以明顯將細胞開發時間縮短至8 ～10 周，并可以顯著縮短目標生物制劑的毒性研究時間。

表1 生物制品生產的現狀和未來預期

圖1 數據的收集和分析

加快工藝開發

優化流程的下一階段是工藝開發階段。首先使用高通量系統（如平板、凍存管和微生物反應器），然后進入平行實驗室規模的生物反應器，從250 mL 到5 L 或10 L 規模的生物反應器。平行實驗室必須能夠反映和預測出中控和生產規模的條件和性能，以便使放大生產的過程盡可能順利。

過程分析至關重要，并應該實現自動化且整合到上游工藝和儀器中。這些分析將提供大量非常重要的數據，諸如從原料（如細胞培養基和層析填料）獲得的數據，從生物反應器和捕獲步驟中獲得的數據以及從藥物產品中獲得的數據。然而，挑戰在于信息的獲取和存儲，以及之后的評估。數據只有通過分析且具有相關性才有價值。數據收集和分析，即將所有數據輸入數據庫到數據分析的過程，如圖1 所示。

為了從數據及其分析中獲取更多信息，分析過程不僅需要查看輸出，還需要關注不同子系統之間的交互。例如，實時監控可用于預測如何開發一批產品并進行偏差檢測。通過批次之間的比較，工藝開發人員可以更好地了解如何改進工藝和減少誤差。

將分析過程越緊密集成到工藝中，分析效果越好。理想情況下，上下游的實時分析意味著可以從開始到結束“動態”地修正工藝流程，從而提高產品質量和產量。數據來源于整個工藝流程的信息，比如進入生物反應器的原料、層析數據，以及純化和過濾步驟的詳細信息。

圖2 端到端上下游連續處理

工藝強化

許多生物制藥公司通過種子生物反應器階段（N-1 級）來尋求工藝強化的優勢。另外還有兩種方法也可以提高批量生產力。第一種是使用高密度、大容量的細胞庫，只需一步即可放大生產。該細胞庫用于接種到1 ～10 L的搖擺式灌流生物反應器。當細胞擴增到足夠的體積和密度后，接種到最大2000 L 的生物反應器中。該過程僅需2 周或更少的時間，可以將上游生產前的準備時間縮短一半。第二種是在灌流過程中進行N-1 級擴增，以培養足夠的細胞，以更高的細胞密度為生產生物反應器接種。這樣，可以將生產生物反應器中的培養時間縮短約5 天。

利用系統生物學進行工藝設計

受基因組、蛋白質組和代謝組的影響，細胞的生物學特性會對工藝結果產生影響。通過對路徑建模并將建模知識輸入工藝開發中，可以使用系統生物學改進宿主細胞系，還可以改進工藝設計和培養基開發。比如，對系統進行更改，然后分析細胞的mRNA，可以顯示與細胞周期代謝相關的細胞途徑上調和下調的變化。此信息可用于修正培養基，提高特定細胞產率。

通過實時分析實現在線發布

如前文未來預期生產狀態所述，QC 和QA 檢查及放行的步驟非常繁瑣，會明顯延長生產時間。因此，需要一款獲取多個質量屬性且可以在線分析的方法。這種快速捕獲方法還可以將有關質量屬性的信息反饋給流程。

整合和自動化

整合分析和優化流程為自動化系統的潛在發展打開了大門。自動化系統可以檢測和處理過程中的偏差，并在無需人工干預的情況下進行修正。這種自動化的下一步發展可能是連接上游和下游，創建整合的連續生物生產平臺（圖2）。但是，完全整合的系統需要高水平的精度、控制力和執行力，以及可靠的試驗方案來解決問題。

最終目標

細胞系開發、工藝開發和工藝強化、實時分析、過程整合和自動化都是生物制藥生產廠家用于優化工藝效率的重要方法。此外，管線研發中如何更好地降低成本、更靈活且更快速地響應生產，都是滿足生物制品行業不斷變化需求必需考量的。然而，最大的影響可能來自于工藝改進方面，即如何整合上游和下游工藝，并朝著更加自動化的方向發展。終極目標是從細胞和培養基開始到成品完成的整個過程均能實現完全集成和自動化。