连续生物生产：基础、但重要的事！（Part I）

来自美国MassBiologics的研究人员在2020年出版的《Cell Culure Engineering: Recombinant Protein Production》一书中撰写了题为《Continuous Biomanufacturing》的章节，文章介绍了连续上游（细胞培养）工艺的概念、连续灌流的优势、用于连续灌流的细胞截留设备、连续灌流生物反应器的操作和控制以及连续灌流目前的状态。本文为原文内容简介，详细内容，请参考原文。

简介

在过去的四十年内，生物制药行业在生产用于治疗威胁生命的疾病的药物方面获得了极大的发展，包括肿瘤、自体免疫疾病以及代谢和血液功能障碍。治疗性蛋白质，如干扰素、血液凝集因子、酶、疫苗和单克隆抗体通常使用经工程改造的细胞（微生物、酵母和哺乳动物）以大规模生物反应器培养生产。然后，这些蛋白质被分离、纯化、制剂并灌装成生物药。整个操作流程使用经验证的生物生产工艺、在cGMP条件下进行。生物生产中的每个单元操作以批次或连续模式进行，也有工艺使用两种模式的混合。选择批次还是连续生物生产，取决于特定的产物、组织、规模、工艺经济性和许多其它因素。

尽管批次工艺已良好建立，且较易操作和控制，但其不是非常高效，需要频繁的停机，也有一定的产物质量问题，特别是不稳定、易降解的分子。而来自对于工艺经济性、降低产品成本（COG）以及对药物需求的压力，进一步增加了对工艺强化和更高工艺产量的追求。尽管相比而言，连续生物生产的设计和操作更加复杂，但越来越多的生产商，在不同的情况下，更倾向于选择连续生产。连续生物生产可应用于所有单元操作，或可仅用于特定的上游或下游工艺步骤。本文将关注连续上游工艺，特别是连续灌流的优势、连续生物反应器的操作和控制以及连续灌流的目前的状态，关于连续上游工艺的不同模式以及用于连续灌流的设备，请参考原文。

连续灌流的优势

高单位体积产率

连续灌流的一个主要优势是，相比补料分批和其它类型的连续培养（恒化器和半连续），可达到更高的细胞密度和单位体积产率。通过高培养基置换率可实现更高的细胞密度和活性，而将细胞截留在生物反应器内。下图所示为从一个连接了交替式切向流（ATF）细胞截留设备的搅拌罐生物反应器上获得的数据。在12天的细胞累积期后，生物反应器细胞密度达到60M cells/mL，通过细胞密度控制算法，维持该水平。在运行45天后，总细胞密度增加到约85M cells/mL。收获液中的产物滴度为1-1.2g/l。尽管该滴度低于补料分批生物反应器所能获得的滴度（6g/l），但是需要指出的是，连续灌流模式中的物料连续收获，而不需要等待14天（典型补料分批运行时间）。从单位体积产率考虑，灌流培养为1.8g/l-day，而补料分批为0.43g/l-day。相应的，以连续灌流操作的相同尺寸的生物反应器可获得4倍多的产物，亦即生产相同量的物料时，连续灌流所需的生物反应器体积可降低4倍。

生物生产工厂更好的利用

建立、验证和维护用于生物药生产的cGMP工厂非常昂贵。工厂成本是影响COG的主要因素，为实现经济高效的生产，必须将工厂的利用率最大化。补料分批工艺分阶段运行，每个阶段需等待前一阶段完成才能开始。这些阶段或停顿时间会显著降低工厂利用率。而连续灌流可使工厂利用率最大化。

更好的产物质量和一致性

尽管大部分生物药可使用批次和连续工艺生产，但操作模式的选择会影响产物质量和产物表征。操作模式导致的差异包括（i）产物在生物反应器内的滞留时间；（ii）营养物、代谢副产物和产物的浓度特性；（iii）产物和工艺相关杂质的水平以及（iv）细胞生理、生长、代谢和生产率。

当产物不稳定时，其在生物反应器内的滞留时间会显著影响产物质量。治疗性酶和血液凝集因子，如VIII因子，在培养液中会因为蛋白酶的作用而快速降解，其产品特性也可能因为培养液中的唾液酸酶和其它累积的酶而发生变化。连续灌流可降低这些问题，因为在其生产过程中，产物的滞留时间更短，所以是相比批次培养更好的选择。

操作模式也会影响营养物、代谢副产物和产物的浓度特性。在批次操作中，这些浓度数值会随时间变化，而在连续灌流中，其维持在恒定水平。改变细胞环境不仅会影响细胞功能，也会影响分泌的产物的质量属性。连续灌流可降低或消除这些问题，获得更加稳定且一致的生产。

对于生物产品来说，杂质水平必须符合监管机构的严格限值。工艺相关（宿主细胞蛋白、DNA、选择性试剂、培养基和补液添加物）和产物相关（聚体、非糖基化重链等）杂质需通过纯化过程降低。纯化过程去除这些杂质的效率受生物反应器内起始水平的影响。由于更短的滞留时间、更高的活性以及培养液的连续去除，连续培养中的杂质水平更低。

在批次模式中，随着培养的进行，细胞环境发生变化，细胞会经历不同的阶段（生长期、稳定期以及衰退期）。细胞生理机能（生长、代谢和生产率）不能控制，所以，对于批次培养来说，在这些条件下获得一致的产物属性更加困难。而另一方面，连续培养通常在“稳态”条件下（起始的累积阶段之后）操作，所以，可为细胞提供均一的环境，进而轻松获得稳定的生产和一致的产物属性。

规模放大和商品化生产

相比批次模式，连续灌流可使用更小、更紧凑的生物反应器获得相同的产能，因其可实现更高的单位体积产率。例如，使用多个（3-5x）1,000L生物反应器，可获得与1个20,000L生物反应器相当的产量。连续灌流的这种特点允许通过增加生物反应器数量来进行工艺规模放大，而不是提高生物反应器的体积。通过增加数量来进行规模放大，或称规模扩展，可允许使用相同尺寸的生物反应器进行工艺开发、临床生产和商品化生产。这种方式可消除增加生物反应器尺寸来进行规模放大通常会遇到的问题。

使用小规模设备也会影响工厂的占地及投入成本。典型的大规模生物生产工厂可能会花费$500M - $2B建厂，而运营还需花费数百万美元。基于连续灌流的工厂可使用更低的成本进行建设，且更高效地运营。使用更紧凑的生物反应器可实现更高的灵活性，而生物生产的放大也更简单，只需增加新的生物反应器即可。

连续生物反应器的操作和控制以及连续灌流的目前的状态，将在《连续生物生产：基础、但重要的事！（Part II）》中介绍。

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本文为下文简介，因水平有限，如有不当之处，敬请谅解。完整的详细内容，请参考原文。

原文：S.S.Ozturk, Continuous Biomanufacturing. Cell Culure Engineering: Recombinant Protein Production. 2020.

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