上游连续细胞培养工艺的开发目标与赋能策略：XCell ATF®技术
上游工艺是任何生物制药生产过程的关键步骤。目前生物制药行业仍主要使用批次和补料分批工艺来生产大多数重组治疗性蛋白质。然而，连续灌流工艺正越来越多地被行业所采用。诸多行业案例已经证明，从批次过渡到连续工艺可以产生显著的好处。在生产过程中实施连续工艺需要对这些好处进行严格评估。
近年来，生物制药行业发展迅速，并专注于将创新产品快速推向市场，这推动了高营业额和利润率的产生，从而反过来又促进了现代化生产技术的开发。随着行业的继续发展，该领域更加意识到传统生产方法的设计所存在的挑战。各种新技术的发展以及广泛的研究提高了对生产重组治疗性蛋白的商品成本的理解，这需通过优化工艺、提高运营效率，以降低运营成本。上游细胞培养中产物滴度的提高和优化的下游纯化收率是生产工艺改进的关键例子。此外，运营效率提升的其它方面还包括开发平台化工艺以及优化运营策略，以更好地利用现有资源。面对这种不断变化的格局，未来生物生产的两个常见需求已然出现：提高灵活性和降低商品成本。生产灵活性使公司能够管理复杂且不断演变的产品组合，其考量在于科学和市场发展的不确定性以及公司并购活动而导致的产品数量、体量和类型总是在不断变化。
已有多家生物制药公司成功地从批次或补料分批转为连续工艺，以最大限度地提高生产灵活性，同时不影响产品质量和卓越运营，从而降低商品成本，且已有诸多文章基于各家公司更具成本效益的生物治疗药物开发，探索和描述了此类转变的好处。与批次/补料分批生产相比，连续生产具有多方面的优势，包括可实现的稳态操作、更小的设备尺寸、更高的单位体积生产率、简化的工艺流程、低循环时间以及降低的资本投入。
批次和补料分批工艺虽然一直是上游工艺的首选模式，但其涉及多个步骤，并且由于工艺控制的限制而没有足够的操作灵活性。批次工艺在一定程度上正在成为生物工艺工作流的瓶颈，需要有更有效的方法来生产生物药。连续生产的实施比批次工艺更有利，因为连续操作可以在连续模式下进行处理，并且连续单元操作可以在延长的时间段内处理连续的输入液流。而且连续下游工艺的最新进展已使行业看到了开发一个端到端集成的生物工艺平台的可能性，以实现更高效的连续生物生产。
连续工艺设计的总体目标包括：封闭式操作，降低环境影响；开发适用于任何治疗性蛋白质的通用平台；更低人工干预，高水平的自动化；通过工艺强化，实现更高的单位体积生产率。而在质量方面，需要实现高且一致的产品质量；上游培养中更高的细胞活性而降低杂质含量；消除中间性储存步骤，减少中间体检测和稳定性研究要求；封闭式操作而降低生物负荷。对于成本考量：减少工厂占地，降低资本投入；降低所需缓冲液和层析介质体积；采用封闭式操作而降低QC环境检测成本；速度：快速的工艺开发、规模放大研究和技术转移；更快的临床生产和商业化；以及实现更高的灵活性：降低设备尺寸；快速产能增加或降低；简化向新工厂的技术转移。
相比补料分批细胞培养工艺，连续上游具有以下优势：
产品质量问题 – 工艺类型
生物反应器以连续模式收获 生物反应器操作条件恒定，并可精确控制 不稳定的产物可连续去除 一些产物可能需要恒定的生产环境
更高的单位体积生产率
单位体积生产率：可达补料分批培养5-10倍以上 生产所需培养罐/生物反应器体积更小 相比补料分批，更高的峰值细胞密度 生物反应器可连续操作，以延长在高细胞密度条件下的持续时间
虽然近十年来，由于生产力的显著提升，生物药生产已经发生了重大转变。与早期技术相比，新型表达载体、修饰宿主、克隆选择和筛选技术、工艺开发方法以及培养基和补液配方的开发进展显著强化了细胞生长，达到了非常高的细胞密度和令人印象深刻的表达产量。在90 年代初期，采用补料分批工艺可达到的细胞密度仅约为5-10 × 10^6 cells/ml，产物滴度较高时也仅约为1.0 - 2.0 g/L；而目前，细胞密度已普遍高于20 × 10^6 cells/mL，产品滴度可高达 10 g/L以上。这些结果可通过使用灌流工艺得到进一步放大，其可以推动获得更高的细胞密度和产物滴度。
上游连续灌流细胞培养工艺的主要步骤包括细胞冻存管解冻、扩增和规模放大；种子罐的种子接种，以制备用于大规模生产生物反应器的种子；生产生物反应器达到特定密度后，开始灌流，以达到目标高细胞密度；新鲜培养基以连续模式加入生物反应器；通过细胞截留装置连续收获含有目标蛋白质的培养上清液；细胞截留装置截留细胞，并将其循环回到生物反应器；通过以相同速率补加和收获培养基，保持培养体积恒定；工艺运行周期通常为 20 至 60 天以上。
总结来看，连续上游工艺在生物制药开发中变得越来越重要，包括疫苗。与批次/补料分批工艺相比，连续灌流上游工艺的主要好处在于可在尺寸相对较小的生物反应器中获得更高的细胞密度和更高的生产率。为了维持高细胞密度和生产率，在细胞增殖和生产阶段需要补充新鲜培养基。在批次和补料分批工艺中积累的代谢物在工艺过程中不会被去除，相反，在灌流工艺，代谢物和有毒物质会被以优化的灌流速率补加的新鲜培养基所取代。上游连续灌流可以通过良好的分离装置将细胞截留在生物反应器中，其中一个常用的典型例子即交替式切向流过滤（XCell ATF®）装置，其可配用于从小规模开发到大规模生产的生物反应器。
XCell ATF® 是目前使用最广泛的系统，作为细胞截留装置，它提供线性规模放大，以简化操作和验证。通常，传统的过滤系统在用于从具有高生物量的复杂细胞培养悬液中分离培养基时会迅速失效。相比之下，XCell ATF®系统不易污染，因为它具有独特的流体动力学和自清洁能力，相比其它设备，可在更长的操作时间内维持良好性能。XCell ATF®装置包括一个中空纤维单元，用于分离细胞和培养基。然而，与其它通过过滤器在一个方向上循环培养液的系统（如TFF）不同，交替切向流作用每5-10 秒通过反冲持续清洁纤维。该系统与培养罐的连接只需要一个连接端口；细胞和培养基循环到XCell ATF® 系统，可逆地流过中空纤维。隔膜通过在XCell ATF® 系统的泵中上下移动来控制流量。这会在罐和泵之间产生快速的低剪切液流，确保细胞快速交换并快速返回生物反应器，最大限度地减少它们在生物反应器外的停留。中空纤维孔径的选择决定了哪些成分被截留，哪些成分进入滤液。
XCell ATF® 旨在提高细胞源性重组生物药的生产力，提供更可靠、有效的细胞分离过程，并具有支持细胞生长至极端高密度的能力。XCell ATF®系统可以提供更高的单位体积生产率并降低生物反应器尺寸。XCell ATF®系统能够将工艺从 0.5 L 线性放大到>1,000 L（已报道达5,000 L），且可用于不锈钢和一次性生物反应器，以及几乎所有细胞类型。XCell ATF® 系统已被用于临床和商业化生产。
悬浮细胞密度范围可达40 – >150 x10^6 cells/mL，如CHO和PER.C6® 连续蛋白质生产可常规性达到 1g/L/day或以上 细胞维持在健康状态，从而提供更加一致的产物质量 收获液经过过滤，可直接进行下游纯化 无渗透压增加，恒定去除废物/毒性分子 更快、更简单的病毒生产，同时降低商品成本 连续培养中更高的单位体积生产率
现在，连续工艺对于成功且更具成本效益地生产重组产品变得越来越重要。连续的上游灌流工艺可以提高产品质量的一致性、单位体积生产率、显著降低成本以及中间体的处理需求。结合一次性使用解决方案的操作效率和灵活性，可进一步促进连续生产的采用。虽然，这在工艺开发、标准化、规模放大和生产以及监管审批方面相比传统工艺将更为复杂，但改进的细胞截留装置的可用性 – 如XCell ATF® - 可以帮助解决上游连续工艺的挑战。在生产过程中采用连续工艺可以有利于开发具有成本效益且负担得起的重组治疗药物。
浓缩补料分批 高密度细胞建库，缩短扩增链，实现快速生产 N-1或更早步骤的灌流，减少种子罐步骤，以及生产反应器的高密度接种 病毒生产和过滤 快速培养基去除和置换 收获澄清
XCell® ATF细胞截留装置工作原理
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