生物工艺开发和生产的新方向：5大关键趋势
生物制药行业还在继续快速增长，而在细胞和基因治疗领域，在投资者和研究人员的热情推动下，这种增长速度甚至更快。本文将重点介绍该领域的几个关键成长点，特别是生物工艺开发和生产方面，内容将基于此前研究提出的5个主要增长点：
高产量上游工艺的快速开发
纯化填料和膜的发展
对连续生物工艺的兴趣
生物仿制药生产的发展
用于细胞和基因治疗的生物工艺
细胞和基因治疗
这个被称为“先进治疗方案”的新领域已经成为了生物制药市场最热门的“门票”。得益于肿瘤和罕见病治疗领域的成功以及目前美国已经批准的4个产品，各家制药公司都在争先恐后地进入这个市场。对用于细胞和基因治疗开发和生产设施的需求非常大，制药和合同服务公司（CDMO）为获得此类产能已经支付了数十亿美元的溢价，包括罗氏收购Spark Therapeutics（43亿美元）、Catalent收购Paragon Bioservices（12亿美元）、Thermo Fisher Scientific收购Brammer Bio（12亿美元）以及Celgene收购Juno Therapeutics（90亿美元）。我们也看到美国FDA在该领域的工作在激增，其生物制品评估和研究中心已经快被研究型新药（IND）申请占据，从2017年的106例和2018年的206例暴涨到了2019年的800多例。
图1. 1990-2018年，美国FDA收到的细胞和基因治疗（CGT）研究型新药（IND）申请；截止2019年10月，生物制品评估和研究中心（CBER）已经收到800多例申请。
但是，值得注意的是，尽管细胞和基因治疗的整体趋势令人振奋，但是整个行业已经普遍认识到，该领域需要从实验室规模工艺向工业化转变。一个关键挑战是，目前大部分重要进展来自于自体治疗。基于单个患者自身细胞的治疗，这种方法需要规模扩展，而不是规模放大，即针对多个患者，生产多个产品批次，每个批次使用其独立的设备。用于生物工艺的一次性使用技术的广泛使用，促进了规模扩展策略的发展。但不管怎样，相比使用一个工艺链的产品治疗多个患者的规模放大批次策略，规模扩展策略需要更多的费用和工艺处理，而前者是生物治疗药物的典型生产方法，如单克隆抗体（mAb）和其它重组蛋白。
相比重组蛋白生物生产，细胞和基因治疗工艺通常需要具有较高专业技能的操作人员进行更多的人工手动操作。尽管自动化和机器人正在被用于降低人工操作，但是细胞和基因治疗领域对受过培训的科学家的需求远远超过了目前的可用量。一些大学和科研院所正在和公司合作建立相关的培训，以解决这一问题。
强化生物工艺
生物工艺强化的概念进一步拓宽了向连续工艺发展的积极趋势，其包括了可提升工艺产能的所有步骤，相比以往，可在给定的时间内（或更短的时间内）生产更多给定的生物治疗药物。这包括使用强化灌流生物反应器，这种方式最初由DSM Biologics提出，目前已被许多生物制药厂商积极采用。在灌流生物工艺中，通过优化的补液策略，细胞可生长至极高的细胞密度，重组蛋白产物通过诸如交替式切向流（ATF）过滤等的技术连续收获，这种技术最初由Refine Technologies开发，现在由Repligen提供。
另有一些公司对其补料分批生物反应器工艺进行了强化，其使用小尺寸、高密度的灌流种子生物反应器，接种一系列以补料分批模式运行的生产生物反应器（N-1灌流）。获得用于开始生产生物反应器所需的接种液通常需要进行多个细胞扩增步骤，而这种策略将该过程替换为单个、持续进行的灌流生物反应器，其可连续生成用于接种一系列生物反应器和/或批次的接种液。由于灌流可获得极高的细胞密度，生产细胞可以更高的起始密度接种，从而节省大规模生物反应器的时间。
下游工艺：得益于层析分离的多方面创新，蛋白质纯化也在不断发展。膜分离技术载量的发展实现了快速置换动力学，可加速工艺。此类产品最初由Natrix Technologies开发，现在由Millipore Sigma提供，据称相比柱层析工艺，其可使缓冲液使用降低80%。
与此同时，诸如Cytiva等的公司也在开发基于纳米纤维的新一代分离模式，其可提供高流速和载量，可运行多个短循环或达到分离产品的循环寿命（通常为150-200个循环）。这有利于一次性使用方法的采用，即使是针对昂贵的亲和层析，如用于选择性结合抗体的Protein A。从本质上讲，亲和产品会成为每次运行的固定材料成本，而不是生物药产品保留在其生产商的产品组合期间慢慢贬值的前期投入成本。这种进步是令人欣喜的，因为在产品的临床开发中可能需要在Protein A填料上投入大量的资金，而一些产品可能永远不会商品化。尽管这种技术仍在开发当中，以期用于生产规模应用，但已可提供实验室规模评估。
尽管层析填料的载量还在不断增加 – 特别是亲和填料，如Protein A – Purolite最近应用一种新的琼脂糖生产技术，用于生产高度均一的基球。使用这种方法获得的层析介质即使在非常快的流速条件下（如2分钟的保留时间）也可获得极高的结合载量，因为均匀的基球可优化液流特性。此外，优化的液流特性还有利于杂质的去除，如宿主细胞蛋白（HCP），并降低清洗需求。更快的流速以及更高的杂质去除，可缩短工艺时间，从而整体上强化下游工艺。
另一项创新是在较短（如10cm）的生产层析柱上，以不同的上样速率，使用标准层析基球。这种概念以工艺进样液流的最大起始流速开始，然后，随着接近和达到层析柱载量，逐渐降低流速。结果是可实现给定填料的更高的动态结合载量，相比以往的方法，更为接近其静态载量。此外，更低的层析柱高度可缩短单个柱循环的时间，从而可在相同的时间内运行多个循环，或以更短的时间，运行所需的循环数。尽管使用该种技术时，层析柱载量没有多柱、模拟移动床（SMB）层析高，但是这种方法更加简单，实施的成本也更低。当然，需要注意的一点是，装填这种较短的层析柱时需小心，以确保在高和低流速下均匀的液流分布以及装柱效率。
最后，非层析的选择性沉淀纯化技术近来得到了新的关注，原因在于连续工艺的出现及其可相比老工艺，获得更高的产物收获滴度。最近的一项研究评估了使用氯化锌和聚乙二醇（PEG）溶液进行单克隆抗体（mAb）在线沉淀的策略，该策略在沉淀后，使用切向流过滤（TFF）进行沉淀抗体的漂洗，之后复溶。该方法可达到显著的纯化效果（90% HCP去除）以及高收率（97%）。尽管发表的文章在实验室规模条件下进行，该方法在未来有可能进一步开发并规模放大。
生物仿制药
近年来，生物仿制药的开发和生产一直在稳步推进，特别是在美国以外的地区，如欧洲和亚洲，取得了极大的进展。用于工艺强化的技术也被应用于生物仿制药的生产，以连续工艺生产的第一生物仿制药已经获得批准在2019年开始临床试验。
药物开发人员和生物制药厂商需与监管机构紧密合作，以生产“高度相似”的生物制品，并作为生物仿制药销售。因此，大多数此类产品获得成功的主要障碍已经不在于科学、技术或者监管的问题。在美国，上市的主要障碍在于专利壁垒和诉讼所形成的“政治”和“法律”方面的问题。例如，许多生物仿制药在近两年内获得了FDA的批准，但是由于生产对照创新药的公司与生物仿制药公司之间的谈判，而推迟了上市时间。这个问题在其它一些地区可能有所缓解。
产业化的创新
生物工艺效率的提升，正在推动所有生物制药模式走向产业化。相比其它新药，如细胞和基因治疗，重组蛋白已经取得实质性的进展，但是行业的期望是所有领域都能获得快速增长和进步。最后，需要指出的一点是，研发和生产已经不再是生物仿制药上市和应用的主要障碍。
原文：M.E.Ultee, New Directions in Bioprocess Development and Manufacturing, BioProcess International, 2020, 18(3): 12-15.
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