生物制药厂商走向“连续”所面临的挑战

传统生物工艺以批次模式运行，而连续工艺可以更加高效 – 但也更加复杂

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赛诺菲最近在美国马萨诸塞州的弗雷明汉启动了一个“数字化”连续生物生产工厂。该工厂使用占地更小、更灵活的设备和一次性使用技术，并结合了数字协作、数据分析和增强现实解决方案，允许工厂操作员进行实时决策和调整。这家工厂的生产效率是传统工厂的80倍，赛诺菲希望它能在更小的环境足迹内，以更短的时间，为两倍数量的病人生产药品。

在生物治疗药物的生产过程中，目标是使产量最大化，同时使成本最小化，尽管实现这一目标可能需要牵扯到一系列困难的转变过程，特别是从批次生物工艺到连续生物工艺的转变。如果转变还包含下游操作，则挑战将进一步加剧。尽管如此，连续生物工艺技术正在得到更广泛的应用。根据研究和市场报告，全球连续生物工艺市场预计将从2019年的~67亿美元增长到2025年底的~121亿美元，复合年增长率为10.37%。

这些数字表明，对许多生物生产企业来说，向连续生物工艺的转变正变得不那么令人生畏。然而，实现这种转变还是需要解决一定的问题。连续工艺提出了很多问题，但同时也提出了很多相应的解决方案。不过，也需要意识到的是，并不是所有的问题都有简单、即时的解决方案。

根据Watson-Marlow公司去年3月发布的一份报告，业内人士估计，全整合式的连续生物工艺技术还将需要5-10年时间才能在商业化规模上实现常规应用。但是，同一份报告也强调，在过去五年中，连续工艺取得了显著进展，而且仍在不断发展。为了证实这一点，原文介绍了多位专家的观察，他们是拥有“连续”经验的生物生产从业者的代表。

解决方案

来自荷兰Biosana Pharma的首席技术官Maarten Pennings说:“(我们)正在开发一种用于单克隆抗体生物仿制药的端到端连续生产工艺，从灌流到最终UFDF - 超滤/洗滤 – 步骤。”

他表示公司一直在不断改进生物工艺技术。Pennings指出:“最近的进展是成功完成了生物仿制药Omalizumb的I期临床试验，其使用连续工艺生产。”不过，获得这些成功需要一些毅力。他解释说:“目前，最大的挑战是开发适合在GMP环境下操作的全流程连续设备，因为没有现成的设备可用。”

位于德州大学城的FUJIFILM Diosynth Biotechnologies也取得了不小的进展，其科技与创新主管Steven Pincus说:“如果细胞分泌出产品后，仍能存活，那么我们会选择使用连续生物工艺技术。这使我们能够从单次细胞扩增链中获得最大的产出，从而降低成本。”

然而，这一收益也伴随着挑战。Pincus解释说:“这种方法的一个问题是在延长的培养周期内保持细胞的无菌性。另一个需要考虑的问题是，在汇合进行下游处理之前，如何确定不同培养基收获液的可接受性。我们需要上游物料保持一致，以确保原料药和最终药品的成功生产。”

外泌体工程

连续生物工艺被用来生产创新生物疗法的另一个领域是外泌体治疗药物。例如，以外泌体(或细胞外囊泡)见长的Codiak BioSciences，其已经熟悉了连续工艺的挑战，以及连续工艺可带来的回报。

“在Codiak BioSciences发展早期，我们就发现需要开发一种可放大的生产工艺，以生产可满足临床需求的高纯度外泌体，”首席研究员Andrew Grube说，“我们的方法是采用过去几十年中开发的用于生物制品生产的技术，并对其进行改进，以用于外泌体生产。”

为了生产外泌体，Codiak使用在一次性使用生物反应器中以化学限定培养基培养工程悬浮细胞。Grube解释说:“从反应器中获得的外泌体随后经过一系列过滤、层析以及下游浓缩单元操作，以获得纯化的、有效的外泌体。”该公司使用各种方法分析获得的外泌体的质量，包括体积排阻层析、ELISA和颗粒定量方法，如纳米颗粒跟踪分析。

“在我们的最终产品中，蛋白质组学和液相色谱-质谱也被用于对典型外泌体蛋白生物标志物的表达进行表征，”Grube继续说道。根据其临床应用，外泌体还可以装载由多肽、蛋白质或化学分子组成的药物模体，以增强其在靶细胞类型中的生物功效。”为了加快开发过程，Codiak还使用了高通量筛选技术，如机器人液体处理系统。

以连续生产方式进行外泌体的生产会有一些独特的挑战。Grube指出:“与抗体或蛋白质等生物制品相比，外泌体非常大，直径约为100-200nm，因此很难在不牺牲产量的情况下进行分离。Codiak开发了一种创新的连续上游生产工艺，允许外泌体通过分离装置，从而实现外泌体产物的连续收获。”Grube补充说，Codiak的工艺提高了生物反应器的单位体积产量，并降低了收获过程中的杂质。

Grube表示，Codiak已经优化了可放大的外泌体连续生产方式:“通过一种新型连续生产平台的使用，我们可以在更小的占地空间内，生产出大量高纯度的外泌体。此外，这种方法不依赖外泌体专用技术，而可使用产量最大化。Grube解释说:“随着我们的研究团队确定新的靶点，连续生产也可以用于生产多种不同工程外泌体。”

总的来说，正如Grube所描述的那样，Codiak公司的工作使该公司能够“为已知的和待发现的适应症的临床试验开发提供充足的外泌体。”他补充说，“我们希望，通过连续工艺，减少生产瓶颈和占地，Codiak可以帮助行业释放外泌体的更多治疗潜力。”

工厂水平设施

2019年10月15日，总部位于巴黎的赛诺菲在美国马萨诸塞州弗雷明汉开设了一家生物药连续生产工厂。该工厂的工艺工程和开发主管Dean Morris说:“新工厂利用许多新技术来提高工艺性能，加快新型产品模式的技术转移和商业化步伐，这对我们的候选产品来说是必要的。从产品开发到商业化的整个产品生命周期中，工艺强化、连续工艺技术和数字化集成方面的重大突破，使这种新的生产方式成为可能。”

该工厂获得了2020年年度工厂大奖，并在各个方面从连续方式中获益。Morris指出:“与传统的批次技术相比，连续生产能够显著降低工艺规模，提高工艺一致性。这种工艺规模和占地的减少，可以显著减少原材料的使用和能源消耗，改善我们的环境足迹和可持续性。”

Morris宣称，该工厂在连续生物工艺方面最有趣的进步是连续灌流生物反应器与连续层析系统的整合。他解释说:“(这种整合)产生了一种独特的生产过程，可以从连续的原材料液流中生产出纯化且浓缩的治疗性蛋白。赛诺菲采用这种整合的连续生物生产方法，结合工厂4.0理念，我们获得了直接以及长远的效益。”

例如，稳态细胞培养条件提高了产品质量和一致性，增加了工艺的稳健性。Morris说:“工艺自动化和在线分析使自动化控制和稳态的维持成为可能。而每天在整个工艺和设备中取样超过7.7亿个数据点，生成了大量工艺数据包，可使先进的过程控制策略成为可能。”

定制化导致的约束

不过，赛诺菲工厂的收益来之不易。和Biosana Pharma的Pennings一样，Morris也提到了缺乏现成设备的问题，这可能在于连续生产对生物药来说还是相对较新的。Morris指出，赛诺菲还面临着其它困难。尽管如此，他继续说，“赛诺菲还是决定开发一种连续生产平台技术，这需要在开发、中试设备和大规模生产系统方面进行大量投资。”

开发这项技术意味着整合定制的设备和系统，而所有这些都是为了构建一个具有完全可操作性且灵活的商业化工厂而专门开发的。“赛诺菲团队与我们的工业供应商、以及我们内部的工艺专家紧密合作，解决了诸多技术挑战，”Morris强调，“我们努力开发新型商业解决方案，并进行质量确认，以满足我们独特的工艺需求。”

目前，在弗雷明汉或在其它任何连续生物工艺的实施中，公司必须承担很大的负担。由于没有可供选择的一系列商业化平台，也缺乏可依赖的生产经验，企业必须投入进去，做沿途需要做的事情，包括开发定制设备。最终，随着越来越多的生物药厂商转向连续工艺，将会有更多的工具和平台可用。在此之前，可能只有具有一定冒险精神的公司才会尝试采用完全连续的方法。

本文节选自下文，详细内容，请参考原文。由于水平有限，不足之处，还请谅解和指正。

原文：M.May, Biomanufacturers Cope with Challenges of Going Continuous. Genetic Engineering & Biotechnology News, 2020, 40(6).

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