基因/细胞治疗工厂设计：构建内部产能时的考量因素 - I
本文节选自《Trends in facility design: In-house manufacturing considerations for cell and gene therapy production》，详细内容，请参考原文。
在过去的几年中，世界见证了细胞和基因治疗(CGT)发展的一个激动人心的开端。再生医学联盟(ARM)估计，截止2020年上半年，已有1078个CGT或其它先进疗法进入临床试验。美国食品和药物管理局(FDA)预计从2000开始，每年将有200项 CGT研究性新药（IND）申请，到2030年，将有30-60个药物获批。所以，市场对于CGT领域将以高于36%的复合年增长率发展、从2018年的约10亿美元到2025年的近120亿美元的预期就不足为奇了。
截止2020年上半年，世界范围内的基因和细胞治疗临床试验数量。
与传统的单克隆抗体(MAb)药物和疫苗相比，这些疗法的开发和商业化时间线很短，前者可能需要10-15年。相比之下，如果CGT产品在有限的试验中证明了其有效性和安全性，这些产品可以用更短的时间从开发发展到临床试验再到生产。
大多数CGT公司建立在学术或研发(R&D)环境中，很少在早期重视商业化良好生产规范(GMP)生产。这些研发公司通常都是生产理念实施的新手，在他们的产品获得成功之前，往往缺乏资金支持来投资商业化GMP设施。
随着候选产品的发展，需要进行临床试验物料生产。这项工作通常被外包给具有GMP生产能力和专业知识的合同开发和制造组织(CDMO)，以生产临床甚至商业化规模的候选新药。
2017年首次发生了病毒载体供应短缺的问题。病毒载体被用于将目的基因转入靶细胞。自那时以来，由于开发和生产需求的激增、CGT公司对CDMO的严重依赖以及COVID-19相关产品的工作，全球CDMO产能短缺进一步加剧。现在，很多公司正在考虑自建GMP生产设施，以确保稳定、可预测的供应链。结合新兴技术，重新考虑商业化CGT生产设施的范围和设计，可以使这一选择成为大多数公司可行的发展道路。
本文将介绍工厂设计的关键考虑因素：如何将GMP工厂的设计和建造时间从几年缩短到两年甚至18个月?你如何使工厂灵活在内包/外包之间转变，以及调整产品优先级?您如何确定或预期工厂的范围、规模、技术和产量?
将生产和质量控制检测外包给CDMO公司
对于新成立和处于早期开发阶段的公司，合同生产是早期临床试验物料供应的必要途径。但是CDMO提供的服务也面临着挑战。CDMO更喜欢起止日期从18个月到两年的长期合约。这样的时间限制使得CGT开发商很难规划临床试验供应链，并在获得许可后实现向GMP生产的过渡。
客户公司应该考虑提前终止合同或延长合同的容易程度，以及在合同框架下，发起方能否从工艺开发中获益。开发人员还应该询问CDMO是如何确认文档、沟通变更以及报告项目状态的。
其它需要考量的因素还有很多。如何管理技术转让和知识产权?CDMO现场的工艺设备可能与客户公司的设备不同。那么生产商如何确保产品和工艺的可比性?客户如何采用新技术和/或如何从CDMO过渡到内部生产?分析方法的质量控制(QC)措施在不同的实验室设备模型之间是否都有效?
一旦考虑了这些关键问题，又希望控制项目时间线、按需制造和知识产权，许多厂商会考虑“内包”部分“部件”的生产，而不是依赖CDMO。相反，已经进行内部生产或有此计划的公司也应该考虑将一些生产相关的活动外包出去。
例如，培养基和缓冲液制备是外包的主要候选步骤。溶液配制需要设备、生产能力和人员来完成任务。尽管培养基和缓冲液对生产过程非常关键，但合同公司可以很容易地进行处理。
许多供应商可以提供多达40,000L的预过滤或灭菌原液。客户需要确认从采购订单到第一次交货的预计时间，以及供应链的细节，包括数量、容器类型和尺寸、交货时间和现场冷冻/冷藏储存等。外包溶液制备的潜在好处是减少了用于注射用水(WFI)和公用设施所需的水。
在GMP生产的头几个月甚至一年内的生产节奏都相对缓慢。出于这个原因，公司应该考虑将其质量控制检测外包。CGT产品和生产组分所需的大部分测试都需要快速周转和响应，但有些检测很适合外包。这种方法的优点包括推迟用于复杂检测的资本支出(CapEx)，确保灵活性，并可推迟对QC人员的选择。但是，如果公司计划最终将这些检测带回内部，就需要对实验室空间进行预先投资。同样，无菌管路装置和部件套件也可以外包，为生产腾出宝贵的生产空间和熟练的劳动力。最后，内部组装预灭菌组件，以形成无菌管路套件，需要A级和/或在B级和/或ISO-7级洁净室内的ISO-5环境。这些空间的构建和运营成本都很高。
技术趋势
封闭式系统设计：在过去的20年里，生物制药行业一直致力于(并且很大程度上成功了)设计和运行封闭的生产系统。除了少数例外，治疗性蛋白和疫苗的生产大多数被设计为在封闭或功能性封闭状态下运行。然而，对于CGT产品，生产方法和设备源于研究和临床环境，对确保使用封闭系统的重视有限。
一些一次性使用工艺系统，如用于细胞处理的管路套件，被设计用于无菌操作。取样、工艺连接以及过滤器完整性检测端口可能需要无菌接头。除非连接是在A级和/或ISO-5环境下进行，如生物安全柜或隔离器，否则无针插入和/或注射器、鲁尔接头连接不能被认为是无菌的。随着GMP CGT生产的发展，生产商正在将一次性使用部件和管路套件转变为无菌连接或管路焊接方式。虽然取得了一些进展，但在一些设备和部件厂商提供的产品方面仍存在差距。
生物安全柜和隔离器的比较。
隔离器：传统上，在自体和异体细胞治疗生产中，开放工艺操作是在可提供A级和/或ISO-5单向流环境的生物安全柜内进行的。例如，病毒载体生产中的开放式操作以及所有模式的最终药物产品的灌装也需要这种环境。有些公司有时也会选择在隔离器内进行QC无菌检测。
细胞治疗工艺的早期发展是在位于B级洁净室环境中的生物安全柜内开始的。下表的“生物安全柜和隔离器”比较了基于生物安全柜和隔离器的生产模式。
自体细胞工艺平台：对于自体细胞疗法的培养和处理，最理想的设置是一体式细胞处理装置:可以选择细胞、然后活化、转化、洗涤、配制细胞制剂，再进行产品灌装和控速冷冻的单个机器。在细胞治疗生产时间线的早期，细胞处理单元操作是模块化的，这意味着每个设备可以执行两到三种操作，但不能完成从开始到结束的整个自体生产过程。
随着GMP细胞处理技术的发展，两家公司已经开发出了能够在单个细胞处理单元内执行一系列操作的系统，这些系统提供预灭菌的一次性使用流路和培养袋。下图所示为美天旎的 Prodigy和龙沙的Cocoon系统。它们的主要优势是通过一体式、紧凑的设计，将不同的操作组合成一个单元，从而减少了设备占地。Cocoon Tree（茧树）平台可容纳8个Cocoon单元，占地1m × 1m，高度为2 – 3m。美天旎Prodigy设备宽0.7m、深0.4m，高0.5m-1m，带有延长的培养袋支架。系统的封闭式无菌连接选项允许细胞处理工艺从A级和/或需置于B级工艺室内的ISO-5级环境转移到更传统的生物制药生产环境。
从贴壁培养转变为悬浮细胞培养
对于病毒载体的生产，大多数公司开始都依赖于贴壁细胞系和生产平台，这与几十年前用于单克隆抗体生产的细胞培养工艺发展一样。目前贴壁细胞培养方法的局限性包括细胞需要附着在经过处理的表面上才能生长。因此，产量取决于生物反应器的表面积而不是培养体积。同样，目前在培养瓶、细胞工厂中进行的静态培养的方法也存在表面积的限制。这些工艺的扩增依赖于规模扩展(增加单元数量)，而不是提高生物反应器的体积。
从设备占地的角度来看，通过规模扩展的方式来提高生产是相对低效的。在给定的生产率条件下，悬浮细胞培养的设备占地更为紧凑。可以说，在振荡或搅拌模式下操作悬浮细胞培养可以更好地进行气体和营养交换，从而为细胞提供更好的生长条件。悬浮培养也比依赖于贴壁的操作更容易处理。当依赖于贴壁的细胞传代时，需要用酶或机械方法将其从表面脱离，以接种下一个更大的单元。
开发悬浮细胞培养工艺对CGT产品的商业可行性和产品成本至关重要。如上所述，贴壁细胞培养平台在操作上更为复杂，生产规模放大需要增加更多的单元，因此所需的生产空间也更大。
在技术方面，一旦一个细胞系适应了悬浮培养，就会有许多生长平台可供选择。对于<1L到50L的小规模培养，可以选择带有相关工艺气体供应以及pH和溶氧（DO）控制模块的振荡式培养袋。对于更大的体积，一次性使用的搅拌罐生物反应器(SUB)的体积已可达4000L (一些供应商正在研制更大体积的产品)。SUB已经被用于进行悬浮细胞的培养很多年了，并且已作为一个持久的生产平台被牢固地建立起来。结合外部灌流装置，以增加培养密度，可以显著提高生产水平。
更多内容，见下期分享。
原文：A.Bream, Trends in facility design: In-house manufacturing considerations for cell and gene therapy production. BioProcess International, 2020.
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