连续生物生产的实施：使用强化且整合的生物工艺平台
本文节选自《Continuous Biomanufacturing Implementation：Using an Intensified and Integrated Bioprocess Platform》，由于水平有限，详细内容，请参考原文。
最近的世界事件表明，现在比以往任何时候都更需要可以快速和大量生产且仍可负担得起的药物生物制品。因此，迫切需要开发下一代生物制造解决方案，以提供高产量、高质量的药物产品，同时确保具有高度的灵活性和成本效益。本文介绍了WuXi Biologics超高生产力平台(WuXiUP)，这是一种为满足上述需求而开发的强化灌流培养工艺。WuXiUP在传统灌流培养工艺基础上，采用工艺强化策略，以提高细胞密度和细胞特异性产量。连续收获可大大降低产物在生物反应器内的滞留时间，获得更理想的产品质量，并实现整合式连续生物工艺。
WuXiUP平台的典型配置包括连接了细胞截留设备的灌流生物反应器，它将收获液直接提供给产物连续捕获/纯化系统(图1)。一般采用微滤中空纤维过滤器，以截留细胞，而交替式切向流(ATF)过滤用于连续收获耗竭培养基中的目标蛋白。在细胞连续培养过程中，保持稳定的培养重量至关重要。这可以通过反馈控制的方式，监测并调节培养基补液速率和收获速率至预先选择的目标值来实现。一个以周期性逆流模式操作的多柱层析系统应用于捕获澄清的收获液，系统使用三根或更多的层析柱。对于单克隆抗体(mAb)，一般使用Protein A层析柱。对于其它分子类型，填料的选择取决于填料和收获液基质的特性。多柱层析系统连续捕获收获的物料。两根层析柱串联用于进样，其它层析柱并联运行，用于产物回收、在线清洗(CIP)和层析柱再生。
图1. WuXiUP平台的典型配置
以表达Fc-融合蛋白的中国仓鼠卵巢(CHO)细胞系进行工艺评价，以验证WuXiUP在生产生物药时的性能。在此案例中，将WuXiUP工艺与传统补料分批(TFB)以及传统灌流培养模式进行了比较。WuXiUP和TFB在活细胞密度(VCD)接近峰值时采用温度变化策略。在灌流过程中，通过调节细胞废弃率，设定并维持50 × 106 cells/mL的目标VCD。图2a显示了生长概况。在WuXiUP工艺中观察到了显著提高的生物质积累，而灌流工艺维持相对稳定的细胞密度趋势。
图2. 用于产Fc-融合蛋白CHO细胞系的不同培养模式的细胞培养性能：A) 在40天培养中的活细胞密度（VCD）趋势，以及（B）40天培养的累积Pv趋势。
图2b显示了不同工艺累积Pv随时间的变化趋势。与传统灌流培养(14天)相比，WUXiUP-1工艺在较短的培养时间(21天)内就获得了极高的产量。WuXiUP-1工艺最终累积Pv为52.14 g/L，分别是TFB (2.82 g/L)和灌流(37.55 g/L)工艺的18.49倍和1.39倍。
如果将培养时间纳入考量，WuXiUP-1的日产量最高，为2.48 g/L /d，分别是TFB (0.20 g/L /d)和传统灌流工艺(0.79 g/L/d)的12.4倍和3.14倍。通过工艺优化，将WuXiUP-1工艺升级为WuXiUP-2工艺，最终Pv显著提高为85.86 g/L，日产量为3.18 g/L/d，支持利用WuXiUP可作为不同类型药物蛋白生产的平台，并获得极高的产量。超高的产量和相对较短的培养时间清楚地说明了为什么WuXiUP被认为是一种强化灌流培养工艺。
图3. 不同项目中，WuXiUP和传统补料分批的Pv比较
表1. WuXiUP和标准生物工艺的比较
除了上述概念验证研究，WuXiUP已应用于多个项目，为该平台技术提供了综合评价。为了证明该平台“即插即用”的灵活性，使用WuXiUP工艺对15个以上的克隆进行了评估。平均而言，相比TFB模式，产量可提高7.4倍，日产量可提高4.5倍(图3)。WuXiUP平台可以以超高产量生产几乎任何生物制品 (如单克隆抗体、融合蛋白和重组蛋白)。
图4. 批次模式捕获工艺（BP）和连续捕获工艺（CP）的步骤收率和产量比较。
通过应用连续捕获技术，下游捕获步骤的产量翻倍，且可获得与传统批次工艺相当的工艺性能（图4)。更高的产量，填料量、缓冲液消耗以及设施占地的显著降低，这些因素可帮助在批次生产的基础上大幅降低成本。此外，强化灌流培养工艺与连续捕获工艺的结合，已经在GMP工厂中成功扩大到200 L规模。
作为一个整合、强化、连续化的生物制品生产技术平台，WuXiUP的经济效益、灵活性和质量都在不断提升。这种显著的可放大性和稳健的细胞培养工艺可以快速开发，或从传统的补料分批工艺转换，而获得5-10倍更高的产量。这项令人兴奋的新技术使1000 – 2000L的一次性使用生物反应器能够达到与传统的10,000 – 20,000L不锈钢生物反应器相似的产量。因此，WuXiUP可以在加快产品推出的同时，降低公司的资金和运营成本，并达到与传统工艺相同或更好的产品质量。
原文：W.Zhou, H.Zhou, M.Fang, et al., Continuous Biomanufacturing Implementation
Using an Intensified and Integrated Bioprocess Platform. BioProcess International, 2020.
相关阅读：