行业向“端到端”连续工艺更近了一步

本文节选自《Moving Closer to End-to-End Continuous Bioprocessing》，更多详细内容，请参考原文。

过去几年给生物药制造商带来了巨大的成本和竞争压力。工艺强化和整合使得制造商能够应对这些挑战，提高产量，缩短时间线。

变革的条件现在已经形成。“对于单克隆抗体，产量持续提高，我们正在从细胞培养中获得更高的滴度。此外，还需要更灵活、适应性更强的生产工厂，特别是能够更灵活地运行的多产品工厂，”MilliporeSigma的生物工艺主管Darren Verlenden说。

越来越多的公司正在实现强化并评估连续工艺，这将带来一个生产成本更低、实时产品放行以及可预测并控制的未来。专业从事先进生物治疗药物以及生产工具和技术开发的Gamma Biosciences首席技术官Phil Vanek说:“连续生物工艺有望通过减少运行间的停机时间，消除费时、费力的步骤，以及通过链接或结合当前工艺中的连续步骤来降低风险，从而改变生物制造。”

然而，Vanek说:“为了使生物制造连续工作，我们需要全面考虑每一个制造过程，并寻找在不中断正在进行的过程的情况下，实时收获产品。”他介绍了在严密的工艺控制下的高效表达系统，与高效的细胞收获以及随后的下游技术连接，这些技术可以发展成模块化的连续生物制造平台，所有这些都在一个高效且紧凑的空间中。他说，这方面的一个例子就是Univercells Technologies公司的NevoLine生物制造平台，其可用于实现病毒生产的强化和自动化。

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聚焦于灌流

目前，大多数公司都已在上游应用了连续工艺，特别是灌流工艺。在10年内，这些努力有望将生物反应器的生产率从0.05 - 1 g/L/day提高到0.5 - 10 g/L/day。包括Cytiva、Sartorius和MilliporeSigma在内的技术供应商都发布了新的灌流系统或可连接灌流系统的生物反应器。（然而，目前主流的工业规模灌流技术选择仍是来自Repligen的XCell ATF技术，有报导显示，其市占率可能高达80%以上，特别是在大规模灌流应用当中）。此外，连续的概念也在下游发展，通过新的、改进的替代性技术替代传统层析。WuXi Biologics在其WuxiUp平台上采用了连续灌流和连续下游工艺技术（相关阅读：连续生物生产的实施：使用强化且整合的生物工艺平台）。

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消除澄清和产物储存时间

Transcenta Holdings正在努力优化上、下游连续工艺的功能。该公司位于中国和美国，于2019年初由两家药物开发公司合并而成。MabSpace专注于新技术的发现和研究，而Hangzhou Just Biotherapeutics则在化学、制造、控制开发和生物工艺平台方面发挥优势。“我们的想法是将两家在研发和生物制造领域拥有互补尖端技术的公司结合起来。我们的目标是用创新的方法来开发和提供患者可负担得起的创新药物，以满足全球范围内的医疗需求，”Transenta首席技术官Chris Hwang说，他是Genzyme和Sanofi 25年的资深员工。他说，尽管还有很多工作要做，但连续的生物工艺提供了多方面的优势。

他说，Transenta的制造平台，整合式连续生物工艺 (ICB)，采用连续灌流技术，通过在每次运行期间保持处于生产状态的高细胞密度，以减少停机时间，从而获得了非常高的生产率。该公司计划依靠强化和连接/连续下游的工艺集成，来消除生产过程中的工艺瓶颈。

Hwang说，通过实施ICB，Transenta还将能够消除收获澄清和产物储存步骤。这些变化，结合强大的过程控制和自动化，有望显著减少占地面积、劳动力、材料、消耗品、操作错误以及整体循环时间。

Transenta展望了一个基于小型、封闭、高度自动化的一次性使用灵活设施的未来，该设施使用连续的工艺，可以快速且低成本地建立起来，就像它在中国杭州的T-BLOC设施一样。其于2018年1月建成，采用了G-CON的预制模块化洁净室技术，这是首个用于蛋白质生产的此类技术。此外，该设施将充分利用一次性使用技术，使其能够支持多产品生产，并在必要时进行规模扩展，以支持临床和商业生产需求。

“自从我们开设T-BLOC工厂以来，我们投入了大量精力来开发我们自己的细胞系、化学限定和低成本的细胞培养基 (小于商业化培养基的1/10)，以及我们自己的连续灌流平台。从那时起，我们已经证明，与针对多种细胞系和分子的传统补料分批工艺相比，工艺产量增加了10倍以上。”他估计，使用补料分批模式时，可能将需要22个2,000L的一次性使用生物反应器或4个12,500L的不锈钢生物反应器，才能达到他们即插即用的灌流平台中4个使用相同细胞系的1,000L一次性使用生物反应器的产量。

为了在没有大规模设备的情况下高效地处理如此高的细胞培养输出量，Transenta也在并行开发连续的下游生物工艺。为了加快在T-BLOC工厂实施ICB生产模式，Transenta在2020年年中与MilliporeSigma建立了战略技术合作，利用其BioContinuum平台以及其在连续工艺方面的专业知识。团队决定以循序渐进的方式实施，将生产操作的风险降至最低。

流穿精制

Hwang说，在这个多年合作伙伴关系的第一阶段，团队将共同开发一种“此类首次”的一次性使用流穿精制系统，第二阶段将专注于扩展连续工艺的边界，以及优化ICB的数字技术。他补充说:“为了进一步降低生产风险，我们正在开发和实施的技术需要在风险和收益之间取得适当的平衡，更倾向于简单，而不是复杂的系统。”Hwang说:“我们已经取得了重大进展，我预计我们的端到端连续自动化ICB技术将在未来两年内在我们的T-BLOC工厂投入使用，并为临床和商业生产提供支持。”

Transcenta的工作反映了行业对全面连续工艺越来越大的兴趣。Verlenden说，中试规模的连续操作正在显示出进展。最近的一份报告预测，到2027年，连续生物工艺的需求将每年增长近23%，到2027年将达到1.88亿美元。受访者认为，监管方面的担忧是企业要克服的最大障碍。他表示:“这可能会阻碍一些公司跨过中试而走向更高的水平。”

在这一点上，成本节约正吸引更多的公司采用连续生产的方法。Exothera的药品开发工程师Dmitrii Sorokin说:“连续工艺已被证明可以降低单克隆抗体纯化的产品成本，特别是对于孤儿药。”Exothera是一家与Univercells合作的合同开发和制造组织（CDMO），专门从事病毒载体的生产。“在这些情况下，Protein A填料的成本促使开发商和制造商开始探索大型昂贵层析柱的替代品，而连续多柱层析 (MCC) 仪器提供了这样一个机会，可减少开发和临床试验物料生产期间的投资，以及此类产品的商业化，”Sorokin说。

Exothera的开发主管Vasily Medvedev说，对于使用传统技术难以生产的产品 - 通常是由于细胞培养的稳定性问题或细胞毒性/细胞抑制作用 - 一种结合了上游灌流、使用MCC的连续下游工艺、在线调节以及切向流过滤(TFF)的技术正在开发中，。他补充说:“在病毒工艺过程中，更多的开发工作是针对敏感病毒的连续纯化，以便更快地完成纯化，因为目标收率仍然是行业最大的挑战之一。”

下游进展

与此同时，下游生物工艺技术本身也在不断取得进展。2021年1月，Sartorius Biotech收购了Novasep的层析业务，4月，该公司在英国开设了一个新的下游生物工艺卓越中心。

Protein A填料等传统产品也得到了改进。Vanek说:“下一代药物将是复杂的系统，从体外转录的RNA、纯化的细胞外囊泡、基于病毒的载体、疫苗到转基因细胞。”

Vanek解释说，尽管这些疗法有望为传统药物难以治疗的患者带来革命性的健康结果，但它们的复杂性也转化为了从生产步骤“低效”到包装和分发困难等的生产挑战。

亲和层析的提升

亲和技术的引入，尤其是单克隆抗体工作流程中的Protein A，通过简化实现功能性纯度所需的步骤，而提高了生产率。Vanek说，亲和方法将继续应用于所有形式的先进疗法，目的是提高最终产品的回收率和质量，并通过简化工艺，而降低成本。此外，他指出，鉴定高度“可调”的配基，并将它们与合适的层析底物(如树脂、磁性铁磁流体或电纺非编织膜)结合，有望为生物分离开辟一个全新的维度。

Nanopareil电纺丝纳米纤维是Gamma Biosciences最新的生物分离产品之一，其结合了极高效的层析特性，如更短的保留时间和高动态结合载量以及大孔径，更适合先进治疗药物，如病毒载体和外泌体。Vanek说:“这个平台正在与传统化学物以及Astrea Bioseparation的亲和配基一起开发，以解决新的应用问题。”

精制应用

纳米纤维层析技术有望优化细胞和基因治疗的捕获和精制应用，提供高结合载量、快速循环和可规模放大的形式，Nanopareil的产品负责人Fletcher Malcom说，因此，这项技术可以帮助减少工艺时间、层析设备占地面积、缓冲液需求，并缩短上市时间，同时降低成本和确保环境可持续性。

Sorokin说，在病毒载体的制造中，下游工艺正在将层析和TFF步骤适应无菌工艺，以处理对于除菌级过滤器来说太大的病毒颗粒。目前，更多的层析材料可作为膜囊和整体柱，可以伽玛辐照并随时准备在封闭使工艺中使用。此外，预灭菌的TFF中空纤维组件与无菌接头也已有可用的商业化产品，他说。

Medvedev说:“这一趋势正在解锁大规模无菌下游工艺，这对几种病毒载体产品(例如溶瘤病毒)至关重要。”他补充说:“我们正在密切关注的另一个趋势是病毒分离的新方法的可用性(例如，空间排阻色谱)，这在传统亲和或离子交换层析导致回收率低的情况下提供了价值。”

膜层析

“许多适合于病毒载体纯化的、基于阴离子交换扩散的介质(例如，基于Q-Sepharose的填料)正在被一次性使用对流介质(例如，阴离子交换膜或Q-adsorber)所取代，”Sorokin说，“但为了去除聚体和残留的DNA-病毒颗粒复合物，使用整体柱时，可能需要多个精制步骤。”

Medvedev说，越来越多的生物制药开发商也在考虑结合单元操作的想法，比如Univercells Technologies的NevoLine采用的中游方法，或者针对敏感性目标提出创新的方法，比如针对慢病毒应用的Repligen的切向流/深层过滤（TFDF）概念。

相关视频：TFDF - 切向流深层过滤

原文：A. Shanley,“ Moving Closer to End-to-End Continuous Bioprocessing,” BioPharm International34 (5) 2021.

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