为什么批次工艺仍然主导着生物制药领域？行业需要整合式连续生物工艺替代方案！
本文节选自《Why Is Batch Processing Still Dominating the Biologics Landscape? Towards an Integrated Continuous Bioprocessing Alternative》，详细内容，请参考原文。
摘要：生物制品(生物药)的连续生产已经成为一个被积极研究和开发的领域，其中的原因有很多，包括运营精简化的需求，以及实现明显的经济效益的需求等等。与此同时，生物制药公司正在努力开发能够在类似临床和商业规模生产中运行的系统和概念 -使用灵活的基础设施，如一次性使用流路和更小规模的缓冲罐。这些发展应能简化技术转移，降低占地和资本投入，并能在保持质量属性的同时，随时应对不断变化的市场压力。尽管与传统批次工艺相比，连续生物工艺有许多明确的优点，但仍未被广泛用于商业化生产。本文将详细介绍了生物制药生产中存在的行业特性技术、组织、经济和监管障碍是如何阻碍连续生产工艺的采用的。基于这一理解，工艺系统工程 (PSE)、过程分析技术和工艺建模以及模拟的作用被强调为克服当今生产环境中多方面障碍的关键赋能工具。当然，我们确实认识到还需要一套明确的法规，来指导生物药生产向连续工艺的过渡。此外，本文还将探讨工艺集成、自动化和数字化等新兴领域所扮演的角色，因为这些是未来促进从批次生产向连续生产过渡的工具。最后，展望部分将集中在技术、管理和监管方面，以确定重要的协同努力，以推动在生物制药工艺中广泛推进持续生产。
简介：我们已经到哪一步了?
在食品和药物管理局(FDA)和国际协调理事会(ICH)等监管实体的鼓励下，制药行业对连续生产生物药的兴趣越来越大。连续生产 (CM) 是工艺强化的关键方面，它致力于降低生物工艺开发和生产的时间、成本和复杂性。它的实施可以带来一些潜在的好处，例如连续且稳定的操作、更一致的产品质量以及更高的产量、降低设备尺寸、精简工艺流，从而降低运营和资本投入。从原理上看，切换为连续生产，可整体上提高可持续性，这与可持续性发展的目标相符，即采用更好且更可持续的工艺。但是，尽管相比批次操作，连续操作有巨大的机会，但要实现整合式的连续生物工艺，还要解决和克服不少技术和操作挑战。和其它颠覆性的“新”技术一样，除了科学性的因素外，做出决策时，还需要考虑经济性和人为因素等方面的问题。当然，一些改变已经发生，人们正在开发更多连续生物生产技术。但是，这些发展一般仅发生在比预期更小的空间内。需要回答的主要问题是，为什么采用连续生物生产技术有明显的好处，但是实际实施却如此缓慢？
本文的目的是探究在商业生物药生产中连续工艺的实施进展缓慢的背后原因，尽管对其而言，在商业、创新、技术支持和法规推动方面的优势已经众所周知。
图1. 当向生物药生产引入工艺技术时，必须考虑的关键动力。
对当前实践的主要观点
一方面，生物药的生产是当代工业的缩影，其具有尖端的研发投入，新的分子不断被发现。另一方面，这些生物药的生产过程，即使在今天，在很大程度上，都是基于低效的批次生产平台。由于生物技术生产是逐步发展的，第一代反应器通常相对较小，例如受到乳品行业的启发。然而，多年来，对反应器体积和控制的需求一直在稳步增长，这导致了生物反应器罐的体积往往高达几百立方米。以批次方式操作这些工艺有其优点。也就是说，与连续操作相比，批次工艺需要较少的精确且稳健的控制，就可生产所需的产品。而与此同时，主要的缺点是批次发酵工艺固有的低效性。例如，一些研究表明，连续的，甚至是半连续的发酵工艺也比批次工艺更高效，因为它可以在时间-空间产量和原材料使用两方面提高收益。
为此，学术界和工业界半个多世纪以来一直在考虑采用连续生物药生产方式。在这期间，对连续模式下生物药工艺的操作和控制的各个方面都提出了挑战。大量的机制见解转化为了一些技术发展。另一方面，监管机构对连续生产的支持也在不断演变，包括FDA2004年发布的针对过程分析技术（PAT）的指南（以采用允许进行质量源于设计（QbD）的基于科学和风险的方法）到最近起草的专门针对连续生产的指南。尽管有明确的知识、技术进步和监管支持，但连续生物工艺的实施一直进展缓慢。最好的情况也就是少数的工厂将个别上游和下游单元操作/步骤以连续工艺形式进行运行。而这也仅限于一些大型生物药产品，如抗体、胰岛素、VIII因子和凝血因子，这些产品基本上都需要灌流系统和用于细胞截留的外部交替式切向流(ATF)过滤系统中适当的工艺条件。一些生物制造商，如Genzyme、Bayer和Amgen，在使用灌流和一次性使用系统进行商业化产品的生产方面有丰富的经验，是连续生物工艺实施方面的领导者。其它几家公司仍在评估这项技术的商业可行性。商业化的连续下游工艺，特别是层析操作，仍然是“罕见”的。乐观地说，在步骤众多的下游工艺的多个层析步骤中，只有一个或几个实现了连续操作。值得注意的是，一些工艺声称是“连续的”生产操作。但如果仔细检查，会发现它们是并行的上游和下游单元操作，只是连续操作的“错觉”。这些工艺是循环操作，多个批次单元被连续地安排，而提供了一个一贯的工艺流。相比之下，连续生物工艺有望通过提供简化工艺的机会，而取代复杂的周期性批次操作，从而促进工艺强化。
学术活动支持发展
在生物药中采用连续生产的第一个挑战在于知识方面的差距 – 包括细胞的长期稳定和无菌培养。连续工艺有利于不稳定的产物，此类产物不能在整个培养过程中留在培养基中，但不适合载体的遗传稳定性和生产细胞系。为了了解细胞的微环境、功能和细胞内的长期遗传稳定性，进行了很多非常详细的研究。类似地，与连续生物工艺一样，一些技术发展也降低了现场产品取出过程中的污染风险。除了解决连续工艺过程中的风险外，提高传统上较低的上游药物底物滴度(<1g /L)也已经成为生物药连续工艺探索的重要潜在驱动力。一种解决方案是采用灌流工艺来保持细胞数恒定，同时定期用新鲜培养基置换培养上清液。然而，该解决方案带来了几个工艺系统工程挑战，如(i)连续生物反应器罐内的不均匀性，包括营养短缺或细胞积聚区域;(ii)长期无菌性的维持;(iii)由于在实验室中构建连续培养系统的复杂性，增加工艺开发成本和时间;(iv)对开发一个复杂控制策略、以解决连续运行中时间变量的监管期望。
如上所述，在连续生物反应器罐中存在的不均一性仍然是生物药生产的主要挑战之一。然而，这并不容易解决，行业正在开发新技术以研究和改进这一问题。例如，最近，计算流体动力学(CFD)一直是生物反应器中混合、传质和底物梯度研究的焦点。此外，CFD与分段法建模相结合，已被证明是工艺设计和优化的有力工具。另一种有望用于监测生物反应器内部真实梯度的方法是，例如，使用自由浮动传感器。由于长时间的灌流过程中存在膜污染和堵塞现象，新的外置细胞截留技术，如ATF过滤，已被开发出来，并被广泛采用。在ATF系统中，通过中空纤维的进料液流定期逆转，以洗掉可能堵塞膜孔的物质。类似的，工艺开发的敏捷性以及应对连续设备的复杂性、创新的PAT技术以及过程控制策略 (包括工艺建模和先进的过程控制方法)和机器人自动化一直是带来新解决方案的学术研究重点。这些创新有望简化操作，提高工艺的健壮性，并显著降低工艺工作。
此外，由于工艺固有的多步骤性质，下游工艺中连续操作的实现是极其复杂的。然而，生物药的下游工艺通常会占到成本的50-80%，导致商业化批次生产非常低效且昂贵。因此，近几十年来，为了提高层析柱载量的利用以及分辨效率，对连续下游工艺的开发进行了大量的研究。当下游工艺的蛋白质捕获步骤涉及到昂贵的蛋白质和填料时，更好的填料载量利用和柱寿命开发至关重要。目前，大多数关于连续下游工艺的研究都是针对单克隆抗体(mAb)进行的，这有两个关键原因：首先，单克隆抗体构成了正在开发和准备商业化生产的生物药产品中最重要的部分;第二，使用三步层析 - Protein A亲和、阳离子交换(CEX)和阴离子交换(AEX) - 已经为实现高纯度和高回收率提供了一个标准化的路线，但它仍需要进一步的强化。因此，近年来开发了多种连续液相层析方法和多柱层析系统，其中几种已转化为商业化解决方案，如ÄKTAPCC、BioSC®、BioSMB®和Continchrom®。在已建立生产路线的创新之后，利用计算建模和模拟技术提出了创新的分离技术。例如，已经有研究开发了ProteinA膜吸附，并利用计算流体力学设计了旋转盘过滤器。
除了学术界和工业界的独立研究外，一些合作平台也致力于解决这些挑战。表1所示为此类协作平台一些例子，这些平台能够帮助在生物工艺中开发和采用连续生产技术。这些团队的一些主要关注点包括加速生物药创新、开发适应性工艺控制和先进的传感技术，以在生物生产中实现高稳健性，展示新技术的商业可行性，并为新的和未来的生产技术提供生物药生产劳动力。这种合作在推动技术及其知识的公认水平，以及帮助发展受过良好教育的劳动力队伍，以应对与引入新生产技术有关的挑战方面，正发挥着越来越重要的作用。
表1. 一些能够帮助开发和采用新的生产技术，如连续生物工艺，的协作平台。
协作平台 | 类型 | 目的 |
Biomanufacturing consortium（BioMAN） | 由麻省理工学院（MIT）主导的工业-学术协作 | 多个利益相关方共同开发新的知识、科学、技术和战略，以改进生物生产技术 |
BioPhorum consortium | 跨行业协作 | 将大多数大型生物药制造商和供应商联合起来，以准备技术文件，探索、建议和定义有关前文所述主题的行业最佳实践 |
National Institute for Innovation in Manufacturing Biopharmaceuticals (NIIMBL) | 公-私伙伴关系，通过与国家标准和技术研究所（NIST）的合作协议资助的生产创新机构 | 实现公-私合作伙伴关系，以获得更高效和快速的生产能力和生物药生产工作流，促进生物制药创新 |
BIOPRO cluster | 由丹麦工业大学主导的工业-学术协作 | 通过降低能源和原材料的消耗，更高效且可持续地开发制造生物制品的新方法，同时提供产量 |
原文：A.Kumar, I.A.Udugama, C.L.Gargalo, et al., Why Is Batch Processing Still Dominating the Biologics Landscape? Towards an Integrated Continuous Bioprocessing Alternative. Processes 2020, 8, 1641; doi:10.3390/pr8121641.
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