细胞治疗生产转向自动化
本文节选自《 Cell Therapy Manufacturing Shifts to Automatic》，由于水平有限，详细内容，请参考原文。
配备传感器并可与机器人系统集成的生物反应器，可以在无需人工干预的情况下进行微调，从而提高生产率和质量
随着细胞治疗行业的持续增长，它必须面对的挑战是，创造的产品不仅需要安全、有效，而且必需是可负担得起的。目前，获批产品的价格(40- 20万美元)对于大多数患者来说太高了，主要是因为劳动力成本，占细胞疗法产品成本的50%左右。
完全自动化的细胞治疗生产工艺可以显著减少人工干预和人为错误，支持稳健的工艺，提高产品质量，加快产品交付时间，并降低成本。在这篇文章中，我们将讨论如何使用新的生物反应器和传感器技术实现自动化细胞治疗生产。
生物反应器
生物反应器是一种“精细”的容器，它允许仔细控制参数，如pH值、溶氧和温度，以确保细胞针对细胞生长而得到优化。生物反应器应该能够在足够大的规模条件下培养细胞，以满足细胞疗法的需要，提供108-10 cells/dose。
1944年，de Becze和Liebmann创造了第一个用于压缩酵母生产的生物反应器。第一个生物反应器的设计采用大型不锈钢罐，其底部连接着可以引入空气的管道。随后的设计引入了有利于混合和气泡分散的叶轮。之后，又对设计进行了一定的修改，以满足食品和生物制药行业的要求。例如，设计开始结合抗菌功能和实时监控。
今天，各种类型具有特殊功能的生物反应器在市场上都可以买到。通常用于细胞生产的生物反应器包括振荡式、搅拌罐、固定床以及旋转壁式生物反应器。
生物工艺中最常用的生物反应器是搅拌罐式生物反应器，它可以规模放大至大体积细胞培养(最大体积可达20,000 L)。然而，在搅拌罐生物反应器中，细胞培养使用叶轮实现均质，但强劲的转动可以影响生物过程。例如，湍流和较高的剪切已经被发现可诱导不需要的、自发的干细胞分化。
为了降低生物反应器中剪切的影响，研究人员开发了振荡式生物反应器。它使用波浪状运动，以确保低剪切力，实现有效的营养物扩散。研究人员发现，低剪切对维持高细胞质量至关重要。
另一种对于培养敏感的原代细胞株具有类似的优势，但通常体积较小(<10L)的生物反应器是旋转壁式生物反应器。细胞在罐内培养，通过其旋转产生自由落体状态。然而，这种系统需要复杂的控制系统，以形成精确的旋转速度，以诱导不断生长的细胞群形成自由下落的状态。对于振荡式和旋转壁式生物反应器来说，可放大性都是一个不小的挑战。
上述生物反应器适用于非贴壁细胞的培养，如用于肿瘤免疫治疗的免疫细胞，但对于贴壁干细胞，则需要微载体。然而，在生物工艺的后期阶段需要完全去除可溶解的微载体，这可能会导致技术挑战和监管困难。为了避免这些问题，填充床生物反应器被设计用于实现可放大的贴壁细胞培养。例如，这种生物反应器已经被用于培养在合成肉应用中使用的肌肉细胞。
在填充床生物反应器中，细胞被接种在固定床上，其由中空管组成，其表面有固定的支架、微载体或多孔纤维。新鲜的培养基可以在系统内不断循环，以提供氧气和营养物质。由于表面积大，可以达到高密度细胞培养，并提高成本效益。培养基体积可以更小，操作也可以更方便。然而，高细胞密度以及难以有效地将分离添加物引入填充床，使细胞收获具有挑战性。
开发自动化平台
尽管前文讨论的生物反应器类型具有可放大性和低剪切力等优点，但它们都缺乏能够降低劳动力成本、污染风险并增强良好生产规范（GMP）遵从性的自动化。同样缺乏的是可以利用机器人技术的自动化。如果机器人技术能够与模块化生物反应器集成，就有可能优化并降低细胞生产的成本。
自动化系统的一个例子是Miltenyi Biotec的CliniMACS Prodigy。它允许用户以一种完全封闭和交钥匙的方式执行细胞活化、转导和收获。另一个例子是Lonza的Cocoon，这是一个模块化的细胞疗法生产平台。实现生物反应器自动化的技术不仅是单个公司的追求，也受到Autostem等行业联盟的追求。Autostem是一个由工程师、再生医学科学家和高科技公司组成的多学科组织。
Miltenyi Biotec声称其CliniMACS Prodigy是一个功能性封闭和自动化的系统，可用于制造各种类型的细胞。该系统设计用于使用由袋、流路、离心舱以及温度控制元件组成的一次性使用管路套件，以完成细胞富集或去除、离心和培养。
“细胞治疗自动化的最大需求之一是自体制造，”Century Therapeutics首席技术官Gregory Russotti博士说，这是一家生物技术公司，开发源于诱导多能干细胞的自然杀伤细胞和T细胞疗法。“由于每个患者需要他或她自体的批次，因此没有办法进行工艺规模放大，而以更大的单个批次为不同的患者生产多个剂量。因此，需要更好的规模扩展方法，以便更有效地处理并行批次。”
“一种方法是自动化工艺，以降低劳动力需求。自动化系统可以配置为同时处理多个批次，从而提高处理效率，降低商品成本。
“为自体过程设计自动化系统的挑战之一是，不同的细胞疗法开发商使用不同的工艺；因此，自动化方法需要针对每个单独的工艺进行定制。随着该行业的成熟，细胞疗法开发商可能会在一些工艺步骤上趋于统一，这可能为自动化系统的标准化提供机会。”
爱尔兰国立大学的细胞疗法教授Frank Barry博士补充说，这些平台的自动化可以帮助降低污染的风险。Barry指出：“在组织源性细胞产品的工艺过程中，有两个污染源 - 组织本身和操作员。”他说，大多数污染事件都可以追溯到操作人员的行为，比如那些涉及洁净室环境破坏的事件。由于操作人员造成的污染事件可以通过使用自动化机器人来减少，这种机器人可以实现“无需双手”的程序，并可以进行消毒。
Lonza开发了Cocoon平台，用于单个患者规模的细胞治疗生产。它由自动化、灵活且功能性封闭的“囊”组成。(图示为单个囊。) Cocoon的定制“盒”包括培养基、试剂和其它耗材，以进行不同单元操作，如分离、活化、转导/转染、扩增和收获。
自动化生物反应器系统通常是为小规模工艺设计的，例如为个性化肿瘤免疫治疗制备免疫细胞。这种系统的优点是单个患者的细胞可以在模块化生物反应器中制造。小型、模块化和自动化的生物反应器可以安装在医院，而不是远距离的细胞生产工厂。这可以减少由于细胞的双重运输而造成的物流复杂性，并最大限度地减少由于长时间低温保存而造成的细胞死亡。
Russotti建议:“在尝试进入临床时，不应该为I期研究在不需要的技术或工艺规模上进行过度投资。小规模的简单系统通常能让你更快地为临床研究做好准备。”
“然而，你应该提前考虑商业化规模需要的是什么，并就如何改变平台(即生物反应器类型)和放大工艺规模而制定战略，以便在需要的时候拥有一个商业可行的工艺。采用这种方法不可避免地需要对工艺进行更改，而这些更改必须经过仔细的计划，以将可比性失败的机会降到最低。”
在生物反应器中使用传感器，以提高质量控制
在生物反应器中安装传感器，以监测关键参数，如pH值、温度和溶氧，以进行质量控制。最常用的传感器之一是基于探针的电化学传感器，它可以通过检测化学反应引起的电势变化而进行工作，且成本低廉。一般来说，基于探针的传感器可以进行广泛的检测，并快速传递读数。然而，电流传感器通常较大且为侵入式设计。此外，它们一般较为“脆弱”，易受电子干扰。
为了降低侵入性，并提高安装的灵活性，开发了光学化学传感器系统，可以检测由于分析物浓度的变化而引起的光致发光强度和吸收等光学特性的变化。此类系统包括光源、指示染料、光纤和光探测器。一次性传感器贴片甚至可以放置在生物反应器外部，以减少污染的风险。
其它用于质量控制的生物反应器传感器包括光谱传感器，其评估涉及分子键和电磁波的相互作用，以测量关键变量，如生物量和细胞碎片的丰度。光谱传感器是非侵入性的，可以同时测量多个变量，且接近瞬时信号传输。然而，此类传感器的检测可能会受到散射光的影响。 为了避免这个问题，传感器被用于玻璃反应器中。
自动化细胞培养监测
不幸的是，大多数传感器技术都是基于探头的，与自动化、封闭系统以及一次性使用生物反应器不兼容。此外，除了光谱传感器外，大多数传感器都是为了测量单一参数而设计的。多个侵入式传感器的使用需要将生物反应器内容物重复暴露于环境中，增加了污染的风险。
然而，结合自主传感器技术和无线数据传输技术的胶囊技术可以实时监测多个参数。在胶囊技术中，无线传感器(或称“胶囊capsules”)在加入细胞培养中之前进行了预灭菌和校准，在细胞培养中它们可以自由漂浮。还可以通过在生物反应器内部署多个胶囊来提高测量的准确性和分辨率。
爱尔兰国立大学再生医学教授Mary Murphy博士表示，细胞工艺的自动化监测将降低成本，提高效率，并提高对良好生产规范（GMP）的遵从性。自动化监测可以让技术人员远程控制工艺。也就是说，在工厂内部发生的工艺可以通过位于该工厂外部的计算机接口进行控制。
总结
细胞培养是细胞生产中最消耗资源的步骤之一，它严重依赖生物反应器以进行可放大的细胞生产。幸运的是，生物反应器自从被发明用于压缩酵母发酵以来，已经取得了长足的进步。现在拥有诸如振荡运动技术的功能，可以在提高细胞活性的同时，使剪切应激最小化。
然而，我们可以预见，对基于细胞的治疗产品的需求将会增加，我们将需要自动化的细胞培养和传感技术。这样做将使我们能够减少对人力的依赖，更多地依靠稳健的工艺，从而使我们能够更快、更安全、更经济地为患者提供创新的、基于细胞的治疗。
原文：R.R.Lim, A.Tay, Cell Therapy Manufacturing Shifts to Automatic. Genetic Engineering & Biotechnology New, 2021.
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