大规模一次性使用生物反应器在需求不断增长的情况下证明了它的能力
本文节选自《Large-Scale Single-Use Bioreactors Prove Mettle Amid Growing Demand》，由于水平有限，详细内容，请参考原文。
大规模一次性使用生物反应器在极限测试中被证明是成功的。
随着生物药制造商目标满足市场对生物药日益增长的需求，特别是单克隆抗体(mAb)，对大规模一次性使用生物反应器(SUB)的需求可能会变得更加迫切。2000 L规模的SUB已经成为行业标准，这些SUB已经在生物药需求不断增长的情况下证明了它们的能力。SUB规模的增加是否有必要，这个问题取决于一次性使用技术(SUT)向前发展的成功和局限性。
商业化规模的成功
2000 L规模的SUB自推出以来一直是大型SUB的支柱。Cytiva生物生产业务开发主管Yasser Kehail解释说，2000L是大规模生产的最佳点。其中的原因包括，首先，最近在细胞培养基和细胞系开发领域的技术进步显著提高了产物滴度和产量。Kehail说，10 - 15年前在15000L规模不锈钢生物反应器中生产的东西，现在可以以更小的规模生产，比如2000L。其次，目前的生物药是为特定的患者群体设计的，这些群体更小，并且基于特定的生物标志物，如基因或特定的蛋白质。Kehail说：“因此，研究和临床试验所需的临床物料规模较小。”
赛默飞世尔研发、生物生产高级经理Nephi Jones表示，大多数现有的SUB制造商多年来都有2000L或更大的产品供应。Jones表示：“显然，大多数用户看到了一次性使用生物反应器的好处，并一直要求提高产能 (取代10000至15000 L不锈钢生物反应器)，但不是以牺牲易用性、可靠性或性能为代价。”
然而，随着生物制药市场继续多样化和增长，未来对生物药的需求预计将远远超出现有技术的能力，Univercells Technologies产品经理Alex Chatel警告说，制造商正在不断寻求提高产能的解决方案，但必须对巨大的占地面积以及随之而来的成本保持警惕。他补充说:“目前高需求的应用需要多个生物反应器进行规模扩展生产(即并排放置多个生物反应器)，这可能不是最优的选择。”
Chatel还指出，对大体积SUB的需求很大，更大规模生物反应器的推出证明了这一点；然而，必须在操作复杂性、占地面积、批次失败风险和成本与规模扩展选项之间取得平衡。
市场压力
赛默飞世尔制药服务工艺开发总监Adrian Mazzone表示，推动进一步采用大型SUB的市场压力主要集中在需求上。这些生物反应器允许实现更传统的规模放大(单工艺流)，并通过利用高操作弹性，增加灵活性。Mazzone说，重要的是，大型SUB允许合同开发和制造组织(CDMO)通过“在这里开始，并留在这里”的战略而留住现有客户。他说，这一策略旨在确保客户从开发到商业化有一个不间断的路径，不必觉得有必要过渡到具有不锈钢产能的CDMO。
此外，与不锈钢工厂相比，大型SUB使制造商能够在有限的资本支出(CapEx)下提高生产吞吐量，Chatel说。他说:“细胞和基因治疗市场的增长，以及在未来几年将持续的基于细胞的疫苗的巨大需求，意味着对大型生物反应器的需求将会很大。”
Chatel补充说，在评估生物生产需求时，制造商必须始终牢记两个重要参数：他们使用的技术的可放大性以及与终产品相关的商品成本。在他看来，现有技术提供的现有能力最终将限制可负担得起的生物药的供应。尽管生物制药行业正在通过工艺强化等解决方案来解决这一问题，以大幅降低运营成本和商品成本，减少设备和工厂占用，同时提高产量。保持质量和安全性也是一项要求。
Mirus Bio科学运营副总裁Laura Juckem博士指出，大型SUB使用增加的另一个关键驱动因素是依赖腺相关病毒(AAV)载体递送治疗性转基因的基因疗法的增长。她指出，基因治疗的商业化需要高滴度AAV载体的制备，但在贴壁人胚胎肾(HEK) 293细胞中大规模制造AAV既昂贵又低效。她说：“因此，随着制造商过渡到悬浮HEK293平台，我们可以期待看到大型一次性使用生物反应器的进一步增加。”
Juckem指出，SUB在基因治疗生产中的性能限制之一是基于聚乙烯亚胺的瞬时转染方法的低效性。然而，她指出，新型转染方式可使病毒滴度成倍增加，从而显著提高工艺效率，并相应降低生产成本。一些新型转染方式的例子包括Mirus Bio GMP平台 (VirusGEN) 中的试剂和增强剂。
Juckem强调：“随着载体生产从研究规模放大到工业规模生产，瞬态转染工艺的优化将推动一次性使用生物反应器的更高成功率。”
赛默飞世尔生物生产产品管理主管Kevin Mullen表示，SUT已经被大量采用，以满足处于早期和晚期阶段的临床工艺。此外，随着分子的开发从临床进入到更大的商业规模，Mullen指出，市场会倾向于维持一次性使用，而不是转向不锈钢生物反应器。他指出，市场因此需要可从小规模工艺设计良好放大到大规模商业化生产的大型SUB。
“市场不仅需要大型SUB；他们也一直在寻求能够显著改善传质和混合能力的大型SUB，以支持高细胞密度培养，”Mullen补充道。
“一次性使用生物工艺行业已经跨越了鸿沟，该技术可以用于评估、早期采用等其原始用途之外的用途，并成为对标不锈钢工艺的基准，”Kehail指出，生物制药行业现在已经看到SUT在已获批临床药物GMP生产中的实施，该技术可提供可靠的数据、可比的产品质量以及积极的商业成果。Kehail说，这些结果表明，在SUT的应用方面，行业已经成熟。“目前的市场压力来自越来越多的客户从评估转向GMP，这给供应链带来了进一步的压力，”他说。
然而，Catalent Biologics上游工艺开发高级小组负责人Kevin Jose持不同观点，他不相信从长远来看，大型SUB的需求会增长。他注意到，对于寻求大规模一次性使用生产的公司来说，已经存在多种选择。一种方法是串联运行多个小型生物反应器(例如，2 × 2000L)，并在下游建立大规模装置。另一种方法是在最终生产阶段应用灌流 (即连续生产)，这将允许在更小的一次性使用罐内生产更多的药物底物。
“既然有选项可以使用更小的生物反应器解决大规模生产问题，那么大型SUB本身的需求是否会很高还有待观察。此外，随着市场走向更小的患者群体(如罕见/孤儿疾病和个性化治疗)，以及随着技术的改进而提高了细胞/工艺产率，未来对大规模生产的需求可能会降低，”Jose说。
行业固定设备
随着大型SUB在商业化生产领域站稳脚跟，它们的持续表现将受到进一步检验。例如，根据Kehail的说法，目前还没有确定一次性使用塑料袋在体积大于4000L时，承受高压、温度和通气方面的能力。他强调，生物反应器袋的稳健性至关重要。“任何泄漏、针孔或小孔都可能导致重大的经济和产品损失，”他补充说，“我们只在2000L的规模下验证了一次性使用塑料袋的性能。”
与此同时，Jose指出，引入高调节比(即总体积与工作体积之比)SUB，解决了与大规模一次性生产的种子扩增和生产培养灵活性相关的物流和技术/工程问题。“SUB的技术进步推动了接触层膜的发展，具有‘低’到‘无’溶出和析出物，其可能会影响细胞培养性能。此外，SUB从圆柱形设计转变为立方体设计，提高了气体传输和混合的效率，以确保最高可达5000L的可放大性。”
此外，实时技术的使用，结合SUT，如拉曼光谱，可以进一步优化工艺，以确保最佳的细胞培养性能，Jones说。
Mazzone补充道:“从SUB的性能角度来看，易用性 (搭建、安装、使用、拆卸) 和可靠性是任何大型SUB产品成功的关键。”
Mullen指出，SUT在过去的15年里已经成为了标准，在新技术、供应链挑战和全球大流行不断变化的世界中，该技术已经证明了其可靠性。“市场需求是改进单位体积功率输入(PIV)和传质(kLa)的推动力，以支持高细胞密度和高产品质量。他说:“大型反应器的性能需要与PD (工艺开发) 小规模反应器的性能相似，以便工艺可以在小规模PD中优化，并扩大到更大规模的反应器。”
虽然SUB主要是搅拌罐，固定床生物反应器是另一种大型生物反应器类型，Chatel说。这些固定床生物反应器比同等的搅拌罐要小得多，即可达到同等的产量。SUB和固定床都配备了一定的技术，以控制细胞培养的基本需求 (pH值、溶氧、温度)，但除了基本的生物反应器功能，过程分析技术(PAT)也在日益发展，并被用于提供更复杂生产参数的自动化检测，如产品滴度和代谢物浓度，Chatel解释道。
Chatel强调，在所有情况下，允许实现高密度细胞培养的操作环境都需要足够的气体供应，如前所述，kLa，这必须通过鼓泡或气体覆盖来实现。同时，必须确保控制泡沫形成以及二氧化碳脱气，以防止细胞毒性作用。Chatel说：“良好的混合确保了营养物质和气体的均匀可用性，这是成功[生物反应器]性能的关键，这必须通过仔细研究的混合环境来确保。”
最后，制造商必须确保未来的SUB是一个能够顺畅地规模放大和缩小的产品家族。Chatel总结说，这种整体的方法将使最终用户能够成功地从开发转化至商业化生产。
原文：F. Mirasol, “Large-Scale Single-Use Bioreactors Prove Mettle Amid Growing Demand,” BioPharmInternational 34 (10) 24–28 (2021).
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