细胞治疗制造的进化 - 一个光明的未来
本文节选自《The Evolution of Cell Therapy Manufacturing: Part II – A Promising Future》，由于水平有限，详细内容，请参考原文。
简介
在第一部分《细胞治疗制造的进化 - 早期和现在的程序》中，我们介绍了被称为“细胞治疗”的相当广泛的医学治疗方式。这种多样性包括细胞的直接来源、细胞类型、所需的任何激活或工程处理、细胞培养模式和治疗适应症。文中描述了过继移植治疗早期的工艺，如Rosenberg内部生产的TIL。本文将介绍目前的做法、一般工厂要求、目前使用的设备，以及新型商业化细胞治疗(CT)设备的例子，包括那些提供半自动化和局部封闭工艺的设备。
即将到来的发展
未来将继续有更多的文件申请和大量批准，以及令人兴奋的新设备、过程监控、生产技术和工厂设计选项。细胞治疗有许多发展的方向，例如预期将从“孤儿药”适应症的自体治疗转向用于更主流疾病的异体治疗产品。载体生产的发展包括下一代病毒和非病毒载体，以及连续生产细胞系。供应商、开发商和专门的行业联盟在许多领域提供了快速的进展，例如，ARMI的BioFabUSA计划包括了组织工程和再生医学(TERM)，以推进组织制造行业。
细胞和来源
我们对骨髓移植都很熟悉，但还有很多其它细胞治疗方式也引起了广泛的关注。CAR- T和干细胞疗法的应用终于取得了功能上的成功。这里，视网膜变性、皮肤创伤、心脏梗死和骨骼肌再生的治疗进展显示出极大的希望。
T细胞受体(TCR) T细胞方法正在取得进展，但仍存在挑战，包括对移植物抗宿主病(GvHD)的担忧。它们的发展有很多原因，包括靶向特定实体瘤独有的蛋白质的能力等等。CAR技术正被应用于其它免疫细胞，如自然杀伤(NK)细胞，有可能提供如下益处，比如降低自体治疗中的CRS和异体治疗中的GvHD，激活细胞毒性活性的多种机制，容易靶向多种抗原，并增加实体瘤的浸润。针对转染和扩增技术的担忧正在被克服，但障碍仍然存在。另一种替代T细胞的方法是携带CAR的巨噬细胞(CAR-M)。事实上，FDA已经批准了一项实验性新药申请，CT-0508，其靶向过表达HER2的实体瘤。
最后，细胞治疗中细胞的来源也在不断发展。越来越多的细胞类型可以有效地从患者身上获取，用于自体治疗方法。将从尸体和人类胚胎中提取的细胞用于异体治疗引发了法律和伦理问题，因此人们正在做大量工作来最终确定人诱导多能干细胞(hiPSC)的应用，因为它们具有这样的治疗潜力而不存在社会问题。
过程监测
许多技术上成功的细胞疗法能够成功商业化的关键，是在整个生产过程和QC放行过程中及时提供关键质量属性(CQA)信息的能力。实时过程反馈对于确保生产成功的过程控制至关重要，但在细胞治疗领域，由于检测时间长，某些值的反馈往往会延迟。
重要的初始值包括DO、pH、温度以及活细胞密度等培养参数的实时结果，这些值可以通过探针在线提供。其它参数，如细胞活性百分比、葡萄糖和乳酸、以及电解质，可以通过近线自动化分析仪，以接近实时的方式，可靠地报告。然而，诸如细胞生物标记物和培养基成分等信息，必须通过离线分析提供，并伴有延迟。
由于细胞是产物，许多MAM (多属性方法学) 方法不能直接应用于细胞治疗，而流式细胞术、液相色谱和免疫化学提供了更深入 (通常耗时) 的分析。但是，基于质谱的蛋白质组学和代谢组学，甚至新的毛细管电泳和质谱(CE/MS)仪器正在提供新的在线数据。
许多实验和生物信息学方法已经被开发用于表征人类细胞库的特性，但由于对生化特性与细胞功能的功能相关性了解不足，其应用可能受到限制。
数字化
由于制药行业的复杂性和高度监管的性质，制药行业在整合许多先进数字科学应用方面一直进展缓慢。行业希望有证据能够表明，新的应用是实用的、强大的和稳健的。但是，我们已经看到诸如无纸化操作和系统、数字化工艺内和工艺间通信、以及可编程逻辑控制器(PLC)在自动化生产中的使用的逐步形成。工业4.0和数字化生物生产应用现在正在影响工艺和工厂发展的各个方面[表5]。熟悉最新数字健康技术的人通常会想到远程医疗、可穿戴技术和计算机辅助诊断等应用，但计算机模拟、建模和机器学习等技术现在正在涌现，以模拟基于细胞治疗的生产过程和健康相关的结果。这些先进的模拟技术可以被复制，并针对细胞治疗的特定类型进行定制，这些模拟影响着开发商的产品开发、运营和质量系统的本质。他们支持诸如过程分析和自动化、减少人员调查和临床决策支持系统(CDSS)等目标。
所谓的“智能制造”将为细胞治疗提供从供应链管理、运营控制到最终产品跟踪和追溯的制造过程的数字化集成。它的实现手段包括机器学习(ML)、物联网、实时和集成的大数据分析；自动化、机械化和信息物理系统；增强现实；基于云的ERP与边缘计算；以及数字孪生在设备和操作建模中的广泛应用。正如我们在电子和汽车行业中所看到的，我们预期生物制造过程的转型即将到来，事实上，我们看到工艺开发和工厂设计的相关人员正朝着这个方向前进。
三维计算机辅助绘图(3D CAD)和建筑信息建模(BIM)，提供虚拟设计和施工(VDC)和离散事件模拟(DES)软件，支持集成多学科性能模型，正在改变工厂设计和施工的面貌。这些技术数字化地模拟建筑和车间结构、过程流和建筑施工程序，同时结合场地、工艺、材料、人员流、时间表、预算和其它信息来数字化地规划出建筑项目的所有方面。
这些模型支持跟踪、优化和验证建设过程，同时使浪费最小化，并简化设计验证工作。我们甚至在施工项目中看到了4D规划施工方法动态模拟和进度可视化模拟，提前预警时间冲突，而避免在施工现场遇到这些问题。
多云（Multi-Cloud）
我们预计EDGE (增强型资料传输)分析将从本地传感器、离线分析以及远程工厂产生的数据集提供快速结果。它们支持提高生产质量、检测性能恶化、并降低失败的风险。特别是对于细胞治疗，它可以在远程站点之间实现高效的运输、物流和生产计划。
多云（Multi-cloud）是任何生产工作的未来，特别是像自体细胞治疗这样依赖信息的活动。它涉及在单一网络架构中利用多个云计算和存储服务。我们可以设想一种软件即服务(SaaS)、平台即服务(PaaS)以及基础设施即服务(IaaS)模型的组合，该模型协调临床数据、跟踪和追溯、生产调度和控制，以及质量和法规遵从性。似乎这里剩下的唯一挑战是数据管理和安全。
人工智能
人工智能系统(包括机器学习系统)可赋予工艺设计和操作在许多方面的能力。在工艺开发方面，除了速度和效率之外，人工智能还使细胞样本的多组学分析的解读等新进展成为可能。人工智能赋能的生成设计算法，可在多维设计空间内，基于一组性能目标和约束条件，产生许多可行的解决方案或结果。这些设计可以根据过程中不同方面的输入进行操作。在细胞治疗中，它们可以包括诸如物料和设备状态、初始样本临床来源和操作性能差异、财务、监管和质量约束，以及到达时间和计划/产能因素等输入值。
在操作过程中，人工智能赋能的传感器数据分析(包括软传感器)，可以检测出常规工艺输出的模式和偏差。基于人工智能的过程在硅建模可以预测未来的过程值和产品水平，支持下游操作和过程控制决策。在基于细胞的操作中，人工智能支持的机器视觉可以在过程中质量低于预期时发出警报，触发警报以避免故障。
个体患者细胞样本的不同特性带来了过程控制的挑战。目前，关于如何响应正常条件下培养问题的决策，由各个操作人员基于其累积的经验和“隐性”的知识而做出。这种方法的缺点是，例如，缺乏转换间的一致性，以及在持续工作中获得的“智慧”的缓慢性和不完整的分配。人工智能有望提供更高层次的分析，同时以更一致的方式纳入更多受监控的变量。在提出这些建议时，它还可以提供从各种来源吸收新信息(和理解)的潜力。
即使是在更大规模的异体治疗设计中，人工智能在大量不同数据中发现特定模式的能力，同时消除冗余或无益的数据，也将支持快速、经济的质量控制流程，以及基于数字孪生的预测和事件控制等目标。它可以帮助维护隐私和数据安全，跟踪和追溯进、出货物，以及操作数据的一般来源、传输、认证和验证。
自动化、半自动化和机器人
在目前的大多数实践中，训练有素的工作人员需在高度分级的车间中，针对每个患者的治疗花费数周的时间，在一个通常每年只能提供1000剂药物的昂贵工艺中，产生大量的操作数据。自动化将是未来的答案，在食品和电子领域看到的解决方案正在被整合到一般的生物生产中，而特定的实施工作将对工艺开发(PD)和操作车间的活动产生特别的影响。
初始工艺采用了许多开放培养操作和样品的手工处理。这种方式容易受到环境参数的影响，如温度、暴露于有害生理条件的持续时间以及变化的水动力条件。这种变异性导致了批间和操作人员之间的变异。自动化可以通过精确的机器人动作和准确的时间，消除即使是高度熟练的员工也可能产生的主观和波动的表现。自动化还可以提高工厂或全球站点的操作员之间和批次间的可比性。
此外，手动操作可能导致工艺变异性、违反SOP、以及跨样品污染的可能性，也是颗粒物和外源性污染物的来源。我们现在已经看到可以实现多个工艺步骤自动化的独立设备，这些功能性封闭且自动化的处理舱在这个领域提供了很大的帮助。然而，由于细胞治疗的特定原因，如患者细胞的多样性，可能会形成不总是那么容易集成的工作流步骤。现有的“单箱”（single-box）自动化方法提供了许多值，但在选择对正常过程产生干扰的变量的响应方式时可能存在显著的局限性。自动化程度更高的机器人生产不仅可以提高工艺的可靠性和效率，还可以提供目前固定流路设计无法提供的灵活性。
新的自动化可能性支持安全且有效的治疗产品的监管目标，更好地控制无菌性和微粒，降低不一致性和错误，改善记录保存和保留，以及提高产量和性能一致性。诚然，手工工艺提供了即时的灵活性和有限的培训成本，但生物生产自动化的长期价值是不可否认的。
机器人操作提供了可长期持续的最佳细胞处理条件。自动化系统占用的空间越小，单位工厂占地面积的产量就越高。机器人精确而准确的表现所具有的“不屈不挠”的特性是显而易见的，但行业还没有充分认识到机器人所增加的灵活性以及降低的培训所带来的好处。虽然需要程序员引入一个新的工艺，但最终，培训人员、手册和他们的管理的数量将大大减少。
我们看到了支持不同目标的压力，如基于产品 vs. 基于平台的方法、标准化设计和可定制的工厂。先进的设计和工程实际上可以同时解决所有的问题，因为一次性使用物料工艺设计可以具有高度的产品特异性功能，但也可以包括使其非常“定制化”的功能。我们现在甚至看到了许多可规模放大的、用于细胞治疗应用的“盒子工厂”产品的开发。这些进展使端到端的自动化成为可能，同时创造高度个性化的细胞疗法，包括CARX疗法。然而，干细胞治疗的供应商抱怨说，实现工艺的自动化似乎还需要数年的时间。
单个机器人可以横贯一个3D空间，从而大大节省了空间要求，否则就需要许多机械部件。一台机器可以可靠地生产许多不同的产品，且使批次间的转换时间/风险最小化。配方驱动的编程使所需的组件最少化，并提高了简单性。机器人生产线可以通过嵌入式传感器和机器视觉系统自动调整和引导，而不是通过物理调整和更换工具。机器人生产线也减少了操作人员发生安装和清洗错误的机会。
运营总结
为车间和工厂设计提供灵活性的创新，通常可以归类为技术、设备和工厂的发展。随着越来越多的产品获得批准，开发商和监管机构都更愿意采用新的规模放大或规模扩展工艺技术和设备，并应用更新的车间设计方法。这不仅包括针对工艺技术的现状进行设计，还包括随着新设备、工艺优化和规模考虑的出现，对工艺和产品进行“未来验证”，以支持工艺和产品的发展。监管机构现在已经认识到这种工艺开发灵活性的必要性，并接受即使在试验开始后仍需要继续进行工艺设计。
细胞治疗开发商正在解决的新方法，包括工艺[表4a]、生产车间 [表4b]和设施或工厂 [表4c]中出现的方法。由于其强大性和新颖性，数字化或“4.0”的发展将分开讨论[表5]。
表4. 支持新型细胞治疗产品开发的工厂特性
工艺
工艺开发灵活性，甚至支持在开始试验后，继续进行工艺设计 更高的自动化，以提高效率，降低循环时间和人员需求 客户特异性物料低温运输、登记和来源的系统化 包括医院、诊所和制药工厂计划的灵活性和工艺适应性 新的功能，包括封闭和无菌自动化设备和方法 改进的(更简单和更有效的)载体生产方法
车间
先进的微方法(实时事件监控)和CCIT 宴会厅车间设计，支持嵌套式环境分类 工艺特异性一次性使用系统的商业化 连续工艺和持续的工艺验证 先进的连接器，包括无菌接头和NTT 环境嵌套支持系统，包括模块化和对接 - 集成细胞培养隔离器 支持过程增强和未来扩展的灵活、模式待定车间
工厂
有效支持新型“单盒”（single-box）细胞处理系统 预制和模块化的工厂结构和设备 4.0系统设计/方法，包括深度学习人工智能
表5. 数字化赋能的 (" 4.0) 空间支持
针对工艺研究、开发和技术转移的网络化车间 仓储和生产自动化和机械化 控制入库/出库产品 人工智能增强的数字孪生建模警报和控制 集中式PD、物料供应、运营控制 瓶装产品的包装、贴标和储存 带有无手套隔离器的灵活机器人线 自动化、机械化、多关节型机器人 人工智能辅助的机器视觉检测 监控、分析、计算能力 优化的数据管理和可追溯性 优化的数据安全性和传输 开发深度学习应用 SU物料的仓储和库存 实时评估和/或放行 离散事件模拟建模 先进的大数据MRP和ERP
自体疗法的物流和流程仍然比其它疗法复杂，但创新技术的发展正在支持“简单性”的确立。这里，商业化的预灭菌、一次性使用和即用型部件正在帮助提供针对特定工艺的系统，支持更高的效率和安全性，同时降低人员要求。
前文已经对细胞治疗方式的数量和多样性进行了介绍。但是，就像在许多新兴技术中一样，即使是大体相似的治疗方法，目前研究人员所采用的物料和操作也存在显著的多样性。这种多样性也存在于治疗药物开发商的生产工艺中。预计优化并经过验证的生产技术和工艺流程的出现将有助于相对更宽松的监管和更有效的工艺设计和文件提交。另一个相关方面是，目前基于医院的物料、准备工作以及运输的多样性预计将逐渐向公认的最佳做法集中，这不仅将提高效率，也将提高来料样本的一致性和报告。希望我们能很快从一个以创造性和创新为主的时代(支持设计的进步)过渡到更加统一和标准化的时代(支持互换性和稳健的采购)。
工厂
总的来说，细胞治疗工艺和生产工厂设计的未来有一些不同的愿景。目前，我们仍然可以看到针对其它目的而建设的工厂被改造用于细胞治疗的生产，在置于B级车间的生物安全柜（BSC）内进行操作。这可能会继续是一种流行的方式，或者我们会看到同样的设备更多地使用在由更加模块化的预制单元构成的工厂中，或在C或D级车间中使用模块化隔离器技术。
一般的无菌围护隔离器，特别是更新的集成式细胞培养隔离器，可以实现传统的、机器人的或完全封闭的细胞治疗操作。它们连续的多个模块可以进行配置，且可放大。有的提供多个对接站，以连接其它设备，并允许进行多种方式的清洁处理。它们可以简化车间分类，并支持实现单元操作或整个工艺中更高的自动化水平。最后，它们可以帮助减少需要人员培训的工艺步骤数量，并提供更高的工艺安全性。
一些针对特定用途而设计的预制、模块化、受控环境舱现在在独立的ISO14644-1分类操作模块中，结合了工艺强化、自动化和直通式处理的原则。虽然目前的产品只封闭了部分工艺步骤，但完全封闭和自动化的“盒子工厂”（ factory-in-a-box）方法可以提供生产和抽样能力，可以大幅降低工厂占地面积、资本、人员需求和运营支出。
总结
细胞治疗在治疗方式、细胞类型、工程和培养、以及治疗适应症等方面将继续发生令人兴奋的“进化”。生产工厂将整合更多的4.0、盒子工厂和灵活的工厂特性。细胞治疗的未来是充满希望的、动态的和令人振奋的。
原文：W.G.Whitford,The Evolution of Cell Therapy Manufacturing: Part II – A Promising Future. CellCulture Dish, 2021.
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