生物药连续生产中基于模型的控制：技术赋能
本文节选自《Model-based Control In Continuous Manufacturing of Biotherapeutics: Technology Enablers》，由于水平有限，详细内容，请参考原文。
生物治疗领域的学术和工业研究小组对连续生产表现出了极大的兴趣。这得到了可促进连续生物工艺快速进步的技术的支持(图1)。但一个仍然存在挑战的领域是过程控制。在连续工艺过程中，需要自动控制技术和过程分析工具来监控关键质量属性，并实施实时控制决策来处理偏差。在本文中，我们将介绍了如何在各个单元操作中有效地实施基于模型的控制，以提供集成的连续控制。
图1. 针对不同单元操作的各种赋能技术
图2. 模型开发概况
基于模型的控制的先决条件
在任何工艺生命周期中，知识生成、监控和控制对于处理过程中的不确定性和进料的可变性都是至关重要的。基于模型的控制可以非常有效地应对这些挑战。过程模型基本上是关键质量属性(CQA)、关键工艺参数(CPP)和原材料属性之间的关联(图2)。然而，由于底层物理化学过程的复杂性，对生物技术单元操作进行建模具有不小的挑战性。由于模型遵循不同的动态路径，通常会开发过度简化的模型(由于多个假设)或高度复杂的模型。有必要考虑过程非线性、不确定性、延迟、交互作用、不可预测性和不可靠的胞内/胞间可变测量的影响。结合实时检测，基于模型的方法可以作为软传感器，并作为有效的过程监控工具。在这里，正确地应用在线传感器和过程分析工具以及不同单元操作和软件单元之间的通信是至关重要的。
此外，工程模型可以用来确定工艺的最佳操作条件。然而，多目标优化的计算量很大，其成功与否取决于模型的质量。此外，应用基于模型的方法作为数据挖掘工具，需要大型数据存储和广泛的通信，以便从任何地方都能访问数据。
不同单元操作基于模型的方法
上游生物反应器：生物反应器是生物工艺的首要操作点，所要的产品就是在这里生产的。首先要了解细胞的生长速率与细胞死亡以及细胞裂解的速率的比例，这点至关重要。在过去的几十年里，研究人员针对这个单元操作提出了各种各样的过程模型，从基于质量平衡的机械模型到基于神经网络的统计模型。然而，通常是一个艰巨的任务，因为需要开发一个复杂的生物反应器模型，且确保预测效率高，并能够充分解释过程现象。基于模型的控制器已被证明可以实现高产品浓度，并控制溶氧。另一个挑战是重复运行模型所需的高计算时间。然而，随着光谱(质量/介电/拉曼/近红外/傅立叶变换红外)、基于染色的方法、荧光激活细胞分选和过滤生物传感器方面的创新，了解细胞功能变得更加容易。随着连续工艺的实施，基于模型的生物反应器控制将变得更加普遍。
连续捕获层析：工艺层析是捕获目标蛋白、去除与异构体密切相关的聚体的关键下游单元操作。由于多根层析柱的复杂集成设置、管理滴度和质量属性变化并避免成为下游工艺瓶颈的难度，在连续模式下执行该操作可能具有较大的挑战性。一个潜在的控制解决方案是通过同时集成多根层析柱、入口、出口和阀门，来精细安排层析步骤。这涉及到使用周期性的多柱切换方法，使层析步骤能够在层析柱之间连续切换。一些商业化的连续层析系统，如Cadence BioSMB 、AKTA PCC 75 、BioSC Lab 和Contchrom多柱逆流溶剂梯度纯化(MCSGP)系统，都基于这种方法。这一单元操作的一个独特挑战来自于Protein A填料，这是这一步骤实际上的选择，恰好是整个工艺过程中最昂贵的填料，也是下游工艺成本的最大贡献者。因此，需要通过上样至动态结合载量 (DBC) 来优化填料的利用率，以达到最大使用。为了预测DBC和流穿曲线，提出了基于一般速率模型(GRM)的机械模型，用于设计和优化多柱层析操作。此外，多元方法也被用于监测层析柱的“健康”和污染。DBC对进料滴度的依赖增加了额外的复杂性，因为进料滴度在灌流过程中可能会有显著的变化，此外，也包括柱保留时间和流速的影响。
连续精纯层析：与捕获层析 (在过程中收集洗脱峰) 相反，精纯层析需要精确的洗脱收集点，因为该层析柱是管理基于大小的不均一性(聚体)和基于电荷的不均一性(酸性和碱性异构体)的主要步骤。由于在工艺过程中进料成分会有变化，因此在连续工艺过程中，对洗脱池的实时控制是一个主要的挑战。将每个洗脱池的CQA与指定的基准匹配需要灵敏的决策技能。由于柱性能随使用而下降、滴度和进料质量的变化或长时间间隔后的设备错误等现象，实现实时合并决策是困难的。基于GRM的机械模型已用于基于模型的合并实时控制。针对某些情况，已经提出了集成式多步精制层析的策略。例如，阴离子交换后阳离子交换或阳离子交换后疏水相互作用层析的整合已经被证明是可行的。
连续病毒灭活：病毒灭活涉及病毒变性，这会污染产品。病毒灭活最常用的方法是Protein A层析后进行低pH保持。该过程具有挑战性，因为病毒的性质可能因应用而异，而且相同的保持时间可能并不适用于所有应用。如果pH值没有调整正确，CQA会受到不利影响。因此，在每个循环中保持适当的保持时间和pH值是至关重要的。用于连续操作的各种技术包括使用管式/螺旋流反应器、自动化多罐系统或额外的层析柱。在连续工艺中基于模型的病毒灭活控制还有待证实。
连续沉淀：沉淀是生物药生产中一种简单、经济的分离方法，是层析的替代方法。通过以批次方式沉淀杂质或沉淀产物进行操作。两种方法都有各自的优点和缺点。在批次模式下，物料被放置在储罐中，在其中添加反应物，并去除固体。然而，在连续模式下，需要对反应物的添加以及反应的进展进行一致的监测。最近发表的关于混合和反应过程的实时控制报告说明，人们可以采取方法，控制连续沉淀。
连续过滤：全球的监管机构都要求生物治疗产品满足严格的制剂要求。作为质量目标产品属性的一部分，需要仔细监测CQA，如蛋白质和赋形剂浓度。切向流超滤常用于此目的；它可能包括多个超滤(UF)步骤，如将产物浓缩到指定的最终浓度，再进行一个洗滤 (DF)步骤，以用最终的制剂缓冲液置换工艺缓冲液，从而赋予产物所需的稳定性和渗透平衡。
在操作过程中，赋形剂浓度漂移造成了控制的复杂性。在高浓度超滤工艺中，静电相互作用往往会引起该问题。随着高浓度皮下药物制剂的日益普及，克服这一挑战是极其重要的。建议的一个有效的、基于模型的控制方式是调整DF缓冲液的组成。已经提出了多种基于针对带电颗粒通过选择性膜进行质量传输的Poisson-Boltzmann或Nernst-Planck方程的机械模型，以用于模拟高浓度UF中赋形剂的漂移。但是，校准模型参数需要大量的数据和专门知识。过程模型是高度针对性的，因为改变膜类型、膜组件的形状/尺寸、流速、压力和进料的性质，都需要重新校准模型参数。另外，模型没有考虑过程的不确定性和偏差。因此，结合机械模型的过程分析工具会是一个较好的解决方案。
作为传统批次式切向流动过滤(TFF)的一种替代方法，单通过切向流动过滤(SPTFF)越来越受到人们的青睐。SPTFF是由多个TFF串联而成的组合，是一种由单通过长流路组成的连续操作模式。它可实现低剪切应力，消除了过程中的循环罐，获得更短的工艺时间，并提供了与连续工艺链集成和高单位体积浓缩因子的能力。对于SPTFF组件的单个膜，通过模拟滤液通量随时间的变化率来优化工艺。除了设备提供的好处外，控制和监控则是相当繁重的工作。最近有研究提出了一种方法，可在进样体积或浓度出现波动时，控制连续超滤的输出浓度。该方法还考虑了不同单元操作的不同循环时间。
总结
建模和专业系统的应用是促进从批次到连续生物工艺转变的关键。基于模型的新型控制策略有助于稳定过程运行，提高效率。此外，他们支持工艺集成、控制策略开发和法规要求，从而促进产品质量一致性的实现。然而，由于生物过程的复杂性，将不同的模型集成到监测和控制应用中往往具有挑战性。本文讨论了最近开发的、旨在使生物工艺单元连续运行的技术。在后续文章中，我们将讨论连续工艺环境中的过程集成和控制。
原文：A. S.Rathore, S. Nikita, G. Thakur, Model-based Control In Continuous Manufacturing of Biotherapeutics: Technology Enablers. BioProcess Online, 2021.
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