优化下游工艺的分析技术进展
本文节选自《Analytics Advances for Optimizing Downstream Processes》，由于水平有限，详细内容，请参考原文。
替代分析已经不够了，因为对于高价值的产品来说，迫切需要简单、经济的实时分析。
下游工艺操作对生物药产品质量和成本有直接影响。因此，下游生物药纯化步骤的优化集中在提高生产效率和降低成本，同时保持最高的质量，这就不足为奇了。安捷伦生命科学分析小组生物药项目经理Martin Vollmer表示，目前有两个领域正在受到更多的关注，一是自动化/集成相关分析的连续生产，二是采用一次性使用技术，包括从传统的柱层析到基于膜的技术的转变。
MilliporeSigma生物工艺部门负责人Darren Verlenden补充说，由于与捕获层析相关的商品成本较高，该操作一直是改进的目标。然而，他注意到，由于复杂性和监管方面的考虑，采用先进的捕获方法的进展，如多柱捕获，比预期的要慢。重点因此转移到了流穿精纯操作。Verlenden表示:“该领域的分析需要从监控关键工艺参数转向监控关键质量属性，在线或近线聚体分析被视为一项重要需求。”
事实上，生物制药行业继续表达着对工艺控制技术的兴趣，以同时改善工艺开发时间和质量。Gamma Biosciences首席技术官Phil Vanek表示，由于目前上游生产产量的显著提高，下游尤其需要技术进步。
Vanek继续说道:“人们对自动化和连续生产的兴趣不断增加，加上先进疗法(如细胞和基因治疗)生产策略的出现，促使行业中更多链接式或连续生产方法的出现，从而允许实现更多无须看管的操作。这些方法不仅提高了成本效益，而且如果实施得当，还可以通过封闭操作和增加自动化的使用，而提高产品质量，并降低风险，”他断言。
实现高通量的潜力
Vollmer指出，分析技术的全面集成有助于提供实时答案，降低成本，避免代价高昂的失败，并使工艺更加高效。“在线和入线工艺分析技术将提供对过程和药物底物质量的持续洞察，”他说。
Verlenden总结说，总体而言，快速、高通量分析技术的整合使得能够在工艺开发中做出更明智的决策，从而优化工艺。然而，他警告说，这些旨在缩短开发时间的高通量技术的开发和分析，需要新的数据收集和处理方法来克服目前低效、主要基于手动的模式。
尽管先进控制由于各种原因而有所滞后，包括目前生产中部署的设备的多样性而导致的不同控制架构，Nirrin Technologies总裁兼首席执行官Jonathan Hartmann认为，随着新技术和市场对操作中集成控制的需求，控制方面(全自动化)将很快赶上。
此外，Hartmann注意到，特别是对于下一代疗法，过程分析不仅有望提高其治疗潜力和效力 - 这通常取决于生产过程本身 - 而且还可以通过过程一致性和控制来确保其安全性，以及通过自动化和简化生产实现成本效益。
现有技术的限制
由于中国仓鼠卵巢(CHO)细胞生产力可常规性地超过10 g/L滴度，Vanek指出，许多生物药生产商正在寻找解决连锁效应，如柱污染和蛋白质聚集。他评论道:“持续监控下游单元操作的运行情况，并在避免产物产量损失的条件下运行，特别是在经过亲和和精纯步骤后，产物价值达到最高时，这种能力是非常重要的。”
Vanek说，特别是对于先进治疗，实时监测和控制关键质量属性，如完整衣壳腺相关病毒的产量，可以对产物的效力、成本和安全性产生积极且显著的影响。
然而，目前使用的大多数分析技术仍以离线方式进行，结果无法实时获得，这导致了延迟。从工艺液流中取样，提交检测，并在数小时或数天后获得测试结果，这是目前的现状。
“使用这些技术，立即执行分馏决策或优化产品和收率是不可能的；现在的方法可以比作事后分析。”Verlenden补充道:“这种延迟阻碍了下一轮实验的决策制定，并延缓了整体开发。”
Verlenden认为，在这个时间线上的任何缩减都应该会加速开发。他表示:“随着生物药转向连接和连续工艺，实时(或近实时)监测关键质量属性的能力将进一步优化和简化关键决策点。” Vollmer对此表示同意，目标必须是在还有时间采取应对行动时取得结果。他指出，将液相层析（LC）与在线或入线光谱连接将提供这种能力。
“使用包括机器学习在内的先进分析方法，”Vanek补充道：“将提供能够识别过程缺陷和改善质量和产量的机会的数据，并为预测分析奠定基础，允许用户干预或中止可能产生超出规格结果的过程。”此外，Vanek认为，实时数据收集和分析可以与反馈控制器相结合，实现未来的自动化、‘无需手动’的过程管理。
虽然目前市场上有一些在线传感器技术，但Vanek感到遗憾的是，这些技术可能成本高、速度慢和/或复杂，而且经常测量过程中的替代事件，然后间接地与所需的指标相关联。Hartmann强调，重要的是，不仅要考虑捕获数据所需的物理时间，还要考虑分析以及将分析结果集成到实时控制指令包中，以实现过程自动化。
数字创新和分析技术的进步现在至关重要
对下游工艺过程更快、更灵活的分析解决方案的渴望正在推动创新。Vollmer表示，在实现全自动化反馈回路之前，新的“工业4.0”数字化能力至关重要。
Vanek观察到，现有的下游工艺分析的关键挑战之一是需要产品取样并离线进行分析，因为许多在线技术只测量替代分析物或不能实时处理数据。“随着新应用的开发，或现有的方法被用于在线测量，性能的改善将变得更容易实现。通过这样做，将数据集成到生产执行系统和工艺链中，以实现连续生产，并提高自动化程度，”他解释道。
Verlenden也表示同意，特别是在链接和连续生产方面的进步，正在提高人们对快速决策的期望。他指出:“如果没有分析技术的进步，这个领域的成功就不可能完全实现。”Vollmer也认为，新的、可靠的分析设备完全集成到过程中，并为此目的进行专门的设计，有助于促进技术的采用。
Verlenden说，监管也是扩大数据包要求的一个关键驱动因素。例如，实验设计（DoE）方法在下游工艺应用中需要更多的分析数据。
Verlenden表示:“从本质上讲，优化分析技术将缩短开发周期，使生产商能够加快产品上市速度并降低成本，而在未来，这些分析技术将实现基于关键质量属性的过程控制。”
实施挑战仍然存在
与任何新技术的采用一样，生物制药行业的保守本质导致了在实施更先进的、可促进下游工艺优化的分析方面比预期的行动要慢。Verlenden说:“我们的行业倾向于‘保守’地采用新技术，这继续降低了采用的速度。”
此外，也存在其它挑战。Vollmer指出:“主要是由监管限制以及实施的成本较高而造成的行业内部转换惯性，这是一个关键障碍。此外，Verlenden表示，随着分析技术从现有的离线方法转向近线或在线方法，可能会有一段时间的效率下降，例如，方法同时在离线和近线或在线运行。
Verlenden评论道：“虽然这种重复是实现近线和在线分析检测未来潜力的必要步骤，但它需要投资和接受这种中间性的低效阶段。”然而，Vollmer相信最终的回报将是更低的生产成本以及更好的药物质量。
Vanek很清楚，在受严格监管的生产环境中实施新技术可能会带来许多挑战，从老系统的数据兼容性到方法的重新验证，甚至重新确定产品的接受标准 - 所有这些都可能是监管方面的难题，甚至更糟。他解释说:“从成本和风险的角度来看，为了使投资物有所值，新技术的采用者必须有信心，即该方法将是可重复的、可靠的和可放大的，与现有方法相比，更多的信息将提供显著的优势。”
一些“运动”正在发生
进步虽然不多，但正在被引进并显示出它们的好处。Vanek表示，一些下游工艺创新受到了传统生物药生产的上游工艺改进的刺激，如生产率的提高和连续生产。他指出，需求也在增加，因为生产的生物制品种类越来越多，包括质粒、RNA和病毒载体；这些物料的物理性质使得传统的下游纯化方法具有挑战性。
“产品的多样性是推动创新的一个关键因素。使用快速方法进行实时分析，并将其集成到现有工作流程中，是另一个创新驱动因素。分析不仅要解决产品数量问题，同时也要解决产品质量问题，这可以在治疗产品放行步骤中实现实时的操作，并节约成本，”Vanek补充道。
Vollmer指出，在线LC、新的拉曼光谱解决方案、新的近红外(NIR)仪器和基于LC/毛细管电泳(CE)的分析设备针对非常特定的单属性应用。
Verlenden指出，用于生物反应器反馈控制的拉曼光谱的实现，正在通过在线分析、化学计量分析和反馈控制，帮助提高效率、产率和质量。一个具体的例子是MilliporeSigma的Procellics 拉曼分析仪与Bio4C PAT 拉曼软件，目前该软件能够使上游科学家以更严格控制的质量属性收获物料，这反过来，将可降低下游纯化的挑战。
Verlenden认为:“最终，这项技术将有助于简化拉曼光谱和其它光谱技术的未来应用，以监测关键质量属性，如浓度、聚体和制剂组成。”
更多的进步正在路上
其它技术也正在开发中，目标是将分析从离线转移到近线和在线，不仅能够监控关键工艺参数，还能监控关键质量属性。
Verlenden表示:“基于关键质量属性的过程控制将提供更多的自由度，这在今天是不可能的。例如，如果可以实时监测聚体，那么在工艺早期出现的偏差就可以决定是否需要‘返工’，或者在下游确定的参数范围内纠正偏差，以满足工艺纯度目标。这种方法代表着我们如何开发和生产生物药的根本改变，”他补充道。
Vollmer表示，安捷伦专注于在线LC解决方案的开发，因为该技术提供了显著的多功能性。“在线LC是一项非常有前途的技术，因为它能够分析多个工艺和产品相关属性。使用LC，可以检测大量的参数，并从分析中获得高质量的数据。LC也是制药行业广泛使用的技术，它可以连接到各种不同的检测器，提供不同的视角，”他解释说。
Vollmer强调，在线LC成功的关键是开发无缝插入整个过程软件环境的分析仪器。
与此同时，Nirrin Technologies利用了近红外技术的优势，包括通过将新的传感器部署设计与新型激光技术相结合，在极高动态范围下获得快速可靠的结果，Hartmann说。
期待更多的进步
虽然许多这些发展仍处于早期阶段，但参与开发下游工艺分析解决方案的科学家们继续将他们的目光投向远远超出短期内可能实现的目标。
例如，Vollmer希望看到在线LC-质谱(MS)技术用于下游工艺应用。他说:“在线LC/MS将为深入了解过程提供一个新的层面。” 然而，首先，必须提高MS的简单性和用户友好性，以便在下游生产线上工作的操作人员不是分析专家的情况下，也可以轻松地操作这些平台。
原文：C. Challener," Analytics Advances for Optimizing Downstream Processes," BioPharmInternational 34 (11) 2021.
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