详解细胞和基因治疗生产的设计和工程要求
许多生物制药行业的资深人士认为，细胞和基因治疗(CGT)等新兴疗法需要与单克隆抗体(MAb)和其它传统生物制品的生产设施有本质区别的生产设施。但设计CGT设施的经验证明，传统和先进治疗设施之间的协同效应远远大于差异。在此，我呼吁大家关注一些共同的设计关注点，并揭开CGT设施和工程要求的“神秘”面纱。
观察协同效应
许多工艺是从基于贴壁细胞系和工艺发展而来的，虽然一些商业化的工艺仍然在使用这些平台，但现在大多数项目会开始转向悬浮平台运行，因其具有可放大性和操作优势。渐渐地，病毒载体基因治疗工艺发生了转变，因此它们现在可以在小规模的单抗设施水平上进行生产。当然，基因疗法和单抗最明显的区别在于前者需要病毒载体，这需要额外的转染步骤。除此之外，基因疗法和常规生物药生产的单元操作基本类似，包括主细胞库和工作细胞库(MCB、WCB)的开发步骤、准备接种液和细胞培养，然后是多个收获液回收和纯化步骤。今天，一个500或1000 L的基因治疗操作看起来和一个小规模的单抗设施并没有太大的区别。
操作病毒载体当然会提高设施的生物安全水平(BSL)要求。这些设施必须包含合适的加热、通风和空调(HVAC)系统及控制策略，如进入和离开生产车间的正压和负压气闸。例如，病毒载体的操作需要一个负压车间，可能也需要一次性流通气流，以最大限度地减少病毒暴露时的污染风险。但总而言之，使用腺相关病毒(AAV)或慢病毒(LV)的工艺 - 这是基因治疗和基因修饰细胞治疗最常见的载体 - 必须在BSL-2环境中进行。这样的要求并不十分繁重。
其它相似之处比比皆是。MAb行业仍然经常谈论向宴会厅和舞池设计的过渡，类似的对话也发生在CGT设施设计上。但开发不同药物模式的公司在采用宴会厅布局方面仍进展缓慢。我所在的DPS 集团注意到，生物制药公司仍然致力于设计专门用于上游、下游和病毒载体操作的区域。我们还没有看到有公司在病毒载体基因治疗设施的宴会厅式设计上迈出一大步。
转向封闭式工艺
回想2017年，当DPS集团开始为自体治疗产品设计工厂时，特别是基因修饰细胞疗法，我回想起需要为许多小型单元操作进行规划。我的小组观察到为每个患者批次使用专门的B级洁净室的需求，细胞处理在A级生物安全柜中进行。而各家公司现在正在向封闭式工艺过渡。
目前，我们正在参与设计将成为欧洲最大的嵌合抗原受体(CAR)T细胞治疗工厂之一的项目。该工厂的所有单元操作将采用封闭式工艺。因此，可在C级洁净室进行。对于某些操作，该工厂仍然需要生物安全柜和层流装置提供额外的安全保障。这些商业化设施被设计为每年生产数千个患者批次。
在CAR-T工艺设施中，我们仍在处理单个患者批次。虽然设计为每年2000批相当于每天只有几批，但这些单位需要根据患者的需要进行调度。因此，工厂设计仍然必须考虑多种调度场景。但在大规模患者批次工厂中，通过适当的控制，现在可以在同一时间在一个区域处理多个批次。这样的设置与我的小组四年前观察到的有本质上的不同。封闭工艺允许在同一区域处理多个批次，只要你的隔离策略是健全的，并对风险进行了充分的评估。
此类工厂可以通过设计来防止混淆。我们采用离散事件模拟(DES)软件进行“软”建模。DES工具可以提供工厂设备利用率、物料和人员流动几乎每分钟的映射。模型的主要目的是确保所有功能区域的大小都适当。这有助于优化设备单元和生产操作员的位置。因为CAR-T工厂处理患者的细胞，这些细胞可能会受到之前肿瘤治疗的影响，细胞的生长情况可能在不同批次之间有显著差异，从而导致不同的批次持续时间范围。达到所需的细胞密度，细胞扩增步骤可能从5天到15天不等。因此，一个工厂中工艺设备单元的数量必须基于样本可能到达的时间以及每个患者的细胞扩增需要多长时间的概率进行统计建模。DES软件还可以实现多个批次如何串联移动的可视化，以确保没有物料交叉。原则上，代表多个患者批次的多个细胞工艺单元操作可以在一个给定的车间中进行操作(假设我们处理的是单个病毒载体)。
封闭工艺技术仍在不断发展，一些供应商在这一领域处于领先地位。Miltenyi Biotec、Cytiva和Terumo BCT是几家在封闭式、半自动化工艺方面处于领先地位的供应商 (图1)。所有这些公司都有封闭式独立工艺单元操作，且正在进行新的开发工作，以创建一个封闭的、端到端的工艺。尽管封闭工艺设备有了显著的改进，但许多CGT开发商仍期待着自动化的进步，以促进端到端工艺。这样的发展将需要生产组织、设备供应商和技术开发人员之间的合作。
图1:通过无菌焊接断开采样袋，以保持Miltenyi Biotec CliniMACS Prodigy系统内的封闭环境。
监管预期可能会使工厂设计的计算复杂化。DPS集团最近帮助在欧洲设计了一座用于从美国转移的自体CAR-T工艺的工厂。在项目的可行性分析阶段，我们利用了另一座已获批准的欧盟CAR-T工艺设施的数据，我们的团队曾与该工厂合作过。这就对每个车间处理的患者批次数量设定了较低的限制。较低的数字是为了回应当地监管机构对之前项目的挑战。然而，基于我们对新工厂的一些设计改进 - 在C级洁净室中操作的封闭工艺步骤，以及对身份链(CoI)、批次隔离控制和追踪方案的强大管理 - 我们最终被允许将每个车间的患者批次数量增加到旧工厂允许数值的三倍。这个例子展示了CGT设计的发展过程是多么的迅速。
总而言之，封闭工艺并不允许工厂设计“放任自由”。可以同时处理的批次数量因产品类型、工艺设计和监管要求的不同而不同。
很少考虑的风险
设施设计需要彻底理解工艺需要如何工作。设计团队必须考虑到所有的邻接关系。他们需要知道一个操作将通过一个具有最小潜在产品混淆和污染事件的设施。因此，很多工作都要考虑到物料和人员的流动。
改造还是重新建造？如今，CGT操作的设施设计通常包含专有的模块化洁净室系统。许多模块化设计包括使用冲洗装置面板的墙壁和天花板系统。这种材料在装配时就固定了，但很容易拆卸。它们也被设计用来应对大量的清洁和消毒。
从设计的角度来看，改造老设施和建立新设施需要类似的规划。改造仍然需要您拆除现有材料，然后使用专用面板系统和新的暖通空调系统重建您的洁净室环境。通过参与许多这样的项目，我的团队注意到，对早期临床设施的改造要求往往会出现。另一方面，商业化规模的经营主要要求使用新的、针对性的设施设计。
一次性使用和生物安全：SU系统可能会对改造设施造成意想不到的问题。CGT操作会消耗大量的SU袋系统、管路套件和过滤系统，所有这些都必须在适当的区域进行“装配”，然后进入C级或B级洁净室。套件通常在C级环境中准备，其中一些套件可能需要转移到B级区域。但在没有充分擦拭和净化的情况下转移它们可能会产生环境偏移。当在C级区域进行准备时，必须在层流气流下仔细地将套件装箱，并且必须特别注意套件去污的空间。这些考虑在工厂设计中是至关重要的，但很少受到注意，直到问题出现。
对这些复杂问题的认识来自于经验。一个DPS团队正在参与启用一座可用于商业化异体干细胞疗法的工厂。操作是从另一个生产中心转移过来。新站点是从供方站点的直接技术转移，因此所有生物工艺都是在位于B级房间的A级生物安全柜内进行的。在工厂启用期间，必须充分考虑在B级房间内外移动套件的方案。未来的阶段可能会有一些设计修改，所有的部分都是通过经验学习的，以实现下一代更有效地设计。
该工厂的情况正在发生变化。为了确保进入B级环境的材料得到净化，团队正在探索紫外线气闸，甚至是汽化过氧化氢(VHP)传输隔离模块，以进行无菌传输。该项目的后续阶段将把剩余的开放工艺步骤转移到C级洁净室的隔离器中；在B级洁净室内的安全柜中进行手动操作会造成产品风险。同样，这些问题是重要的，但通常没有得到注意，直到工厂资质确认。积极主动的工厂设计是必要的。
虽然CGT工厂设计必须考虑到多个风险，但主要的考虑是此类药品不能进行最终除菌过滤。工程师必须依靠设计要素、工艺设备和洁净室的完整性来确保产品的无菌性。这个因素部分地解释了为什么CGT公司 - 尤其是那些生产细胞疗法的公司 - 正在向C级洁净室的封闭工艺转变。同样地，监管机构也要求灌装工厂采用隔离器技术，为CGT产品提供最高水平的保护。
如何处理废物？每个工厂必须以不同的方式处理塑料垃圾，特别是受病毒载体污染的塑料垃圾的管理。一些CGT公司更喜欢建立现场净化能力；另一些公司则把所有东西装袋，然后把垃圾移到别处去消毒。无论偏好如何，处置工作都必须加以审查。内部废物管理需要特殊的净化区域，容纳大腔高压灭菌器。即使废物转移到别处进行净化，也需要建立具有隔离的双向分级区的流道。因此，CGT工厂设计不仅必须考虑进厂材料和出厂产品，而且还要考虑废料从生产车间的移动。
有些公司比其它公司更全面地了解材料、人员、产品和废物的流动。我们位于马萨诸塞州波士顿的团队经常与位于剑桥附近的初创公司合作。许多这样的公司需要指导，因为他们的工艺以前是基于实验室规模操作的，不一定遵循当前良好生产规范(CGMP)。我们与CGT新入局者密切合作，以确定最佳的工作流程。
像我上面提到的CAR-T开发商这样的大型组织已经为类似的产品构建了设施。这些公司可以利用过去和现在的经验。但即使是大型组织，我们仍然会对设计假设进行挑战，以识别风险并进行更改。我们几乎对每个项目都进行了更改，在一开始就应该考虑但没有考虑的因素可以在未来的设计阶段或未来的项目中实现。
监管的细微差别：CGT工厂设计需要仔细考虑监管标准。考虑HVAC系统，根据国际标准化组织(ISO)方案，通常将其划分为ISO-7或ISO-8系统，根据欧盟GMP标准，将其划分为D、C和B级系统。在某些情况下，ISO分级在欧洲不能直接转化为特定的等级。欧盟的GMP标准可能比美国的标准更加繁琐。例如，如果一个HVAC系统在美国按照ISO-8标准运行，那么将其转移到D级洁净室环境在欧洲可能是不可接受的。欧盟监管机构可能更倾向于在C级区域进行操作。
风险评估工具
工厂设计项目通常遵循“门径管理流程”，即从高层次的可行性研究开始，然后逐步进入更详细的规划。设计概念阶段仍然从高水平检查工厂计划，可视化生物工艺工作流程，而不是绘制管道和仪器图(P&ID)。概念设计使资本估计的误差范围在±20%以内，而在后续阶段所做的估计误差范围在±10%以内。
我们通常在设计概念阶段与监管机构接触，讨论我们的工艺流程看起来像什么，工艺将在哪里开放和封闭，我们将在哪里制定围护和气锁策略，等等。我们尽早评判所有这些考虑，以便我们知道 - 当设计还在纸上时 - 项目正朝着正确的方向发展。有时监管机构会发现关注的领域或鉴别需要改进的工艺流。
虽然可以使用失败模型和影响分析(FMEA)来进行风险评估，但我的团队应用CGMP模板，该模板对工艺的每个方面提出了详细的问题，包括从物料到达工厂到成品离开时如何处理物料。这篇评论描述了单个起始/原材料的处理、设计属性以及针对工艺、数据采集和分析的控制策略。
过程建模：DES软件促进了自体细胞治疗设施的过程建模，因为它非常适合处理多个单个患者批次的复杂情况。对于病毒载体基因治疗，我们使用其它强调设备尺寸和占用的建模工具。Intelligen的SuperPro Designer和SchedulePro软件包是强大的工具，可绘制工艺流，评估质量平衡，确定设备和公用设施的规模，并识别工艺和设备冗余。
自体细胞和基因治疗产品的设施趋向于实用性。它们在较小的单元操作内进行小规模的操作。因此，这些设施通常不使用与公用设施挂钩的系统，以提供在位清洗(CIP)液体等用品。但是SuperPro Designer和SchedulePro软件包对于建立大规模(1000 - 2000 L)运行的病毒载体和基因治疗设施非常有价值，并且需要更广泛的公用设施使用。
小体积无菌灌装
优化小规模灌装：CGT无菌灌装操作的设计考虑可能是极具挑战性的。可以灌装的瓶或袋的数量将因产品和工艺的不同而显著不同。例如，因为CAR-T操作倾向于针对每个患者生产一批，它们提供相对较少的药物产品。但是，在灌装机制中，如何以成本高效的方式进行小批量无菌灌装，并且不冒产品损失的风险？到目前为止，标准做法是在B级环境中的生物安全柜内进行人工灌装，但监管机构对这样的方法表示担心。审查员将期望灌装在隔离器中进行，且人工操作最小化。
新的设备设计被证明在处理小体积灌装或低产品数量方面相当完备。例如，Crystal M1灌装站(Aseptic Technologies)提供了一种符合CGMP的机器人解决方案，可以安装在生物安全柜或隔离器中(图2)。
图2. Aseptic Technologies的Crystal M1灌装站旨在满足小规模、当前良好生产规范(CGMP)要求的药品灌装需求。
在500L、1000L甚至更大的规模条件下运行悬浮工艺的病毒载体和基因治疗工厂可能需要置于隔离器内的模块化机器人灌装单元。其中一项技术是SA25无菌灌装工作单元系统(Vanrx Pharmassystems，现为Cytiva子公司)。小规模机器人灌装技术现在正进入主流。这一发展可能对CGT行业有利。
GMP符合性：规范新出现的灌装装置可能会带来挑战。例如，在2017年，DPS领导了一个专家团队对Vanrx的工作单元技术进行审查。当审查员观察到隔离器缺少端口时，我们受到了挑战。制造商如何安装沉降盘进行环境监测呢？然而，与所有新设备一样，风险评估是至关重要的。自那次审查以来，该技术已获准在一些监管区域内使用。
这样的问题突然出现，部分原因是新的灌装解决方案正试图跟上CGT的发展步伐。与传统生物药相比，CGT的商业化时间线要快得多，CGT开发人员通常认为，风险最低的方法是继续使用他们在研发阶段使用的技术和工艺。有时候，这些设备还不能用于GMP生产，但CGT开发人员不愿意改变任何东西，因为他们想要快速进入市场。
许多小规模的灌装解决方案没有准备好用于GMP生产，这也部分解释了为什么许多CGT公司仍求助于开放式工艺。然而，设备供应商正在与CGT公司在商业化旅程中密切合作。我现在的一个客户是一家欧洲的创业公司，他们开发了一种创新的细胞疗法。该公司希望建立一种端到端的工艺。一家与我的客户协商过的设备供应商似乎在端到端工艺方面领先于其它供应商，但客户的研发团队使用了另一家供应商的技术开发其治疗方法。最终，客户选择与原来的供应商密切合作，封闭这个工艺，并提出一种端到端的解决方案。
这个例子表明，CGT开发商和技术供应商之间的合作将是生产和商业成功的关键。这种伙伴关系已经在发生，工艺优化也在迅速发展。最终，设备供应商将在推进端到端CGT解决方案中发挥重要作用。
供应商也表现得比以往更了解监管方面的担忧。这些公司正在考虑监管程序以及对开发和优化的预期。监管机构对工艺创新表现出了更大的接受程度，他们认识到，即使一项新技术在第一代中可能并不完美，但只要能够管理风险以确保患者安全，它对进步的推动就会超过其缺点。第二代模型或技术正在开发中。患者的安全是最重要的。改进将会及时到来。
有持续需要的领域
封闭式、自动化、端对端工艺是生物制药工厂设计的“圣杯”，而我们正接近实现这一前景。对于细胞治疗和基因修饰细胞治疗工艺，很多公司正在致力于可能改变游戏规则的解决方案。端对端工艺将使CGT生产适应宴会厅式配置。自动化不仅将人工干预的风险最小化，而且还将帮助公司实现产品成本(CoG)和劳动力成本的显著节约。
可放大性仍然是CGT的痛点，尤其是对于细胞疗法。CAR-T工艺目前可以规模扩展，但不能规模放大。虽然封闭式端到端工艺是理想的解决方案，针对堆叠工艺单元的创新方案可以帮助缓解相关的设计挑战。Cocoon细胞治疗生产系统(Octane Biotech，Lonza子公司)在这方面可能是一个重大的成就。然而，细胞治疗行业需要更多选择来帮助它实现规模放大，而不仅是规模扩展。优化的可放大性将帮助实现设计更整洁、空间更节省的工厂设施。
原文：S.Cooke, Facilities for Novel Therapies: Demystifying Design and Engineering Requirements for Cell and Gene Therapy Production. BioProcess International, 2021.
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