针对生物工艺应用的中国仓鼠卵巢（CHO）细胞的灌流培养
本文节选自“Perfusion culture of Chinese Hamster Ovary cells for bioprocessing applications”，由于水平有限，详细内容，请参考原文。
摘要
过去30年，生物制药行业的成功很大程度上依赖于源于中国仓鼠卵巢(CHO)细胞系的产品。在此期间，哺乳动物细胞培养的进步来自于细胞系的开发以及适应大规模补料分批工艺的工艺优化。灌流工艺最初是针对高细胞密度和敏感产品而开发的，已经有很长的历史。在高单位体积滴度和小占地面积的驱动下，基于灌流的生物工艺研究重新获得了学术界和工业界的兴趣。最近的大流行进一步突出了强化这种生物生产选项的必要性。在这篇综述中，我们将概述该领域技术研究的历史，因其应用于CHO细胞生物药的生产。我们将在文章中介绍一些新兴趋势，并将这些趋势与商业领域的潜在驱动因素相印证。基于这些趋势，我们推测灌流生物工艺的未来是光明的，而培养基优化、连续工艺以及细胞系工程等领域具有最大的潜力。为了满足工业4.0的需求，灌流生物生产可能会成为未来几年的热门话题。
简介
目前的全球大流行突显了迅速生产生物药品的能力的必要性。在推进集成式、连续工厂的进程中，工业4.0提供了满足不断增长的需求的潜力。自世纪之交以来，生物药的商业销售额已实现多个数量级的增长。虽然有些产品可以在微生物系统中生产，但那些需要复杂组装或翻译后修饰的产品通常需要使用哺乳动物细胞系来生产。目前，中国仓鼠卵巢(CHO)细胞是主要的哺乳动物生产平台，自1986年FDA首次批准该系统以来，其流行率一直在上升。CHO已被作为多个重磅产品的生产平台，源于其良好的糖基化模式、高产量、易于修饰、且可适应悬浮和大规模培养，这也将继续巩固CHO细胞作为新疗法的选择平台。
从历史上看，补料分批培养由于工厂适配性、批次可追溯性、相对较短的操作周期以及高滴度，使其可良好适应大规模、高需求的产品，且其一直主导着该行业。虽然稳健，但补料分批工艺的规模对生产工厂的设计有显著影响，通常需要更大且更严格的布局。工艺和细胞系开发的改进、一次性技术的出现以及动态的市场变化，导致了行业对更小的强化工艺的追求。这一变化进一步反映在最近发布的关于连续生产指南的监管要求中。这包括与传统上更受偏爱的单个批次可比的批次策略的实施。
灌流生物反应器工艺不同于补料分批工艺，其可连续置换培养基，同时有选择性地截留细胞。此外，细胞废弃允许对细胞密度进行调整并清除死细胞。根据细胞的生长速度调整废弃量可以实现稳态，其中细胞持续死亡和复制，但整体培养性能和工艺参数是稳定的。这允许实现连续工艺，其已成功用于不稳定和难以表达的产品的表达，如凝血因子。除了产品质量方面的好处，灌流系统还可以达到比补料分批工艺系统显著更高的细胞密度，从而将单位体积产量提高一个数量级。灌流系统的稳态操作还允许对过程变量进行更严格的控制，从而提供更一致的产品质量属性，从监管角度来看，这是一个非常有价值的选择。然而，灌流系统增加的时间-空间产量可能被培养基体积和下游工艺需求的增加所抵消。细胞代谢、细胞密度、培养时间和生物反应器条件之间的复杂关系也使稳态难以精确监测和维持。因此，术语“假稳态”被用来描述灌流生物反应器在反应器参数和细胞或生物质密度方面被“近似”控制的状态。
哺乳动物灌流培养的想法最早是由Himmelfarb等人在20世纪60年代末提出的，但在工业化应用之前，在污染控制和操作方面遇到了很多问题。然而，生物制药行业的发展和成功推动了各种技术的改进，包括：一次性技术、培养基优化、计算机建模、监测和控制以及新的过滤装置。这些进步使灌流系统成为一种更可行的选择，使行业对这种模式的兴趣重新被燃起。在生产过程中，基于灌流的操作模式已经在各种模式中实施。这包括在N-1生物反应器中使用灌流作为一种手段，使生产反应器接种的细胞量更高，以及在该工艺的生产阶段使用灌流模式。本文将包括采用这两种策略的技术和工艺。
图1. 自2000年以来，在灌流研究中，行业感兴趣的领域。
图2. （A）不同时间段，符合“CHO细胞灌流培养”检索标准的研究文章数和在美国提交的相关专利数。（B）相关研究文章的作者单位属性。
在本文中，对近20年来灌流生物工艺领域的研究进展进行了评价。CHO细胞模型被用于此分析，以提供观察趋势的定量指标。本文的主题包括：文献综述、设置、工艺和生物学 (图1)。文章将全面分析将该技术带到当前发展状态的关键进步，并针对生物工艺的未来提出了有根据的预测。文章同时评估了近年来工业4.0和连续生物工艺驱动之间的关系，灌流生物反应器在这一转变中发挥了关键作用。工业4.0涉及从机械化的工业化过程向利用自动化和基于数据的学习的过程转变。这为实时工艺控制创造了机会，这对于基于灌流的工艺特别有益，因为这些工艺需要持续改变一系列生物工艺参数来维持操作和过程控制。
原文：M. A. MacDonald, M. Nöbel, D. R. Recinos, et al., Perfusion culture of Chinese Hamster Ovary cells for bioprocessing applications. Critical Reviews in Biotechnology, 2021, https://doi.org/10.1080/07388551.2021.1998821.
相关阅读：