保障生物工艺的未来
本文节选自WuXi Biologics周伟昌博士发表的文章“Secure the Future of Bioprocessing”，由于水平有限，详细内容，请点击左下角“阅读原文”查看原文。
WuXi Biologics强调了采用连续生物工艺、一次性使用系统、数字化技术以及人工智能的重要性。
自1986年首个单克隆抗体(OKT3)获批以来，FDA已批准了100多种基于抗体的治疗产品，包括单克隆抗体(mAb)、融合蛋白、抗体-药物偶联物(ADC)和双特异性抗体(bsAb)。
特别是，自2014年以来，已有超过70种基于抗体的治疗性产品获得批准，包括许多畅销药物，如肿瘤坏死因子-α (TNF-α)、PD-1和PD-L1抗体。预计2021年全球生物药的销售额将超过3000亿美元，近年来，生物药开始主导所有药物销售。例如，在2021年前9个月，销售额前20的药物中有13种是生物药，包括两种基于mRNA的COVID-19疫苗和10种基于抗体的产品。
生物药是由活细胞生产的、高度复杂的分子，通过多个步骤的制造过程进行纯化。这些分子的关键特征，被称为关键质量属性(CQA)，可以因为细胞环境或随后的生产过程中发生的翻译后修饰而变化。因此，工艺定义了产品，在许多情况下，可以说“产品就是工艺”。
回顾过去的几十年，尽管面临许多技术和监管挑战，我们的行业在开发原料药和产品工艺以及生产这些拯救生命的生物药的分析方法方面的能力和努力是巨大的。
以经济高效的方式确保产品质量和稳定供应的四个主要挑战(见下文)将继续推动生物工艺创新，因为我们寻求开发新的生物药，并以更快的速度和稳定的质量生产它们，特别是为了抗击大流行疫情。
加快从想法到临床批准的时间
自COVID-19出现以来，我们的行业一直在展示其快速协作行动的能力，它加快了多种疫苗(包括两种基于mRNA的疫苗)和生物药 (包括数种mAb) 的开发和生产。
为了加快针对COVID-19的多种中和mAb的开发时间线 (从DNA序列到IND状态，并最终获得批准)，我们的行业在不影响产品质量和安全性的情况下，采用了集成式和变革性的方法。从DNA到IND的时间缩短到3-6个月，中和mAb在14个月的时间内完成了从DNA到EUA的开发。几个月内生产了数千公斤产品以用于全球的治疗应用。
最近在与大流行有关的治疗方法上取得的这种前所未有的速度可能会开始彻底改变生物药的开发，并成为未来生物工艺的一个主要特征。除了继续应用创新技术以缩短开发时间线外，未来的生物工艺开发将侧重于进一步降低生产成本。新的、更小的“未来工厂”将利用集成式连续工艺、一次性使用系统以及精细的数字化、自动化和人工智能工具，以提供更大的灵活性、更高的生产力、更有效的空间利用，并降低商品成本。
COVID-19响应措施推动的生物工艺改进可能有助于推进开发其它更复杂的生物药，包括ADC和双特异性或多特异性抗体。从快速开发COVID-19疫苗和生物药中获得的知识和经验的更直接应用包括开发新疫苗和治疗性生物药，用于抗击COVID-19以外、威胁生命的疾病。新疫苗和生物药的开发不再需要10年左右的时间。
自治疗性生物药问世以来，为了提高生产力和效率，生产细胞株的筛选策略一直在不断改进。这些最新的进展使我们能够重塑化学、制造和控制(CMC)策略，从而在短短3个月内提供临床物料。
DNA合成前密码子优化是获得高蛋白表达水平的常用方法。它的算法来自特定宿主细胞株的专用密码子和密码子对的使用，可能比来自基于广义物种的密码子使用数据库的算法更有效地提高给定宿主细胞株中的蛋白质表达。此外，定制化密码子优化工作在整个开发过程中都是有用的，因为该策略对瞬时和稳定细胞系表达系统都是有效的。
随着近年来CMC开发时间线的加快，使用文库物料进行毒理学研究已获得全球监管机构越来越多的认可。因此，选择与毒理学研究所用物料具有相似产品CQA的最终克隆至关重要。而且，重要的是，采用基于下一代测序(NGS)的cDNA，而不是采用液相色谱-质谱(LC-MS)的肽图谱，快速筛选早期开发中使用的文库物料细胞中没有任何序列变异的克隆。在克隆筛选过程中，可以同时进行细胞系稳定性传代，进一步缩短时间。
当开发这些复杂分子时，重组蛋白常被截断或剪切。这给下游纯化带来了挑战，导致产量较低。批量再补通常应用于细胞系筛选的早期阶段，以筛选剪切较少的克隆，再次证明了在开发早期了解产品和工艺的进步可以帮助在开发后期节省大量的时间、成本和精力。
连续生物工艺和一次性使用系统的更多采用
连续生物工艺将越来越多地应用于各种生物药的生产，包括mAb和bsAb、融合蛋白以及重组蛋白。连续工艺的建立代表了该行业正在进行的转变，以满足对高质量、高体量和可负担生物药日益增长的需求。
在上游工艺方面，灌流培养已被广泛应用于临床和商业化生产。灌流培养在产量、质量、灵活性和成本效益方面明显优于补料分批培养。一个成熟的灌流培养系统，如WuXi Biologics的Ultra-High Productivity Platform（超高生产力平台），或WuXiUP™，相比补料分批培养，几乎可以使任何类型生物药的细胞密度和生产力提高5 - 10倍。此外，利用连续产物收获可降低产物在生物反应器内的滞留时间，从而提高产品质量。
得益于一次性使用系统、流穿式层析以及单次通过切向流过滤技术的发展，集成式连续下游工艺已经在实验室或中试规模中实现。然而，针对大规模条件中应用的全行业投入仍较落后。
在大规模生产环境中，需要提高下游生产力，以跟上上游生产过程中表达滴度的显著提高，后者可使用自动化的稳态灌流培养，结合连续的无细胞收获和延长的收获时间而实现。
国际协调会议(ICH)最近发布了原料药和药物产品连续生产的Q13指南草案。目前正在对该指南的评论进行审阅，行业广泛预期该指南将激发人们对使用连续工艺方法开发和生产生物药的兴趣和努力，但这种方法将严重依赖部分集成或完全连接的连续下游单元操作。
对于这两种下游连续操作选择来说，一个可预见的瓶颈是缺乏具有成本效益的现成或定制的过程分析技术(PAT)工具和用于过程监控以及实时控制的自动化系统。通过仪器和自动化控制解决方案提供商、学术界、工程师和生物制药行业的共同努力，这一瓶颈可能在不久的将来会得到缓解，从而实现完全连续下游工艺的更广泛应用。
借助先进的细胞系开发策略和优化的细胞培养基，细胞培养的滴度不断提高，对占地面积更小的生物反应器的需求将会增加。这再加上连续工艺，将进一步促进一次性使用系统的采用。
通过在其它单元操作中扩大一次性技术的使用，如引入一次性切向流深层过滤系统和一次性离子交换膜层析设备，可以实现完全一次性的生物生产过程。一次性技术还可以实现新的工厂设计，如模块化生产单元，其可提供灵活的产能，缩短上市时间，并简化产品之间的转换，同时最大限度地减少交叉污染。
现在有一个强大的趋势是趋向于强化的连续系统，其可通过这些方法来提高生产力。完全连续的工艺可以通过工艺集成和协调不同的单元操作，以实现最小化的滞留时间和最大限度的生产力。通过连续生物工艺，可以生产出大量的产品，同时可以减少设备占地，降低总资本投入。
其它改进包括在大规模生产过程中实现自动进料、自动取样以及管路组件的最小化，这可以实现更大的过程控制，继而实现更稳健的性能和产品质量。PAT工具，如拉曼光谱，以及其它在线检测方法将被应用到大规模生产中，以实现对重要工艺参数和性能的实时测试和控制。
其它新的分析技术也对生物制造产生了影响，例如基于多肽的多属性方法(MAM)，与毛细管电泳(CE)和高效液相色谱(HPLC)方法相比，其具有更高的灵敏度和产品选择性。此外，新兴技术，如表面等离子体共振 (SPR) 和生物层干涉测量(BLI)，可以提高产品放行的工作流程。
PAT工具的使用提供了两个主要优势：快速决策和先进的过程控制。PAT平台已被开发用于连续工艺过程中产物聚集和片段化的在线监测以及活细胞密度的控制，这有助于开发更好的工艺，并优化CMC时间线。
数字化和人工智能的应用
“未来工厂”将更加数字化。人工智能(AI)应用和创新算法将提供更好的过程控制，并确保批次间的工艺和产品一致性。
利用人工智能实现、加快和创新生物药的研发工作在不断加强。例如，人工智能预测模型可以进一步优化制造流程，提高效率。随着AlphaFold2等蛋白质结构预测人工智能模型的出现，以及人工智能通过物联网(IOT)在自动化领域的应用，人工智能在药物发现、生物工艺、制造等领域的应用机会已初具规模。
在药物发现的早期阶段，人工智能辅助的研究正从蛋白质结构预测发展到确定药物的可开发性属性，如蛋白质聚集、结合亲和性、溶解性、稳定性、体内和原位疗效，以及其它决定药物候选性和药物设计优化的关键标准。
通过优化候选药物，人工智能模型可以提供在硅（计算机）生物工艺开发预测和指导，以产量和产品质量等标准进一步优化生物药的开发。通过物联网连接实验室设备和操作机械，将人工智能的实验模拟和指导与实验过程自动化相结合，可以在最少的人工参与的情况下进行实验，避免人为错误，加快整体药物开发过程。人工智能与物联网的结合(AIOT)可以进一步提高工艺一致性，加速开发。
下一代基于抗体的药物模式的生物工艺趋势
由于分子的复杂性，新产品(如bsAb和ADC)的生物工艺更具有挑战性。随着全球快速增长的ADC管线，对可支持从DNA到IND的工艺开发和生产的全集成式ADC平台有强劲的需求。这些全集成式ADC平台不仅包括生物偶联产品的开发和生产，还包括mAb、连接子以及偶联技术。除了缩短从DNA到IND的时间线，此类平台还可以降低风险。这些平台也反映了对偶联工艺的稳健性以及药物和抗体比率(DAR)控制的更大关注。
偶联技术包括各种连接机制以及不同的有效载荷、偶联化学品、偶联位点和DAR。所有这些多样性增加了生产的多样性，使纯化工艺和ADC结构以及效价的表征复杂化。在过去的几年中，ADC开发商在提高这些复杂药物的可开发性、可制造性和功能性方面取得了重大进展，但将这些药物模式转换至更精简的开发过程仍然存在挑战。为了应对这些困难，生物制造商需要更精细的分析方法。
在bsAb的生产过程中，链错配、链表达不平衡以及组装不完全等工艺中所产生的相关副产物会给下游纯化带来相当大的挑战。为了帮助制造商应对可变的副产物种类和数量，研究人员提出了一种基于工具箱的bsAb纯化方法。
除了为bsAb量身定制的下游方法外，灌流细胞培养还可以显著提高bsAb的质量 (例如，通过提高单体的百分比，其以Caliper或毛细管等电聚焦分析确定)。因此，相比传统的补料分批培养，灌流细胞培养是更好的选择。本文讨论的bsAb下游和上游开发策略也可应用于多特异性抗体的开发。
尽管在生物药开发中仍然存在问题，特别是对于ADC和bsAb等新而复杂的药物，行业已经通过创新的人工智能方法、新的分析工具和高通量矩阵驱动的实验设计来应对这些挑战。利用更加全面、综合和单一来源的药物开发和制造平台，结合在抗击大流行过程中开发多种生物制品所获得的知识，为生物药开发商提供了以比几年前更快的速度和更高的成本效益生产生物疗法和疫苗的机会。
原文：W.Zhou, Securethe Future of Bioprocessing. Genetic Engineering & Biotechnology News,2022, 42, 1.
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