造血干细胞基因疗法的生产：工艺自动化的机会
本文节选自来自Orchard Therapeutics的研究人员发表的文章“Manufacturing of hematopoietic stem cell gene therapies: opportunities for process automation”，由于水平有限，详细内容，请参考原文。
基因药物具有治疗一系列疾病的潜力，在临床和商业生产的不同阶段，已有许多研究中或获批的疗法，而且新的项目也在不断出现。
然而，在许多情况下，这些药物的生产工艺是多年前在学术环境中开发出来的，规模很小，用于治疗有限数量的患者。因此，它们会受到各种实际操作和成本的限制与挑战，这可能限制其更广泛的商业应用。
随着细胞和基因治疗领域的扩展，许多针对该行业的新技术正在出现，可以用来为更复杂的生产过程提供解决方案和机会。这些设备包括模块化或组合设备，分别针对单个单元操作或完整的生产过程而设计。这些设备的使用提供了形成自动化、封闭工艺的潜力，从而获得更稳健、成本效益更高的生产解决方案。这为这些新药物在更广泛的适应症范围内的使用提供了机会。
本文将讨论一些可用的新兴技术，以用于制造自体细胞和基因治疗产品。
生产工艺的历史状态
许多细胞和基因疗法的生产所使用的工艺是在过去几十年里建立的，而且往往是在学术环境中，以支持针对少数人的研究性治疗。这些历史工艺通常都是高度手动的，包括多个开放式步骤，因此需要训练有素的操作人员和高级别的洁净室。将这些早期工艺转化至商业化环境存在许多问题和风险。
员工需求经常是一个问题，特别是在生产工艺的规模放大/规模扩展中。在细胞和基因治疗良好生产规范(GMP)方面有经验的员工数量有限，且随着行业的发展，需求还会增加。
第二个问题是手动操作，开放式生产工艺有许多相关的风险，包括许多开放步骤的污染风险，特别是当最终药品不能进行终端灭菌时。第三，手动工艺更容易出现人为错误，因为它们高度依赖操作者的经验。这决定了批次间的差异，在考虑自体治疗产品时，这会在患者起始物料的固有差异之外，增加额外的差异性。最后，每个批次的生产成本很高，包括多个操作人员大量手动操作的成本，以及为了消除交叉污染，每个产品单独的GMP洁净室的成本。
基于现有可用技术的这些手动工艺适合于数量较少的批次的生产，以及用于证明新的细胞和基因疗法的临床疗效。然而，为了更长期的可持续性，有必要优化和自动化生产，以实现更广泛的生产，支持为全球治疗领域不断增加的患者提供药物产品的需求。
这些疗法通常需要一个快速的开发路径，特别是相比于标准的生物药，产品生命周期不总是允许容易实施重大的生产工艺开发和改进。工艺的改变通常需要极具挑战性、耗时且昂贵的可比性研究，在某些情况下需要体内或甚至临床可比性研究。因此，历史性工艺的使用时间往往比理想的要长得多，这可能导致一系列的挑战，且工艺对于商业化生产不是最优选择。
图1. 自体造血干细胞基因治疗“从静脉到静脉的”生产和给药过程
技术发展
细胞和基因治疗仍然是相对较新的药物，因此支持它们的生产和分析的专用设备还很有限。由于操作规模的显著差异 (即，在传统生物药中，通常为一个大规模批次，提供多剂产品，而在自体细胞和基因治疗中，使用小批次规模，以提供给单个患者)，过去开发用于生物药生产的许多技术不适合细胞治疗产品。
然而，随着细胞和基因治疗行业不断增长的势头，现在有许多公司针对该领域发现的问题开发有针对性的解决方案。这些技术正处于不同的开发阶段，从现成的、具有支持性法规遵从性的设备，到那些正在开发和测试的、针对细胞疗法进行了针对性考虑的早期原型阶段产品。通常在开发阶段有机会对这些设备进行测试，以实现针对特定的、真实的生产场景的定制。
两种广泛使用的方法包括用于执行完整生产过程的“全包”系统，以及针对每个单元操作使用专用设备的模块化设备。
全包式设备，通常被称为“GMP-in-a-box”技术，设计用于在一个设备中运行从输入起始物料到最终产品的过程。与使用多个设备相比，单个设备意味着减少空间和培训要求，通常也会降低初始成本产出，但在工艺灵活性方面可能受到限制。为了确保设备能够适应特定的生产工艺，可能需要与制造商共同开发，这增加了额外的时间和成本。然而，拥有一个完全封闭的、独立的、自动化的平台是值得的。此外，使用具有更小的占地面积以及更“宽松”的洁净室级别要求的平台可以实现去中心化的分散式生产模式，即生产在医院附近或在医院现场进行，而不是在专用的集中式设施中进行。龙沙的Cocoon（茧）和Miltenyi（美天旎）Prodigy是目前最先进的全包式设备，它们提供了执行大多数工艺步骤的能力，包括漂洗、浓缩、培养和转导或转染。
替代单个全包式设备的一种方法是使用多个设备，作为模块化系统的一部分，其中每个设备执行生产过程的特定步骤。使用多个设备的初始成本可能大于全包式设备，可能需要在生产设施中占用更大的空间。然而，它在生产过程中提供了更高的灵活性，并且有潜力适应进一步的工艺演变，包括工厂设计和流程的调整及优化。模块化系统的一个重要考虑因素是细胞的转移以及与上游或下游其它设备的兼容性，这些设备可能对各自的制造商有不同的要求。
最后，正在开发的新系统将有可能结合这两种方法。这些系统由一个完全封闭的环境组成，在这个环境中，细胞可以自动从一个模块单元移动到下一个模块单元，无需人工干预，并允许多个产品并行处理。这类系统的一个例子是Cellares的Cell Shuttle（细胞穿梭机）。
在后文中，我们将介绍在生产自体、体外造血干细胞(HSC)基因疗法中涉及的典型步骤。在这种方法中，患者自身的血液干细胞在体外进行基因改造，然后再注入患者体内，目的是在单次治疗中纠正疾病的潜在原因。这种类型的基因治疗生产的技术挑战，以及如何克服这些挑战的要求或解决方案在表1中进行了讨论。
表1. 自体造血干细胞基因治疗生产的技术挑战和要求。
技术挑战 | 技术要求 | |
血细胞采集 | 对临床现场程序进行的控制和监督有限 患者之间具有高度的差异性，包括体积和细胞含量，如红细胞、粒细胞的比例 | 标准化临床采集方法 建立来料标准
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富集 | 起始物料中CD34+细胞的低频率 患者之间起始物料成分的差异性 分离HSC亚群以提高疗效 | 富集程序的标准化 高通量GMP分选设备，适应临床应用的速度、回收率和纯度 |
病毒转导 | 手动/开放式工艺 转导效率的差异性 针对GMP生产和审批要求的转导增强剂的可用性 由于HSC很难转导，且针对每个患者生产药物产品需要大量的细胞，因此对载体的要求很高 载体的成本 | 自动化 GMP级转导增强剂，如果在工艺中使用的话 提供灵活转导方案的技术 如果选择并转导特定的HSC亚群，转导时所需的细胞就会更少(即对载体的需求也更低) |
扩增 | 手动/开放式工艺 无菌性 高度熟练的操作员 每批次需要高等级的洁净室 高剂量要求 防止HSC分化 | 自动化 自体治疗规模下生物反应器的可用性 GMP级扩增试剂 关键工艺参数的在线监测 |
漂洗 | 手动/开放式工艺 无菌性 QC样品 | 自动化 输入/输出体积兼容性 与上游/下游设备兼容性 |
灌装 | 手动/开放式工艺 无菌性 高度熟练的操作员 温度和时间敏感性 QC样品 低温贮藏制剂 | 自动化 最终包装的灵活性 DMSO兼容性 控制温度 减少DMSO接触时间 无DMSO制剂 在运送到临床现场期间的稳定性和追踪 |
给药 | 手动/开放式工艺 无菌性 高技能医疗健康人员 温度和时间敏感性 | 标准化解冻 护理点细胞漂洗机 |
试剂 | 无菌性 | GMP级试剂 适用于A级环境外封闭式工艺的包装 |
过程数据管理 | 大量复杂的过程中、质量控制和表征数据 手动批记录 | 电子批记录 实验室信息管理系统(LIMS) 自动数据存储 过程中数据监测 数据库法规遵从性和验证 |
原文：C.Peticone, E.Chan, Manufacturing of hematopoietic stem cell gene therapies: opportunities for process automation. Cell & Gene Therapy Insights 2021; 7(11), 1673–1684.
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