缓解下游规模放大需求：向连续下游工艺方向发展
生物制药行业普遍承认，药物底物生产的上游和下游正在经历产能不匹配。目前，大部分重组蛋白的表达滴度可达3 g/L，有的产量超过10 g/L。与20年前相比，这种滴度表示生产能力增加了近100倍。细胞培养密度的增加和灌流模式生物反应器系统的改进有望进一步提高产量。这种发展，再加上在中试和商业规模生产中广泛使用的浓缩补液分批选项，现在要求下游团队处理每批次5 –40 kg的收获物。尽管层析填料载量和膜性能得到了很大的提升，但是下游操作没有经历相应的生产力提升。尽管工艺强化的努力有助于减少上游操作的设备需求，但下游的占地面积仍在普遍增加，以适应必须处理的物料的巨大体量。
生物制造商在继续探索连续下游工艺(CDSP)，以作为可放大性策略。随时间和设备分配纯化和/或过滤步骤可以使下游工艺工程师能够处理更多物料，并且使用可能比传统大规模批次工艺更小的占地面积。CDSP还有望降低与显著规模放大的纯化步骤相关的产品质量的复杂性和风险。
有几种方法可能可采用。在完全连续模式下，所有单元操作连续运行，并且连接跨单元液流流动。在端到端模式下，输入和输出是连续的，但中间单元操作可以在批次模式下进行。公司还可以采用混合策略，来匹配其操作需求和技术能力。
原文作者对Ulysse Consult 科学总监及BPI 编辑顾问Margit Holzer进行了专访，以了解CDSP 技术的最新进展、从批次操作过渡到连续操作的技术要求以及商业规模实施的持续需求。
除了能够处理更多物料之外，从批次模式转换到CDSP 还能获得哪些好处？一个主要的好处是优化的产品质量。CDSP减少了产品保存和处理时间，同时可提高工艺一致性和产品纯度。
在操作上，CDSP 可以使用相同类型的设备和工厂来制备大量产品，而无需进行可能会显著延长项目时间线的重大投资或工艺转移。
连续操作还可以降低资本支出 (CapEx) 和生产成本。这种经济影响是重要的考量因素，特别是对于必须在上游和下游进行大体积处理的产品。
2019 年，您曾参与过圆桌讨论，当时，与会者认为商业规模的CDSP 仍处于起步阶段。现在还是这样吗？目前，行业正在为工业规模开发比以往更多的技术，以促进连续操作。但我同意CDSP 的实施通常是逐步进行的，而不是作为运营的根本变化。例如，用于连续收获操作（包括离心和切向流膜过滤）的技术已经在生产规模上使用。
能够调整溶液组成的技术正在促进连续操作并对工厂空间和生产成本产生积极影响。例如用于缓冲液的在线稀释(ILD) 或调节 (ILC) 系统。此类技术可调节工艺溶液的 pH 值和/或电导率。行业还在使用管式热交换器在连续工艺中调节温度。
很多公司已开始在一个或两个工艺步骤中实施多柱层析(MCC) 系统，目标是在获得良好生产规范 (GMP) 生产经验后达到 CDSP（图 1）。
图1. 多步多柱层析 (MMC) 工艺示意图，描述了如何在ProteinA (Prot A) 捕获、病毒灭活 (VI)、复合模式层析 (MM) 和阴离子交换层析(AEX) 的几个循环中处理上游上样。
制备层析步骤难以整合到连续操作中。为什么？在批次工艺中，下游科学家通常需要收集馏分分析（通过离线分析获得），然后才能汇合工艺溶液并上样到下一个下游步骤。对于连续操作，我们需要能够及时控制分离过程的在线/入线分析。
MCC 如何促进向连续操作的过渡？药品生产商在什么情况下会考虑实施？基于稳健的控制策略，我们已经可以通过顺序或并行运行两根或多根层析柱来开发MCC 工艺（图 1）。
如果还需要减少缓冲液和层析介质的消耗，也可以考虑采用MCC。这可以通过 MCC 应用与批次模式相同的材料来实现，尽管需要执行特定的工艺表征程序，即需要定义层析柱的数量、它们的柱床高度、产品上样和缓冲液顺序以及层析柱的连接。
MCC 还可通过提高分离区的柱效、收集纯化产物以及回收侧馏分来提高分离效率（并提高目标分子的纯度）。这种工艺适用于精纯步骤。同样，这将需要特定的工艺表征和开发工作，通常与过程模拟相结合。
符合 GMP 的设备和软件可用于实施上面描述的所有 MCC 工艺。目前，来自此类设备的产品 - 包括一些单克隆抗体 (MAb) 和疫苗 - 正在用于临床试验和初步的商业化应用。
在最近关于 CDSP 的文献中，我看到关于过滤的讨论比关于层析的讨论要少。过滤是否适合连续操作？通常，切向流过滤(TFF) 步骤在收获和药物产品的配制和浓缩过程中应用。Repligen 的 ATF（交替式切向流）技术重新开发了 TFF组件，而可实现连续流操作。
最终产品的体积通常很小，药物底物的生产和处理通常与药物产品的制备和制剂脱钩。因此，过滤步骤是定义批次大小以及收集和均质来自CDSP 的物料的自然步骤。
行业也正在开发诸如单程 TFF 浓缩或洗滤等的新技术 - 通常源自食品工业中使用的设备-以实现连续运行。流速、膜面积和压力控制是单程工艺的重要设计参数。
实施连续工艺的决定如何影响膜的选择？某些结构材料是否比其它材料更适合连续操作？膜组件必须专门设计用于单程浓缩和单程洗滤或ATF 步骤。这不是膜材料的问题，而是组件和工艺设计的问题。显然，流速和耐压性需要与膜特性相匹配。
针对生物负荷控制和病毒安全有哪些考虑？为了控制生物负荷，需要将颗粒负载直流过滤器（例如深层过滤器、生物负荷降低或除菌过滤器）集成到CDSP 工艺线中。应根据批次工艺经验和风险分析为控制策略定义过滤器位置（包括用于缓冲液置换和上游生产步骤）。交替并行过滤器通常是最简单的解决方案。
与生物负荷过滤一样，在 CDSP 中实施除病毒过滤的最简单方法是实施具有交替并行过滤器的工艺设计。
哪些病毒安全操作最难适应连续工艺？用于病毒灭活的低pH 处理可能会具有挑战性，因为需要非常精确的停留时间和pH 值转换。但我相信，此类技术的障碍已经得到解决，许多新兴的病毒灭活系统被设计用于批次和/或连续工艺。
MCC 分离可能是需要研究以确保CDSP 中病毒清除的最必要元素。连续操作期间病毒污染的风险也需要评估和缓解。
生物制造商必须做些什么才能实现生产规模的完全连续操作？在过去的几年中，完全端到端的CDSP 取得了重大的技术进步。能够将单元操作集成到连接且受控的生产线的新技术是CDSP 的关键。
单元操作的连接需要调整流速和控制停留时间分布。产物组成必须适应后续工艺单元。仪器必须提供所有必要的控制。这不仅针对产物处理，而且也适用于必要的冲洗或填料再生步骤。必须在线/入线采集和处理质量数据，以实现产能放行。
您能否多谈谈行业对产品实时放行检测(RTRT) 的需求？这个话题现在很重要，特别是对于需要较短放行周期的产品（例如，一些细胞疗法）。对于连续和强化的工艺也是如此。中间体和潜在的药物底物需要在工艺过程中进行分析和放行。
实现这一目标的一种策略是开发基于使用不同波长的光谱方法的在线分析策略 -例如紫外和紫外-可见光（UV、UV-Vis）、红外和近红外（IR、NIR）以及核磁共振(NMR) — 用于检测工艺液流中的目标产物或杂质。
另一种选择是使用快速离线方法检测和量化内毒素、生物负荷、病毒、支原体以及其它此类污染物。产品相关底物和/或杂质可以使用高性能分析方法进行分析，例如超高效液相色谱与紫外和/或质谱联用 (UPLC-UV/MS)。可以根据风险分析确定采样位置和频率。
在这种情况下，用于数据跟踪、分析和控制的工具很重要。它们可以直接连接到工艺线路，以向操作员传达警报或根据超出规范(OOS) 的情况停止操作。
对于某些放行方法，检测时间仍需要从几周或几天缩短到几小时：例如，用于放行细胞培养液的药典病毒测试、用于放行最终产品的基于细胞培养的效力测试以及无菌测试。
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原文：B.Gazaille, M.Holzer, Reducing Downstream Scale-Up Needs: Advances Toward Continuous Downstream Processing. Bioprocess International, 2022.
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