平衡不锈钢与一次性生物反应器，加速生物药大规模商业化生产

哺乳动物细胞培养现在是制药行业的重要组成部分，用于生产治疗性蛋白质，如干扰素、凝血因子、酶、疫苗和单克隆抗体（mAb）。CHO、BHK、HEK293等基因工程宿主细胞在大型生物反应器中培养，以生产用于治疗危及生命的疾病的药物，包括肿瘤、自身免疫性疾病以及代谢和血液疾病。在某些情况下，要生产的蛋白质数量可能高达1,000kg，需要超大规模的生物反应器。生物反应器的大小和需要使用的生物反应器的数量取决于产品的产量和需求。

细胞培养产品的大规模生产需要完全符合 cGMP 要求的专用或多用途设施。这些设施包括细胞培养、纯化和灌装车间、QC 实验室以及所有配套设施，例如暖通空调系统（HVAC）、清洁蒸汽和注射用水（WFI）。而这些设施的规模、建设、资金和运营成本在很大程度上围绕生物反应器的生产能力或规模的选择。

细胞培养工艺

使用哺乳动物细胞培养进行生物制品的生产从冻存的细胞原液开始，传统上以细胞库冻存管的形式。根据细胞培养生产的范围，使用研究细胞库、主细胞库或工作细胞库。所有这些类型的细胞库都要求无菌且不含支原体。主细胞库和工作细胞库需要根据 cGMP 要求进行制备，并经过全面的安全测试，包括外源性物质测试。通常，细胞库的每个冻存管在1-1.5mL体积中包含10-20x106 细胞。也可以在50mL或以上的冷冻袋中制备冷冻的细胞储液，以容纳更多细胞，这种储液可以直接在5-10L规模开始培养。种子扩增用于提高来自冻存管或袋的细胞种子数量，以接种更大体积的培养罐，通常会依次使用T瓶、摇瓶、滚瓶、转瓶以及波浪式生物反应器。

多宁生物上游工艺流程

用于接种生产罐的接种液的制备旨在种子扩增链完成后进一步提高细胞数量。用于接种液制备的罐的数量取决于生产生物反应器的数量以及允许的分流比例。例如，对于起始工作体积为15,000L的补料分批生产生物反应器，分流比为1:5时，其将需要3,000L N-1种子罐，而后者将需要600L的N-2种子罐，以此类推。提高种子罐的细胞密度，可允许实现更高的分流比，即可以使用更小的种子罐接种指定体积的生产罐，从而减少种子罐的数量。接种液制备一般采用不锈钢搅拌罐生物反应器，但现在也可以采用不同体积规格的一次性反应器。

生产生物反应器是用于细胞培养工艺的最终罐，其尺寸取决于所需的产品数量和工艺产量。生产生物反应器通常以补料分批模式操作，其通常用于11-18天，最终的产量、生产动力学、细胞活性以及其它操作条件限制决定了培养的持续时间。此外，也有工艺采用更传统的批次，或者现在的灌流模式，以实现工艺强化或连续生产。

不锈钢和一次性生物反应器

不锈钢反应器是一个完全成熟的技术平台。用于药品 cGMP 生产的容器的质量、耐用性和可清洁性对于产品的安全性极为重要。优质不锈钢（如316 型）广泛用于生物制造，作为罐子、管道和生物反应器的首选材料。如果不锈钢表面接触产品，则需要采取额外的预防措施，包括对表面进行抛光和钝化。对表面化学和粗糙度的严格控制确保了表面的完全可清洁性，以便容器可以重复使用。工作体积为 <1,200 L的生物反应器可位于一层设施内。当生物反应器尺寸>2,000 L时，由于高度要求，将需要有一层以上的空间。一个 20,000 L的生物反应器可能需要一个三层楼的工厂空间。

多宁生物不锈钢生物反应器

基于不锈钢的生物反应器系统需要较高公用设施支持才能运行，其使用大量的管道系统进行流体输送、清洁、灭菌和收获。清洁和消毒生物反应器和支持性传输管线需要清洁蒸汽和 WFI。这些系统的构建和验证成本通常较高，增加了资金成本投入。不锈钢生物反应器本身的成本通常也较高，且需要较长的验证时间。此外，生物反应器从一次运行到另一次运行的重复使用可能需要一周（从一批到另一批）或几个月（从一种产品到另一种）的周转时间。此外，需要验证用于清洁生物反应器的方法 - 手动和自动在线清洗。还需检测设备表面和冲洗液中的残留产物、培养基、清洁剂和微生物。使用检测数据或检测限计算残留物含量；产物产量、纯化方法和临床剂量；以及来自其它清洁验证研究的数据。因为采用硬性管道，基于不锈钢的生物反应器系统通常较难修改。它们在受控环境中运行，严格遵循既定程序，这些程序已通过昂贵且耗时的工作进行了验证。

一次性生物反应器是在过去十年中发展起来的，现在是临床和部分商业化生产工厂中反应器的可行选择。波浪式生物反应器自推出以来就在细胞培养中发挥了重要作用，其主要构件是生物相容性塑料袋，通过平台上的摇摆装置进行搅拌和充气，目前，此类反应器主要用于接种液扩增阶段，虽然有更大规模的波浪式生物反应器可用于中-小规模生产。

图为多宁生物DuoWave反应器（点击图片了解更多）

图为多宁生物DuoCubactor一次性生物反应器

（点击图片了解更多）

搅拌罐设计允许一次性生物反应器遵循常规设计和规模放大原理。此类生物反应器的体积规格通常≤ 2,000 L，其已在 cGMP 环境中成功实施，虽然有供应商提供>2,000L的定制一次性生物反应器。一个 1,000 或 2,000 L 的一次性生物反应器在运行高产量工艺时也可以满足商业规模的生产需求。一次性生物反应器不需要复杂的清洁和消毒，它们可以相当快速地安装和验证。使用一次性生物反应器的设施更容易建造、验证，而且运行成本更低。由于没有连接生物反应器和公用工程的硬管，一次性系统允许实现灵活、紧凑且模块化的工厂设计。一次性生物反应器由与培养基和添加物、细胞以及常用缓冲液和盐溶液兼容的材料制成，结构材料应符合药典要求。生物制药生产商通常需生成内部技术报告，以确认一次性生物反应器与其产品和工艺的兼容性；生物反应器制造商提供的数据以及文献数据可用于支持生物反应器与产品兼容的结论。

一次性搅拌罐生物反应器使用预先灭菌（如经伽马辐照）的袋子(点击此处可查看多宁生物一次性反应器测试数据)，其中包含液体和气体所需的所有入口和出口。反应器袋子还包含用于培养基、细胞和补液添加、探针、采样以及入口和出口气体过滤器的端口。袋子在充气并被培养基（和细胞）填充后，被固定在钢架（支撑容器）中。支撑容器将包含用于温度控制的加热元件或夹套。反应袋中包含集成的叶轮和鼓泡，作为混合和通气系统的一部分。在一次性生物反应器中使用监测探针/传感器是一次性生物反应器设计和操作的一个挑战，因为很多此类技术是针对不锈钢设备而开发的，新型的一次性探针需要更多的开发工作，以确保与传统检测技术相当的稳健性和准确性。

许多公司已经采用了一次性生物反应器，并且它们的可放大性已得到广泛证明。已有针对多种产品的工艺和产品可比性研究，证明一次性生物反应器可与基于不锈钢的对应物相媲美。但不锈钢生物反应器在相当多的应用情境下，仍是首选的技术。下表所示为一次性和不锈钢设备的优、缺点比较。可见，稍微深入研究这个主题，就可得出这样的结论，即对于哪个系统是“最好的”，这并没有一个简单、明确的答案。

一次性和不锈钢设备的优、缺点比较：

2020年的一份行业研究显示，新不锈钢生物反应器的安装数量在减少，与更多的一次性工厂上线相比，减少工厂中运行的不锈钢生物反应器数量的趋势仍在继续。目前使用的一次性生物反应器的标准通常为 2,000L，而研究显示工厂中≥2,000L生物反应器的总体百分比呈下降趋势，而基本上所有＞2,000L的生物反应器都可以假定为不锈钢。对于现场使用的最大的不锈钢生物反应器的体积，显示平均体积为3,502L（与 2018年报告的3,694L相似）。近年来，几乎每个“最大”的现场不锈钢生物反应器体积范围都显示出总体下降。最大不锈钢生物反应器<1,000L的工厂数量和比例一直在增加，目前已达到38%。相比之下，现场最大的一次性生物反应器的平均报告体积低于现场最大体积不锈钢生物反应器的平均体积的 25%。

2020年工厂中使用的最大不锈钢生物反应器

（BioPlan Associates, 2020）

不锈钢生物反应器仍然受到许多应用的青睐，特别是商业化生产，在这些应用中，投资于以不锈钢生物反应器和所有相关基础设施为基础的产品生产专用工厂通常更具成本效益。与此形成鲜明对比的是，一次性生物反应器现在广泛用于研发和早期临床生产，估计有≥85% 的前期和临床生物工艺使用一次性系统。

不锈钢 vs. 一次性技术的抉择

一次性技术在生物制品生产中正变得越来越流行。这对不锈钢设备的命运意味着什么，尤其是在商业化生物生产中？显然，如前文所述，不锈钢仍将存在，至少在一段时间内。不锈钢的持续使用将通过生物制药生产的工艺和产量要求来维持。只要行业继续有开发更通用的重磅炸弹“药物”的需求，例如治疗肿瘤、炎症、糖尿病的产品，就可能需要非常高的年产量。在生产高需求量产品时，使用不锈钢设备可以节省资金并填补一次性设备产能方面的差距。此外，生产商还将继续利用其现有设施和固有专业知识来生产新疗法。除了最受关注的mAb生产，血液制品和疫苗行业也会继续采用混合设施，其中，不锈钢设备将执行许多核心操作，而一次性技术则旨在提高运营灵活性和效率。

针对商业化生产的不锈钢和一次性生物反应器的选择要根据多种因素逐个案例考量，包括商品成本目标、工艺要求、资本/运营成本考虑、验证/监管方面、工厂中生产的产品数量，所需的产量，以及产品的开发和生产历史。一些有利于一次性使用的总体趋势包括多产品工厂、所需的产量较低以及可获得的更高产品滴度，但即使这些也不是绝对的，不锈钢设备将在许多应用中保持持续“生存能力”。

生物药生产过程的产品成本类别

（P.Rogge, et al., 2015）

选择工厂设计和单元操作需要在许多因素之间取得平衡。这就是为什么没有两个工艺是完全相同的，因为每家公司都有不同的目标，在决策过程中需要考虑的一些问题是：

• 是初创公司还是一家大型的成熟生物制药公司？
• 正在生产什么类型的产品？
• 经营规模如何？
• 内部知识和能力是什么？
• 预期的需求水平是多少，因此需要多少产能？

仍有多种因素可以推动选择不锈钢生物反应器，而不是一次性生物反应器。例如，某些生产工艺在一次性生物反应器中可能无法正常工作，因此需要选择使用不锈钢生物反应器。另一个因素是随着时间的推移的产出以及给定工艺的滴度，即产量要求越大，滴度越低，选择不锈钢生物反应器的可能性就越大。不锈钢生物反应器更适合需要大规模生产的药物，如>3,000kg/年。此外，如果细胞培养过程使用或产生任何一次性塑料生物反应器袋不兼容的成分，不锈钢将更能抵抗这些物质的破坏。

当然，必须认同的是，在过去的十年中，一次性生物反应器比不锈钢生物反应器更受行业青睐，且至少被越来越多地用于早期临床试验阶段。当灵活性和快速转换是推动候选药物向前发展、并更快地从管线中消除不成功分子的关键时，一次性技术可提供巨大的潜在优势。在一次性生物反应器供应商、监管机构、行业联盟以及药物生产商的共同努力下，已经取得了巨大的技术进步，但障碍仍然存在，如溶出物和析出物数据、塑料薄膜的稳健性和硬件能力，尤其是一次性传感器的开发。   

不锈钢和一次性设备转换的决策流程

（P.Rogge, et al., 2015）

就其核心而言，不锈钢与一次性使用的争论已成为产能和灵活性之间的平衡。如果预期的原料药需求足以证明根据剂量和患者群体建设专用于1到3种产品的工厂是合理的，那么通常可作出建设基于不锈钢设备的工厂的决定。不锈钢设施的成本主要由资本和管理费用驱动，这些费用很容易分摊到生产的大量原料药中。相反，如果预期的原料药需求受到低剂量和/或患者群体的限制，那么具有足够灵活性，以每年进行 4 到 6 个分子生产的一次性设施是合理的。一次性工厂的成本主要由运营和耗材成本驱动，其具有更低的管理成本，并且对转换时间不太敏感。

另一方面，工厂和设备将继续发展，生命周期管理将决定如何最好地重新利用旧设备和工厂。公司通常会对老化的工厂设施进行投资，因为这些资产通常可以经济高效地进行改造，以提高生产力、灵活性、可靠性和法规遵从性。在生物反应器方面，行业正在针对新产品、更高滴度、多产品能力以及改进的无菌性要求建模和改造系统，从而延长其生命周期。不锈钢设施的典型物理和财务寿命一般可达 15-20 年。也就是说，不锈钢生物反应器将会存在更长的一段时间，在现有工厂中使用的、基于不锈钢生物反应器的所有生产过程在未来不太可能废弃。

混合方法

今天，许多工厂选择以混合方式使用不锈钢和一次性使用设备，很多公司仍然选择建造基于不锈钢的工厂，但随后针对某些工艺实施特定的一次性系统，以提高效率或成本效益。混合工厂是在保持生产能力的同时建立对一次性系统的熟悉度和信心的好方法，因为就当前的情况而言，不太可能在某些规模上实施一次性技术，因此即使这是生产商选择的未来发展策略，但其仍然会拥有使用了一些不锈钢设备的混合环境。

在当今充满挑战的世界中，生物制药行业需要一种更好的生物生产商业模式 - 一次性使用提供了一种工具，可以创建更好、更灵活的生产设施作为基础，但在某些情况下，生产商将不得不使用不锈钢来生产大量产品。

一次性和不锈钢生物反应器是上游工具的核心，可根据生产策略进行适当的选择。在某些情况下，高灵活性和快速转换以及相对较少的药物生产量将推动生产商决定使用一次性生物反应器。而在另一些情况下，重磅炸弹型产品，包括原研药和生物仿制药，将不得不在传统的补料分批中大量生产，这将证明投资大规模的不锈钢生物反应器以及相关的清洁验证是合理的。另外，还有一些场景将结合一次性和不锈钢生物反应器的优势，例如种子培养将在一次性反应器中完成，且极可能采用灌流模式，并更快地过渡到不锈钢生产生物反应器。对于药品生产商来说，最重要的是要在项目开始时做出正确的选择，以防止任何可能增加负担并延缓他们进入下一阶段的工艺变更。

生物制药行业是保守的，并不是每个人都热衷于从一开始就拥抱新技术，但保持对新技术的评估，并评估哪些技术对商业模式可行是一种很好的做法 - 允许实现更高效生产的新技术是保持竞争力的关键。

多宁生物拥有坚实的不锈钢生物反应器及相关设备的开发基础和经验，且经行业检验，可确保出色的质量、全面的技术以及稳健的供应。同时，公司致力于开发创新的一次性生物反应器和支持设备，以满足拥有不同药物类型、处于不同开发阶段的客户的需求。多宁生物专注于协助客户根据详尽的现有需求和未来计划分析，选择最适合的技术策略，以实现高效且可持续的商业策略。

总   结

在快速增长的生物制药市场中，大规模生产对于生产的经济性至关重要，规模放大是将产品带入商业化阶段的关键步骤，然而，这个过程如果控制不当也经常会导致开发和上市的延迟以及经济和性能的损失。该过程通常会涉及流体动力学条件的变化，而合理的规模放大/缩小策略依赖于对不同规模上发生的不同现象的准确表征。规模放大方法的一个常见问题是它经常会改变细胞培养的微环境，从而影响产品质量和工艺特性。从早期毒理学研究到临床和商业化生产，确保工艺放大的成功通常需要成本高昂且依赖于大量资源投入的工作。规模缩小方法已越来越多地被行业所采用，并且通常被认为是开发、优化和验证工艺不可或缺的工具，以降低生产风险。

一次性技术越来越多地被匹配用于不同几何形状、体积和搅拌方式的反应器选项，包括基于摇摆式和搅拌罐的生物反应器。许多构建到一次性生物反应器中的新型技术的目的是提供一个可提高细胞生产力的环境，同时保持培养性能，以实现最佳细胞生长和/或产物生产。对于在一次性生物反应器中进行的细胞培养工艺规模放大，必须开发可靠且经过验证的规模缩放相关性，以加快和降低规模转换风险以及批量失败的可能性。

多宁生物提供不同规模的一次性生物反应器，其经过特殊工程设计，可确保成功的规模放大，以帮助实现从工艺开发到临床前/临床物料供应以及商业化生产的产品生命周期不同阶段的顺利过渡。同时，多宁生物完善的技术支持团队可提供细胞培养以及规模放大的专业技术支持，以应对该过程中潜在的挑战，确保成功性。

参考文献：

[1]BioPlan Associates, Inc., TOP 15 trends in biopharmaceutical manufacturing, 2020.

[2]F.Li, N.Vijayasankaran, A.Shen, Cell culture processes for monoclonal antibody production. mAbs, 2010.

[3]K.Clapp, The Great Debate: Stainless Steel Versus Single Use. The Medicine Maker, 2016.

[4]P.Rogge, D.Muller, S.R.Schmidt, The Single-Use or Stainless Steel Decision Process: A CDMO Perspective. Bioprocess International, 2015.

[5]S.S.Ozturk, Equipment for Large-Scale Mammalian Cell Culture. Adv Biochem Eng Biotechnol, 2014.

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