用于细胞治疗的自动化细胞收获技术
虽然已经取得了一些进展，但在为细胞疗法收获细胞时，仍需要改进。
成功的细胞收获需要高细胞回收水平、细胞中的最低细菌杂质、高细胞活性和短处理时间且几乎没有中断。无论细胞培养是在培养瓶还是生物反应器中进行，以及工艺是手动还是自动化，都必须满足这些属性。当然，不同平台对执行收获相关活动的特定要求可能与其它平台不同，但全自动平台具有将自动化收获步骤集成到工艺中的优势，从而绕过了人工干预的需要。然而，自动化细胞收获依然存在挑战，在某些情况下，可能需要更多的手动操作。
需要高细胞滴度
自动化细胞收获的最大挑战之一是为细胞治疗应用生产的细胞培养物的高细胞密度。“由于需要为剂量递增研究提供足够的细胞，并且需要对每位患者进行多次治疗，因此在生产自体或异体细胞疗法时，需要高细胞滴度工艺，”Lonza个性化治疗临床开发负责人 Tamara Laskowski 说。
高细胞密度可能具有挑战性，因为存在诸如细胞碎片、DNA 和蛋白质等杂质，这些杂质会导致材料变得“粘稠”并形成团块。沉降的、更密集的细胞层也难以在收获前完全重新悬浮。“为了缓解这些问题并最大限度地减少细胞损失，一些工艺可能需要在收获时增加漂洗体积，从而需要额外的下游步骤才能达到最终制剂所需的浓度，”Laskowski 观察到。
首选悬浮细胞培养
一般来说，悬浮细胞是首选，因为在收获之前不需要将细胞从基质上分离下来，就像贴壁细胞的情况一样。然而，Laskowski 指出，由于上述高细胞密度带来的问题，这一优势可能会被掩盖，因为可能需要额外的步骤来确保活性细胞的高回收率。“细胞漂洗和过滤，以去除杂质和细胞碎片，可能是缓解这些问题的选择，但必须注意确保所使用的方法不会损害细胞活性和整体收率，”她说。
贴壁细胞也有自身的挑战。根据 Laskowski 的说法，需要使用解离剂，且随后需要进行漂洗步骤，从而导致更长的多步骤收获工艺，以确保高回收效率。重要的是，还要考虑更长的多步骤收获过程可能会造成破坏，并可能对细胞活性、总细胞收率以及细胞产品的整体质量产生影响，”她指出。
因为细胞收获方案可能涉及导致更长处理时间的各种活动，Laskowski 强调，监测细胞计数和活性至关重要，尤其是在考虑流体剪切应力对细胞生长和行为的潜在负面影响时。她补充说，实时测量 pH 值、溶氧和温度对于确保在细胞收获过程中保持适当的条件非常重要。
连续的上游工艺是有益的
不同的工艺可能有特定的要求，具体取决于细胞治疗方式，影响悬浮和贴壁细胞培养的因素可能会给自动化收获带来挑战。在某些情况下，连续细胞培养工艺可以促进细胞收获步骤的自动化。
“鉴于周期性去除耗竭的培养基以及补充新鲜培养基，可恢复营养供应，并降低乳酸暴露，从而支持更高的细胞活性，连续工艺可能是减轻与细胞碎片积累和整体细胞健康相关的担忧的有利方法，”Laskowski解释道。
自体疗法生产面临的挑战
生产个性化或自体细胞疗法的需求是细胞疗法制造商面临的普遍挑战之一。“在生物制药行业，制造商已经非常擅长将工艺从小罐扩大到大罐。这推动了人们对异体或现成细胞疗法的兴趣，”嵌合抗原受体 (CAR) T 细胞疗法开发商 SOTIO Biotech US 的首席执行官 Geoff Hodge 表示。
Hodge说，异体治疗的部分意义在于能够使用类似于生产更传统的生物药（如重组蛋白和单克隆抗体）的设备来放大悬浮细胞培养工艺的产能。“如果这种类型的工艺成功，那么培养物可以通过离心机或切向流过滤器进行漂洗，”他补充道。
根据 Hodge 的说法，对于自体疗法，一种扩大规模的方法是针对工艺的每个部分 - 细胞生长、收获、漂洗、制剂等- 找到最好的设备，并将它们串在一起。如果任何一步出现新技术，都可以引入，当一件设备坏了时，它可以很容易地更换。
虽然这种方法提供了很大的灵活性，但它需要对细胞进行大量手动操作。“肯定有一个权衡；这些类型的工艺是劳动密集型的、复杂的操作，具有很大的风险，”Hodge 说。他还指出，自动化很困难，因为有太多不同的设备需要协同工作。
Laskowski指出，可以单独进行细胞收获，并允许通过手动工艺获得的细胞培养物进行自动化的下游工艺和浓缩，以进行最终制剂。“市场上有一些技术为细胞处理和细胞收获提供了一个封闭的平台，并且可以添加到给定工艺的特定阶段。一个潜在的缺点是，这种模块化方法引入了用户干预的需求，在某些情况下，这可能会延长整个工艺并给产品无菌性带来风险，”她观察到。
集成式系统提供的优点和缺点
另一种方法是将细胞培养和收获步骤整合到一个封闭的操作中。市场上的各种系统为细胞处理、收获和产品制剂提供了平台。根据 Laskowski 的说法，这些技术的不同之处在于它们是完全自动化的 - 具有上游和下游工艺能力- 旨在作为现有管线的模块化补充。“完全封闭和自动化的系统具有更大的优势，它可以显著减少人工干预的需要，减少可变性，并最大限度地减少对产品无菌性的担忧，”她认为。
自动化系统的例子包括Miltenyi Biotec的 CliniMACS Prodigy，它允许用户在一个完全封闭的系统中执行细胞激活、转导和收获步骤，以及 Lonza 的 Cocoon，一个可定制、封闭、端到端的细胞治疗生产平台。Autostem 等行业联盟也在开发细胞疗法生产自动化的技术。
根据 Hodge 的说法，当前可用的一体式设备提供了一些优势，尽管它们还没有完全处于理想情况下的“一键式运行”阶段。“他们肯定有助于减少这个工艺中的大量劳动力– 以及与之相关的一些犯错和污染风险，”他说。尽管定制的一次性组件非常昂贵，但仍有潜力在某些程度上最终节省商品成本。
当然，也有缺点，Hodge继续说。“今天市面上的设备适用于工作体积有限的某些适应症，但对于为治疗实体瘤而开发的疗法，需要大量的细胞，而生产这些数量的细胞对于这些仪器来说可能具有挑战性，”他解释道。
对于复杂的定制零件，完全依赖单一供应商是自动化设备的另一个不利因素。“就供应、质量和定价的安全性而言，100% 依赖于单一供应商且不可能更换零件是一个困难的地方，”Hodge 说。用户还依赖供应商来跟上该领域的创新，并且必须等待供应商决定何时将新技术集成到他们的系统中。
一体式系统的复杂性是 Hodge 的同事、SOTIO 技术运营副总监 Rachel Yao 关心的问题。“对新操作员的培训要求非常高，即使大多数实际操作都是自动化的，他们也需要时间才能使用这种类型的设备，并以稳健的方式进行细胞漂洗和收获，”她说。
这是因为刚入门的人的学习曲线非常“陡峭”，特别是对于不同供应商提供的高度专业化的一次性管路套件。“为了确保自动化工艺以稳健的方式运行，仍然需要对套件进行大量操作并完成大量设置步骤，”Yao解释道。
如果这些复杂的一体式设备出现任何问题，Yao补充说，这将是一个费力的恢复过程。“大多数初始培训都集中在操作员需要做什么来确保工艺正确进行。除非操作员对这些仪器非常有经验，并且对如何以某种方式解决复杂管路套件的问题有思路，否则停机时间可能很长，而且代价高昂，”她观察到。
Hodge面临的另一个问题是，细胞疗法生产过程中超过 90% 的时间都可能用于细胞培养步骤。在此期间，一体式设备中的所有其它部分都处于闲置状态。
有时手动解决方案仍然是最好的
Yao表示，所有与一体式设备有关的各种问题意味着细胞疗法开发人员采用了许多不同的方法来自动化细胞收获。“但对于一些简单的工艺，我们选择让操作更加‘手动’。”
Yao说，例如，对于细胞培养步骤，使用一体式设备进行冗长的扩增阶段意味着昂贵而复杂的设备正在充当“美化”的孵化器，并且占用了不必要的空间。“在为临床试验制造多批材料时，这可能会变得非常昂贵。使用放置在单个培养箱中的单独生物容器手动进行细胞培养会更有效。”
这样的工艺可以与自动化的收获和漂洗步骤相结合。然而，她指出，自动化设备的费用必须由最终产品来支持，而且在某些情况下，手动操作可能更具成本效益。
持续发展的领域
Laskowski强调，细胞收获和随后的产品制剂和储存是该领域持续发展的领域。“我们和其他人都认识到当前的市场需求，并正在制定解决这些需求的战略，”她说。“与提高高密度细胞培养的细胞回收率、缩短工艺时间、产品浓度和最终灌装有关的考虑因素可能在下一代技术的设计中发挥作用，”Laskowski 补充道。此外，她认为在收获阶段整合分析技术可能会增强产品特性并可能加快产品放行。
对于 Yao 来说，关键目标应该是全面简化和提高细胞疗法制造自动化解决方案的灵活性，包括细胞收获。“当我考虑使用特定仪器、设备或系统时，除了细胞回收率、数量和活性之外，一个主要考虑因素是该工艺的稳健性 - 实际上可以放手多少，操作起来有多容易，如果出现问题，恢复是多么容易，”她解释道。
考虑到更大的图景，Yao 建议设备开发人员专注于寻找允许在单个容器中完成多个步骤的方法，而无需从容器中移除材料。“这是该领域尚未完全接受的想法，但它会缓解一些成本问题。”
沿着这些思路，对于自体疗法，Hodge 指出，除了规模放大或规模扩展（并行运行多个批次）之外，该行业应该探索实施自动化解决方案的思路，如一次性执行多批次的细胞收获和漂洗（和其它操作）。“这种方法已经在许多行业中实施，可实现操作以高吞吐量的方式进行，从而提高效率并降低成本，”他总结道。在这样一个新的制造领域，有多种机会可以增强和优化当前的实践，这使其成为更关注未来进步的领域。
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原文：C.A. Challener, “Automating Cell Harvesting for Cell Therapies,”BioPharm International 35 (5) (2022)
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