如何優(yōu)化生物制藥上游生產(chǎn)的工藝效率

文/ Andreas Castan 博士

提高工藝效率是生物制藥生產(chǎn)的關(guān)鍵目標(biāo)——其重點(diǎn)在于優(yōu)化工藝速度、控制成本、增加工藝靈活性，同時(shí)保證最終產(chǎn)品的質(zhì)量。本文將詳細(xì)介紹幾種可以顯著提高上游工藝效率的不同方法和技術(shù)，包括細(xì)胞系開發(fā)、工藝開發(fā)和工藝強(qiáng)化、實(shí)時(shí)分析和工藝集成。

生物制品的生產(chǎn)狀況

多年來，許多公司生產(chǎn)的生物制品中大部分產(chǎn)品是多肽、蛋白、單克隆抗體和抗體片段。生物制品生產(chǎn)大多采用不銹鋼生物反應(yīng)器和分批補(bǔ)料工藝，以及使用常規(guī)的QC 和QA 體系來放行成品批次。生產(chǎn)設(shè)施往往規(guī)模龐大，投資額高，投資成本也主要集中于固定成本以及上游和下游的獨(dú)立工藝。

隨著行業(yè)需求的變化，生物制品生產(chǎn)也隨行業(yè)的變化而發(fā)展，詳見表1。藥物開發(fā)商希望朝著更大的生產(chǎn)靈活性和更快的市場(chǎng)響應(yīng)能力方面發(fā)展，其部分原因是由于市場(chǎng)對(duì)復(fù)雜生物分子藥物（如雙抗、ADCs、溶瘤病毒、CAR-T 技術(shù)和基于RNA 干擾藥物）的需求不斷增長。此外還有其他因素，例如，藥物臨床試驗(yàn)階段，公司需要在不同的研發(fā)階段使用不同數(shù)量的產(chǎn)品；藥物批準(zhǔn)并進(jìn)入市場(chǎng)時(shí)，需要盡快建立供應(yīng)鏈等，這些均促使廠家提高靈活性和對(duì)市場(chǎng)的快速響應(yīng)能力。

藥物上市后，需求的不確定性依然存在。不確定性的驅(qū)動(dòng)因素包括臨床結(jié)果、根據(jù)推薦值和臨床實(shí)際情況變化的劑量水平、患者人數(shù)變化（隨著新適應(yīng)癥獲得批準(zhǔn)，患者人數(shù)會(huì)發(fā)生變化），以及取決于藥品價(jià)格和競(jìng)爭情況的市場(chǎng)接受度。此外，還需要緩沖成本壓力。這可能是由藥物排他性、高昂的開發(fā)成本或醫(yī)療體系預(yù)算所致。

建立全球影響力可以幫助廠家靈活應(yīng)對(duì)突然變化的市場(chǎng)需求，以及滿足需求不斷增長國家（如印度、中國等國家）的市場(chǎng)需求。例如，使用封閉式一次性系統(tǒng)以較低的先期投資創(chuàng)建較小的設(shè)施，也可以在多個(gè)不同的地點(diǎn)，以較少的固定成本建廠。

因此，生物制品生產(chǎn)的目標(biāo)是建設(shè)靈活、高效且性價(jià)比高的生產(chǎn)項(xiàng)目，同時(shí)可以在一個(gè)工廠或不同工廠輕松擴(kuò)產(chǎn)或復(fù)制，從而在本地或全球增加產(chǎn)能。構(gòu)建這個(gè)平臺(tái)需要從細(xì)胞系開發(fā)開始，然后逐步簡化流程。細(xì)胞系開發(fā)是所有生物制品生產(chǎn)的基礎(chǔ)。

加速細(xì)胞系開發(fā)

傳統(tǒng)的細(xì)胞系開發(fā)涉及細(xì)胞轉(zhuǎn)染，分選和基于擴(kuò)增能力和生長性能的克隆評(píng)估。從開始到結(jié)束，整個(gè)開發(fā)過程大約需要40 周。此外，還有許多增強(qiáng)細(xì)胞系開發(fā)的潛在方式。

傳統(tǒng)的篩選過程是將單個(gè)細(xì)胞放入96 孔板孔井中，篩選50 ～100 塊板，并選出最高產(chǎn)量的細(xì)胞。相比于單獨(dú)篩選，操作員將非常少量的細(xì)胞混合成池，選擇性能最好的細(xì)胞池。然后對(duì)這個(gè)較小的細(xì)胞池進(jìn)行篩選，最終篩到單個(gè)細(xì)胞。目前市面上有不同的設(shè)備可供選擇。例如，熒光激活細(xì)胞分選（FACS）結(jié)合谷氨酰胺合成酶（GS）選擇系統(tǒng)使用，可進(jìn)一步加快工藝速度。微流體在克隆評(píng)估中，可以在5 天內(nèi)得到增殖速率和細(xì)胞特異性擴(kuò)增的結(jié)果。轉(zhuǎn)染是流程化開發(fā)細(xì)胞系的起點(diǎn)，它使得靶點(diǎn)整合不再依賴隨機(jī)事件，而是允許開發(fā)人員在細(xì)胞中將基因插入預(yù)定插入點(diǎn)。這種特異性增加了高產(chǎn)細(xì)胞系的產(chǎn)生，并減少下一步所需的篩選量。當(dāng)這些步驟組合在一起時(shí)，可以明顯將細(xì)胞開發(fā)時(shí)間縮短至8 ～10 周，并可以顯著縮短目標(biāo)生物制劑的毒性研究時(shí)間。

表1 生物制品生產(chǎn)的現(xiàn)狀和未來預(yù)期

圖1 數(shù)據(jù)的收集和分析

加快工藝開發(fā)

優(yōu)化流程的下一階段是工藝開發(fā)階段。首先使用高通量系統(tǒng)（如平板、凍存管和微生物反應(yīng)器），然后進(jìn)入平行實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的生物反應(yīng)器，從250 mL 到5 L 或10 L 規(guī)模的生物反應(yīng)器。平行實(shí)驗(yàn)室必須能夠反映和預(yù)測(cè)出中控和生產(chǎn)規(guī)模的條件和性能，以便使放大生產(chǎn)的過程盡可能順利。

過程分析至關(guān)重要，并應(yīng)該實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化且整合到上游工藝和儀器中。這些分析將提供大量非常重要的數(shù)據(jù)，諸如從原料（如細(xì)胞培養(yǎng)基和層析填料）獲得的數(shù)據(jù)，從生物反應(yīng)器和捕獲步驟中獲得的數(shù)據(jù)以及從藥物產(chǎn)品中獲得的數(shù)據(jù)。然而，挑戰(zhàn)在于信息的獲取和存儲(chǔ)，以及之后的評(píng)估。數(shù)據(jù)只有通過分析且具有相關(guān)性才有價(jià)值。數(shù)據(jù)收集和分析，即將所有數(shù)據(jù)輸入數(shù)據(jù)庫到數(shù)據(jù)分析的過程，如圖1 所示。

為了從數(shù)據(jù)及其分析中獲取更多信息，分析過程不僅需要查看輸出，還需要關(guān)注不同子系統(tǒng)之間的交互。例如，實(shí)時(shí)監(jiān)控可用于預(yù)測(cè)如何開發(fā)一批產(chǎn)品并進(jìn)行偏差檢測(cè)。通過批次之間的比較，工藝開發(fā)人員可以更好地了解如何改進(jìn)工藝和減少誤差。

將分析過程越緊密集成到工藝中，分析效果越好。理想情況下，上下游的實(shí)時(shí)分析意味著可以從開始到結(jié)束“動(dòng)態(tài)”地修正工藝流程，從而提高產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量。數(shù)據(jù)來源于整個(gè)工藝流程的信息，比如進(jìn)入生物反應(yīng)器的原料、層析數(shù)據(jù)，以及純化和過濾步驟的詳細(xì)信息。

圖2 端到端上下游連續(xù)處理

工藝強(qiáng)化

許多生物制藥公司通過種子生物反應(yīng)器階段（N-1 級(jí)）來尋求工藝強(qiáng)化的優(yōu)勢(shì)。另外還有兩種方法也可以提高批量生產(chǎn)力。第一種是使用高密度、大容量的細(xì)胞庫，只需一步即可放大生產(chǎn)。該細(xì)胞庫用于接種到1 ～10 L的搖擺式灌流生物反應(yīng)器。當(dāng)細(xì)胞擴(kuò)增到足夠的體積和密度后，接種到最大2000 L 的生物反應(yīng)器中。該過程僅需2 周或更少的時(shí)間，可以將上游生產(chǎn)前的準(zhǔn)備時(shí)間縮短一半。第二種是在灌流過程中進(jìn)行N-1 級(jí)擴(kuò)增，以培養(yǎng)足夠的細(xì)胞，以更高的細(xì)胞密度為生產(chǎn)生物反應(yīng)器接種。這樣，可以將生產(chǎn)生物反應(yīng)器中的培養(yǎng)時(shí)間縮短約5 天。

利用系統(tǒng)生物學(xué)進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)

受基因組、蛋白質(zhì)組和代謝組的影響，細(xì)胞的生物學(xué)特性會(huì)對(duì)工藝結(jié)果產(chǎn)生影響。通過對(duì)路徑建模并將建模知識(shí)輸入工藝開發(fā)中，可以使用系統(tǒng)生物學(xué)改進(jìn)宿主細(xì)胞系，還可以改進(jìn)工藝設(shè)計(jì)和培養(yǎng)基開發(fā)。比如，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行更改，然后分析細(xì)胞的mRNA，可以顯示與細(xì)胞周期代謝相關(guān)的細(xì)胞途徑上調(diào)和下調(diào)的變化。此信息可用于修正培養(yǎng)基，提高特定細(xì)胞產(chǎn)率。

通過實(shí)時(shí)分析實(shí)現(xiàn)在線發(fā)布

如前文未來預(yù)期生產(chǎn)狀態(tài)所述，QC 和QA 檢查及放行的步驟非常繁瑣，會(huì)明顯延長生產(chǎn)時(shí)間。因此，需要一款獲取多個(gè)質(zhì)量屬性且可以在線分析的方法。這種快速捕獲方法還可以將有關(guān)質(zhì)量屬性的信息反饋給流程。

整合和自動(dòng)化

整合分析和優(yōu)化流程為自動(dòng)化系統(tǒng)的潛在發(fā)展打開了大門。自動(dòng)化系統(tǒng)可以檢測(cè)和處理過程中的偏差，并在無需人工干預(yù)的情況下進(jìn)行修正。這種自動(dòng)化的下一步發(fā)展可能是連接上游和下游，創(chuàng)建整合的連續(xù)生物生產(chǎn)平臺(tái)（圖2）。但是，完全整合的系統(tǒng)需要高水平的精度、控制力和執(zhí)行力，以及可靠的試驗(yàn)方案來解決問題。

最終目標(biāo)

細(xì)胞系開發(fā)、工藝開發(fā)和工藝強(qiáng)化、實(shí)時(shí)分析、過程整合和自動(dòng)化都是生物制藥生產(chǎn)廠家用于優(yōu)化工藝效率的重要方法。此外，管線研發(fā)中如何更好地降低成本、更靈活且更快速地響應(yīng)生產(chǎn)，都是滿足生物制品行業(yè)不斷變化需求必需考量的。然而，最大的影響可能來自于工藝改進(jìn)方面，即如何整合上游和下游工藝，并朝著更加自動(dòng)化的方向發(fā)展。終極目標(biāo)是從細(xì)胞和培養(yǎng)基開始到成品完成的整個(gè)過程均能實(shí)現(xiàn)完全集成和自動(dòng)化。