淺析自動化封閉式細胞處理系統的模塊化設計

摘 要：本文從政策導向、行業指南的規劃方向入手，在“質量源自設計”的理念下，根據細胞治療產品生產制備環節對設備的功能需求，探討自動化封閉式細胞處理系統的模塊化設計思路。并結合目前市場上已有設備的功能使用情況，討論符合GMP要求的自動化封閉式細胞處理系統發展趨勢。

關鍵詞：自動化封閉式細胞處理系統，質量源自設計，模塊化，細胞制備，細胞治療產品，全生命周期，關鍵質量屬性，關鍵工藝參數

DOI編碼：10.3969/j.issn.1002-5944.2024.24.021

0 引 言

自動化封閉式細胞處理系統是一種集成了多種細胞處理功能的設備，能夠在封閉和無菌的環境下自動執行細胞治療產品生產制備過程的多個步驟。這種系統通常配備有預設的工藝程序，能夠實現細胞處理的全流程自動化操作，有助于實現細胞治療產品的大規模標準化生產，也因此成為國家發展規劃和行業技術趨勢的熱門方向。

我國“十四五”規劃中，基因與生物技術被確定為國家七大科技前沿攻關領域之一，隨著各級政府支持政策的逐步出臺，近年來我國細胞和基因治療相關的臨床研究數量快速增加，成為世界上臨床研究熱度最高的國家之一[1]。生物技術與信息技術融合應用作為《“十四五”生物經濟發展規劃》中提出的7項重大工程之一，給產業界的發展融合搭建了橋梁。隨后八個部委聯合發布了《“十四五”智能制造發展規劃》，其中在智能制造裝備創新發展行動一節則指出，專用智能制造裝備類應建造滿足GMP要求的無菌原料藥智能成套裝備，更是進一步指明了方向。

不僅是大方向的政策指導，具體領域的指南也對從業者提出了建議，在2022年10月，國家藥品監督管理局食品藥品審核查驗中心發布的《細胞治療產品生產質量管理指南（試行）》中，第六章廠房、設施與設備中建議宜采用密閉系統或設備進行細胞產品的生產操作；而世界范圍公認度較高的藥品檢查合作計劃（PIC/S）系列GMP 指南中對先進療法產品（ATMP）則從防止交叉污染的角度提出了對密閉系統的使用和驗證要求。盡管管轄范圍略有差異，兩個指南都包含了對追溯系統雙向跟蹤、計算機化系統等的要求[2]。

具體到更細的技術發展角度，則有2019年11月美國國家科學基金會支持制定的《細胞制造產業路線規劃圖2030》（Cell Manufacturing RoadMap to 2030）中提出細胞生產工藝過程和質量檢測/監控應發展自動化方案，強調了在整體控制的自動化細胞制備系統中，實現分析反饋功能，即在細胞制備的工藝流程中實現非破壞的實時檢測關鍵質量參數CQA，并能根據數據分析結果，及時調整體系環境以利于保障細胞治療產品制備環節的高質量進行。

總之，自動化封閉式細胞處理系統作為一種替代或補充手工制備方式，用于實現大規模標準化生產CT產品的新設備和新技術，有必要在推廣之初從質量源于設計的理念出發，分析適應產業機構和產品應用者需求的設計方案，以期獲得更好的發展。

1 功能需求

CT產品是指按藥品批準上市的經過適當的體外操作（如分離、培養、擴增、基因修飾等）而制備的人源活細胞產品，包括經過或未經過基因修飾的細胞。此類產品與傳統化學藥物或標準化程度較高的生物制劑存在較大差異，目前大多數制備機構以人工操作方式進行生產制備，到了大規模擴增階段，往往出現人力緊張和隨之而來的質量影響。為了實現細胞治療產品的大規模標準化生產，需要結合其特性和一般工藝流程確定對生產系統的功能需求，并對關鍵質量屬性實施風險管控，從而設計開發或選擇合適的處理系統。[3]

1.1 產品質量屬性和風險應對

CT產品的制備原料來源于人體，可能含有傳染病病原；不同供者的個體化差異，會影響不同批次產品的活性、數量等質量屬性。活細胞是細胞治療產品最重要也是最脆弱的成分，為了保障其活性，需要合適的生產/保存介質和環境，也因此無法采用高溫高壓等終端滅菌手段，一旦污染則很難挽回。故此，CT產品的生產過程中需要設置更多的檢測項目和保障措施，以應對各類風險，具體見表1[4]。

1.2 系統工藝流程

CT產品的實現過程一般包括三個部分，在醫療機構中獲得產品原材料的前端過程，制備儲存機構中進行的中段生產、檢測和保存環節，以及醫療機構中進行的應用及后續跟蹤過程。除去在醫療機構進行的前后兩端環節，中間環節可以通過自動化封閉式細胞處理系統替代人工操作，實現除保存外的一般工藝流程以及過程檢測監控，如圖1所示。

1.3 其他要求

基于監管需求和產業中各相關方的知情權和隱私保護要求，對于細胞處理系統的軟件部分還需能夠實現身份標識的轉換和追溯，分批生產、監測分析、過程操作等的數據記錄、分析、反饋、保存和傳送功能。

除了產品實現的需求外，對于產業機構來說，應用自動化封閉式細胞處理系統的成本和收益是必須充分考慮的，系統配套使用的一次性耗材，還包括容器和監測元件等需要考慮材料的供應成本，穩定而更具性價比配件供應是企業是長期使用系統的必然選擇。

對于功能集成式的系統，內置裝置如機械手臂等則需設置自動清潔及消毒滅菌功能，減少外部引入污染和批次間交叉污染的風險。

2 模塊化設計思路

2.1 系統內功能單元

為了達成前文提到的需求，應結合細胞培養的介質或形式配置系統的功能單元，傳統細胞培養一般根據細胞本身特性分為貼壁和懸浮兩種形式在液體基質中培養。隨著技術的發展，還出現了纖維骨架、膠體培養基或微載體等可以支撐細胞，實現更好的空間利用率的大規模培養形式。盡管不同的培養形式在流程環節上存在一定差異，但總結下來，不管是通過管道或細胞粘附載體實現連續生產的系統，還是以自動化機械替代人工在環節間轉移的非連續系統，其中應至少有分離、培養、檢測、控制、包裝等功能單元，如圖2所示。

2.2 自動化功能實現

自動化功能在系統的各個單元中的實現應是協同一致、相互關聯的，通過實時監控評估當前環節的運行狀態，根據預設情況及時反饋調整，并能發現故障報警提示工作人員接管處置。對于處在信息化工業化轉型階段的使用機構來說，還應能實現多臺系統的聯動控制，數據統合，接入使用機構的整體控制系統[5]，軟件部分應能夠更新升級，具有自建程序功能。系統的生產者可以根據這些功能的實現方式在設計時列為關鍵工藝參數CPP，并在使用過程中與使用者共同進行驗證。結合一般細胞制備工藝進行總結，自動化功能的實現和需要驗證的CPP如表2所示。

對處理系統中生產的CT產品的關鍵質量屬性起到自動化控制作用的是在各個工藝環節中的檢測反饋子系統，受到檢測技術的發展水平所限，目前還無法在系統內實現對所有過程檢測項目的實時檢測，根據取樣檢測的不同方案可分為線外、線內、線下三類，然后由系統根據內部傳輸或外部回傳的檢測結果數據進行控制調整或是人工協助調整，具體實現和對檢測反饋子系統的驗證要求見表3[7]。

3 已有機型簡介

目前已經有一些自動化封閉式細胞處理系統上市，不少CT產品的制備企業也會根據其產品特性選擇使用，根據主要的設計差異，可以分為通過管道進行細胞制備流程的連續型系統，和通過自動化傳輸裝置連接單功能設備組成的功能集成式系統。

3.1 連續型系統A

連續型系統比較適合用于懸浮生長的免疫細胞產品的制備，比如美天旎的“CliniMACS prodigy系統”和Lonza的“Cocoon系統”就在多家CAR-T生產企業使用，可以實現磁珠分選分離獲取目的細胞，全封閉擴增，病毒轉染，pH監控等功能，產出細胞的安全性和有效性符合GMP管理和臨床應用要求，細胞的性能檢測達到合格標準。這類系統的特點是可以隨產量需求并線擴展，并且對外部環境的潔凈度要求較低，空間需求較小[8]。

3.2 功能集成式系統

非連續性的功能集成式系統比較多見于貼壁或立體培養的干細胞產品的制備，比如筆者所在企業使用的賽動智造出品的“Cell Auto全自動細胞智造系統”的2.0定制版，該系統可以實現A級環境保持與污染控制、制備過程精確操作（復蘇、配液、培養、傳代、分離、終產品封裝等）、細胞智能識別與狀態評估、庫存物料動態規劃、生產安全監控、防篡改數據儲存等。經過三個批次的生產驗證，產線的封閉性要求符合GMP的無菌環境需求，產線制備的細胞在安全性、有效性、細胞基本特性方面與人工制備相比均無顯著差異且符合質量標準。并且智造產線在細胞均一性和產能提升、成本優化和部署的優越性方面更有優勢[9]。

4 應用和發展趨勢思考

細胞處理系統目前還未成為行業主流的生產方案，一方面是因為CT產品來源多樣，制備流程差異化較大，而自動化技術在應對個性化程度較高的任務時仍存在不足；另一方面則是目前很多CT產品尚處在臨床試驗階段，細胞處理系統的前期投入較大，對于未上市的產品來說，小規模產出的性價比不如人工制備方案。然而，從發展趨勢的角度來看，目前獲批臨床的產品已有上百款，未來幾年，很有可能出現多款細胞治療產品實現上市，形成CT產品大規模生產的需求。到了這一階段，細胞處理系統相對于手工生產方案更有助于企業滿足按照GMP要求生產的各項標準，可能會帶來更廣泛的應用。

結合前文對系統功能模塊化設計和風險控制的分析以及已有產品的應用情況，我們對細胞處理系統未來的發展趨勢有一些思考，希望與產業界同仁討論。

4.1 實現更多樣的過程檢測

目前仍有許多復雜的過程檢測項目需要在系統之外進行，取樣過程可能增加污染風險，且無法及時獲取結果進行應對。在系統中加入如微流控等微量取樣檢測技術，有可能提高系統反應效率，但這需要更多跨專業領域的協作，如試劑研發，探測元件研發等。

4.2 實現更精準敏捷的質量控制措施

基于QbD理念進行設計制造的細胞處理系統，一般根據不同的過程設置關鍵質量參數，監測實施過程的達成情況，并進行反饋控制。但是在實踐過程中，生產環境、裝置設計和軟件硬件的配合等因素都有可能影響控制措施的效果，例如微量細胞因子的加入和消化時間的控制等，這些具體細節的控制措施除了設計時的考慮，也需要大量的生產實踐驗證和試錯改進，這需要工程機械、軟件開發、細胞工業等從業者的多方合作。

4.3 實現更精細靈活的模塊化定制系統

在產業技術快速發展的形勢下，產品的多樣性和技術的復雜性對細胞處理系統的靈活性提出了更高的要求，例如不同嵌合抗體的病毒轉染技術，電穿孔導入技術等，對于系統的制造機構和使用機構來說，應用模塊化的設計，通過標準管道和線路連接，使得新增功能模塊能與原有系統整合，正是個性化需求之下實現標準化大規模生產的低成本選擇。

4.4 實現更經濟方便的系統配件供應

為了避免批間污染，封閉式系統中需要應用到大量的一次性耗材，如輸送管道，培養器皿、取樣器皿等，如果能夠在已有標準化產品，如臨床檢測用耗材中選擇合適的適配產品，能夠有效控制長期使用成本。結合近幾年中美貿易戰引發的行業供應鏈危機情況，對于我國生物醫藥上游供應鏈的相關從業機構來說，若能與系統生產機構及CT產品生產企業展開合作，不失為一個擴大發展的機會。

5 結 語

總而言之，自動化封閉式細胞處理系統是細胞治療產品制備機構實現GMP生產要求和平衡生產成本的一個良好選擇，在生產實踐中應用模塊化設計，有利于制造機構對系統的持續改進和推廣，對使用機構來說也便于隨技術革新更新設備。為了有效的應對質量安全風險，設計時就應該綜合考慮制備流程中的環節和功能要求，監測位點和關鍵質量參數的設置，實操驗證要素等，尤其應關注自動化功能的實現，機械裝置在微量體積和微小距離上的控制，過程取樣和記錄追溯性等情況。此外，軟件和硬件均應留有升級的空間，上下游相關機構間建立合作溝通機制，從而有助于細胞處理系統的持續改進和細胞治療產業的發展壯大。

參考文獻

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作者簡介

李嬋，通信作者，碩士研究生，工程師，研究方向為細胞治療質量和標準化管理。

鐘桂強，本科，工程師，研究方向為干細胞制備和智造生產轉化。

廖延，博士研究生，高級工程師，研究方向為干細胞轉化應用。

（責任編輯：張瑞洋）

基金項目：本文受深圳市科技計劃重大專項基金項目“間充質干細胞創新藥物關鍵技術研發”（項目編號：KJZD20230923114504008）資助。