如何通过一次性连续生产和工艺强化生产生物药

由于大量人口负担不起处方治疗，药物的高成本多次成为医疗保健行业的主要瓶颈。在分子水平上，许多创新正在进行，包括各种重组单克隆抗体(mAB)、抗体偶联药物(ADC)和基因疗法。在靶向基因治疗的情况下，目标药物应该个性化且对各种个体有效，这一点至关重要且具有挑战性。由于被称为biobetter的药物的创新和改进，医疗保健行业正在瞄准特定的患者群体，并在需要时提供持续的供应。此外，我们必须能够应对医疗保健行业产品管线的动态环境，以管理由于公司之间的竞争而导致的产能不确定性，当我们进入市场时，产能规划变得非常困难。为了解决昂贵的生产基础设施的问题，最好选择合同制造组织（CMO），这样可以节省设施建设成本，因为无论产品的生产如何，都会存在设施运行成本和折旧成本。然而，与此同时，与CMO相关的监管和其它挑战值得深思熟虑。因此，通过工艺强化来生产产品在经济上是有利的，通过这种工艺强化可以运行重复批次，以使用相同的设施有效地大量生产材料。与传统的生产设计相比，即使通过工艺强化使整体产量增加几个百分比，也是对整体利润的补充。随着上游工艺越来越精炼，下游工艺也在采用新一代的成本效益更高、效率更高的层析填料。为了与连续上游相匹配，下游也正在努力进行连续工艺，以减少过程中的中间保持时间。此外，在工艺中添加一次性技术带来了治疗药物生产的革命，与传统的不锈钢技术相比，它具有更大的优势，因为这可以降低系统的清洁、在线灭菌(SIP)和维护成本，也节省了潜在的时间。当生产设施占地面积较小时，工艺强化和一次性技术更有助于降低产能不确定性的风险。例如，为了满足需求，降低初始阶段的资金风险，建议横向扩展而不是纵向放大。在横向扩展中，较小的设施将努力生产越来越多的剂量。如果生产商对市场需求和供应有把握，那么建造一座传统的大型生产设施是一个不错的选择。但是，它也有投资大的缺点。另一方面，如果目标是不确定的需求、短期供应或需求有限的特殊产品，那么占地面积更小的一次性技术是更好的选择。为了在不断变化的市场中取得成功，一次性技术可以在短时间内以更少的资本投资灵活地处理操作。随着人口的增加，一些药物对许多人来说变得昂贵。因此，为了降低价格，生物制药公司正在采取具有成本效益的措施。自动化、工艺集成和数字化是从批次工艺模式转换为连续模式必不可少的工具，因为这些是未来设施设计的基础，而工艺强化是连续生产的重要组成部分，它们消除了困难并提供了节省成本和时间的优势。Part1、上游和下游工艺的状态

为了应对当今竞争激烈的生物仿制药/生物药市场，各行业必将开发可集成到大部分生物药产品管线中的先进技术。现在，是时候建立能够满足小规模生产要求的良好生产规范(cGMP)设施了，其需能处理多种产品。如今，生物技术行业的每个功能都在经历一个进步的步骤，无论是设备、上游工艺培养基，还是下游介质/填料。由于设备、技术和工艺设计的不断进步，大型生物反应器可以被小型和完全一次性的技术所取代。当我们将其与1982年至2004年产品的生产力范围进行比较时，生产力/滴度增加了8到10倍，并且许多生物仿制药和生物药达到了5g/L以上。灌流生物反应器在生产力方面表现出了显著的成果，比批次培养高出25倍以上。此外，为了应对这种高滴度，下游工艺已开始包括新出现的工具，比如以用高通量膜层析代替层析填料。现在，即使对于像ProteinA填料这样的亲和层析，也可以提供基于膜的形式，与常用的ProteinA填料相比，这将具有高流速、高生产率和纯度的额外优势。通过这种方式，可以使用新颖和先进的工艺技术生产出负担得起的生物治疗药物。下游生产过程中的一些操作是对上游的补充，它给人一种连续的“错觉”，但事实并非如此。由于下游包含多个层析步骤，连续模式下的操作很少见，并且通常仅限于一个或两个步骤。实际的连续生物工艺需要工艺强化，而不是批次间的重复循环运动。与以前的模式相比，只有降低了复杂性，使工艺变得“轻松”，才可以称为连续工艺。Part2、调整上游工艺

在上游，当补料分批工艺规模放大时，有两种方法可以提高生产率。其中之一是使用更大的生物反应器罐，这将需要扩大工厂，另一种方法是使用多个定期收获的生物反应器。然而，这最终将导致对下游施加高压。为了与上游相匹配，将需要使用多根柱子和多套过滤设备，以匹配多个生物反应器收获的频率。例如，对于商业规模的mAb生产，传统的补料分批生物反应器通常在10,000-25,000L不锈钢罐中培养细胞7-21天，产品产量为2-6g/L。上游工艺领域的新兴趣正在增长，以在较短的培养时间内获得更高的滴度。为了实现这一目标，在开发高产量和稳定的细胞系方面不断取得进展，从而提供高滴度，可以显著减少设施占地面积。灌流生物反应器通常运行较长时间，并且可以达到比补料分批反应器高10-30倍的细胞密度。在固定的时间间隔内，连续取出部分收获液，并为其提供新鲜培养基。通过这种方式去除不必要的副产品，并定期添加新的生长促进剂物质。通过这种方式，与具有相同反应器体积的补料分批装置相比，使用灌流生物反应器可以提高>4倍的生产率（以mg/l/d计）。因此，在有限的空间和资金成本内，可以连续生产相同数量的产品。灌流反应器的实施已成功商业化，从大型生物制药公司，如辉瑞、基因泰克、夏尔和健赞/赛诺菲到小公司和创新疫苗生产商，如CMCBiologics和Crucell。尽管该技术仍然存在挑战，例如由于操作的复杂性和强度，需要进行大量的中、高水平操作员培训，但来自小型罐和设施的经济收益对工艺考虑具有关键影响。Part3、调整下游工艺

下游工艺是继上游工艺之后的第二个复杂且昂贵的步骤。现在可以在纯化/下游进行连续操作。主要的纯化步骤，如澄清、亲和层析，以及中间和精纯步骤可以结合起来，设计成包括用于连续操作的一次性技术。在澄清中使用离心机难以扩大规模，并且在更大或商业规模下操作复杂。作为离心的替代方法，一次性连续工艺已成功证明可用于(Humira®)的大规模商业化工艺，并使用灵活且多功能的一次性深层过滤系统，如Stax(Pall)。Millipore的两级深层过滤器（Clarisolve、D0HC和X0HC吸附式深层过滤器）也可以直接用于生物反应器，也可以在添加絮凝剂后使用，以沉淀培养物或细胞收获物中存在的杂质。这些深层过滤器通过减少宿主细胞蛋白(HCP)和DNA杂质并去除细胞碎片，最大限度地提高后续层析柱的上样载量。在某些工艺中，可以将硅藻土添加到细胞培养液中，以防止深层过滤器堵塞，从而以一次性形式最大效率地澄清较大的批次体积，如SartoclearDynamics(SartoriusStedimBiotech)所示。各种柱层析技术，如亲和层析（AFC）、离子交换层析（IEX）、疏水相互作用层析（HIC）、复合模式层析（MMC）等被用于纯化分子。通常，层析柱尺寸是根据单位体积流速而不是处理量来确定的，以提高生产率。这导致柱子过大，需要在大型柱子、相关设备和空间上进行投资。大型层析柱可能会遇到与规模相关的装柱问题，包括滞后、边缘效应和填料压缩。作为替代方案，行业正在使用具有成本效益的膨胀床吸附(EBA)、模拟移动床和膜层析法。在EBA中，所有三个步骤都集成为一个，例如澄清、过滤和捕获，这在成本、时间和空间要求方面都是有利的。在EBA中，粗收获液以向上流动上样至膨胀床。目标蛋白与层析柱结合，而细胞和其它微粒污染物会通过层析柱。松散结合的物料，例如细胞和其它颗粒污染物，会被冲走。随后，通过反转流动洗脱捕获的蛋白质。获得的输出将经过澄清、浓缩和部分纯化，可进行进一步纯化。尽管EBA具有较低资本支出、缓冲液消耗、时间和空间要求的优势，但其主要缺点是需要再循环和非特异性吸附，这会影响床的稳定性和整体纯化性能。第二代EBA稳健技术是一种先进的EBA。根据在BioProcess会议上提供的数据，与填充床ProteinA柱相比，RhobustMabDirectProteinA仅需要三分之一的工艺时间，提供高12%的更好收率，并仅使用一半的缓冲液体积，同时在纯度和增强的DNA清除率方面没有妥协。EBA是一种很有前途的选择，即使在生物反应器的细胞密度和生产力增加的情况下也能提高产量。EBA的使用消除了对应对粗进料料液导致的污染至关重要的大过滤面积的需求。模拟移动床(SMB)是另一种很有前途的纯化技术，它为进行层析提供了一种完全连续的方法。BioSMB系统提供连续进样上样和连续洗脱，因为多根ProA柱在不同时间循环进行上样、漂洗和洗脱的各个阶段加速无缝抗体纯化(ASAP)工艺是一种连续且完全一次性的mAbDSP，它基于AKTA周期性逆流层析(PCC)，包括ProteinA、阴离子交换和混合模式填料柱，这些柱同时循环。SMB模式的另一个优点是层析柱可以串联连接，第一根层析柱的任何穿透直接上样到第二根后续层析柱上，从而利用主层析柱的全部载量而不会损失任何宝贵的产品。这允许使用较短柱床高度的层析柱，该层析柱可以在更快的保留时间下运行，但可能具有较浅的穿透曲线，从而提高了整体生产率。与批次填料层析法相比，SMB的使用具有多项优势，包括将生产率提高30%，将上样载量提高40%，并将缓冲液的消耗减少27%。在SMB连续模式下执行程序不仅可以降低由于人为错误和过程中断而造成的高污染风险，而且还可以通过减少填料和缓冲液的量来降低运营成本。填料柱的另一种替代品是纳米纤维吸附，即Puridifye的FibroSelect平台，虽然结合载量低（10mg/ml），但可以在非常高的流速（2400cm/h）下操作，从而在连续工艺的同时实现高生产率。整体柱平台也可以证明便于mAb纯化，因为它们的高孔隙率结构可为抗体大小的目标物提供有效的传质。此外，由于材料制备容易，生产成本也降低了。整体柱操作尚未从分析规模很好地转化至工业规模。这些平台可从各种制造商处购买，包括Millipore、Sepragen、BIASeparations。填料层析法的另一种替代性选择是膜，现在因其高通量和易用性而广受欢迎。与依赖扩散的填料基球相比，传质以平流为主，允许在更高的流速下运行。Pall(Mustang)和Sartorius(Sartobind)等多家供应商提供了非常适合流穿(FT)应用的传统离子交换膜。然而，由于配基密度低，结合和洗脱(B&E)应用受到限制。N