高昂的產(chǎn)品成本和市場需求的不確定性是生物制藥領(lǐng)域的兩個主要挑戰(zhàn)。工藝強化和連續(xù)工藝以及一次性技術(shù)對于減輕這些挑戰(zhàn)有相當大的幫助，特別是當生產(chǎn)設(shè)施占地面積較小時。為了在當今競爭激烈的生物制藥市場中保持贏面，必然需要開發(fā)并采用先進的技術(shù)。生物技術(shù)領(lǐng)域的每一個功能，無論是設(shè)備、上游的細胞培養(yǎng)基、還是下游的填料和膜技術(shù)，都在經(jīng)歷技術(shù)迭代。在工藝集成中自動化理念的應(yīng)用推動了優(yōu)化的且具有成本效益的流程設(shè)計，并實現(xiàn)更高的生產(chǎn)率產(chǎn)品質(zhì)量和安全性。本文將簡要介紹在生物制藥生產(chǎn)流程中，應(yīng)用工藝強化和連續(xù)工藝以及一次性使用技術(shù)的當前發(fā)展。
連續(xù)單元操作定義為工藝的一個子單元，其中存在長時間的連續(xù)液流輸入以及最小的內(nèi)部保持體積。輸出可以是連續(xù)的，也可以分散成小批次，然后以循環(huán)方式生產(chǎn)。基于此定義，可以定義兩種不同類型的連續(xù)工藝：(1) 混合連續(xù)工藝，其中結(jié)合了批次和連續(xù)單元操作；(2) 完全集成的單元操作或端到端工藝。目前，混合連續(xù)工藝已成為生物制藥生產(chǎn)中的現(xiàn)實，其中可以區(qū)分出三種不同的類型：(1) 連續(xù)上游，然后是批次下游；(2) 連續(xù)上游和捕獲，然后是批次下游；(3) 批次上游，然后是連續(xù)下游。第一種類型最為成熟，一直用于生產(chǎn)治療性酶、血液因子和某些 mAb 。這種方法的開發(fā)實現(xiàn)了連續(xù)捕獲步驟，這解決了與下游工藝相關(guān)的高成本問題，因為捕獲步驟就約占成本的 25%。連續(xù)捕獲方法意味著澄清步驟后不再需要大規(guī)模儲罐，并且 Protein A 層析柱的尺寸理論上可以減小兩個數(shù)量級，這也促使緩沖液的用量顯著降低。在第三種方法中，細胞培養(yǎng)通常以傳統(tǒng)的補料分批模式進行，而一、兩個下游工藝操作是連續(xù)進行的，例如捕獲和精純，這可使連續(xù)層析柱變小，即成本降低。
近年來，各種一次性使用系統(tǒng)的普及推動了更強化且連續(xù)的 mAb 生產(chǎn)工藝的發(fā)展，因為現(xiàn)有的一次性使用技術(shù)有助于執(zhí)行強化的單元操作。具體來看，又可區(qū)分上游工藝強化和下游工藝強化。上游強化通常需要使用灌流技術(shù)，即細胞被截留在生物反應(yīng)器中，同時不斷置換部分細胞培養(yǎng)基。灌流工藝已可實現(xiàn)高達 200×10^6 cells/mL的活細胞密度。為了以最少的培養(yǎng)基消耗實現(xiàn)如此高的 VCD，需要使用單位細胞灌流速率 (CSPR) 來控制灌流過程。CSPR 描述了基于每天、每個細胞而供應(yīng)到生物反應(yīng)器的培養(yǎng)基用量，是單個細胞營養(yǎng)供應(yīng)的良好指標。由于在灌流過程中細胞需被截留在生物反應(yīng)器中，因此生物反應(yīng)器必須配備內(nèi)部或外部灌流裝置，以截留細胞。選擇合適的細胞截留裝置是灌流工藝開發(fā)中的一個重要考慮因素，其應(yīng)滿足以下特點：高穩(wěn)定性、高細胞截留效率、無細胞損傷、高產(chǎn)物產(chǎn)量、可放大、低運行成本以及連續(xù)收獲。常用的細胞保留裝置包括內(nèi)置旋轉(zhuǎn)濾器、TFF 系統(tǒng)、ATF 系統(tǒng)、聲波分離器以及離心。帶有內(nèi)部灌流膜過濾器的波浪式生物反應(yīng)器系統(tǒng)因為易于使用，常用于強化種子擴增。一次性使用灌流系統(tǒng)的出現(xiàn)促進了近年來高密度種子補料分批生產(chǎn)和濃縮補料分批工藝的發(fā)展。除了前面提到的強化工藝之外，完全連續(xù)的灌流工藝也備受關(guān)注，在這種工藝中，營養(yǎng)耗竭的細胞培養(yǎng)基和產(chǎn)物被連續(xù)排出，目的是達到一種穩(wěn)定狀態(tài)，從而在較長時間內(nèi)保持生產(chǎn)率和產(chǎn)物質(zhì)量，并降低偏差。與種子擴增或N-1階段的灌流工藝不同，連續(xù)灌流操作必須定期進行細胞廢棄，即Cell bleeding，以維持必要的恒定活細胞密度以及高細胞活力。此類工藝的目標運行時間通常為30至90天，工藝在穩(wěn)態(tài)條件下運行的時間越長，生物反應(yīng)器的時-空產(chǎn)量就越高。長時間的運行對生物反應(yīng)器及其內(nèi)、外部外圍設(shè)備在耐受性和無菌性方面提出了高要求。很多市售的一次性攪拌罐生物反應(yīng)器可針對連續(xù)灌流工藝和強化補料分批操作提供專門的設(shè)計。
由于強化的上游工藝可導(dǎo)致固體和細胞污染物以及蛋白質(zhì)聚體的濃度更高，因此收獲和后續(xù)處理比傳統(tǒng)的補料分批工藝更困難。下游工藝的強化主要有兩種策略：提高層析柱的結(jié)合載量或更有效地利用載量，或者 通過連續(xù)運行每個工藝步驟來提高生產(chǎn)率。對于 mAb 生產(chǎn)中的捕獲步驟，通常使用 Protein A，該技術(shù)在結(jié)合載量和穩(wěn)定性方面已經(jīng)經(jīng)過了多次迭代。強化捕獲步驟的替代方案是使用更為經(jīng)濟的層析技術(shù)，或者使用沉淀、目標產(chǎn)品結(jié)晶和兩相萃取等非層析技術(shù)。此外，還可以使用膜層析法代替?zhèn)鹘y(tǒng)的填料柱來執(zhí)行捕獲和精純步驟。膜層析法可在較低的操作壓力下實現(xiàn)更高的流速，且可用于結(jié)合-洗脫或流傳模式，但相比填料柱，其結(jié)合載量較低。強化下游工藝的另一種方法是使用混合模式層析法進行精純步驟，與逐個執(zhí)行幾個層析步驟不同，其使用結(jié)合了兩種或以上工作機制的填料作為層析柱的固定相。
工藝強化的最終目標是創(chuàng)建端到端工藝。這包括使用多柱或逆流層析的連續(xù)捕獲步驟。在多柱技術(shù)中，多根層析柱并聯(lián)連接并循環(huán)運行。因此，較小的柱尺寸就足夠滿足處理需求了。此外，這種方法消除了生產(chǎn)生物反應(yīng)器后的保持步驟，并減少了填料和緩沖液的用量。目前市面上已有符合良好生產(chǎn)規(guī)范 (GMP) 的多柱層析系統(tǒng)，并配備完整的一次性使用流路。該類系統(tǒng)通?？梢栽诮Y(jié)合-洗脫模式下用于捕獲步驟，在流穿模式下用于精純，包括離子交換、疏水或混合模式層析步驟，即通過結(jié)合雜質(zhì)而不是目標產(chǎn)物，實現(xiàn)連續(xù)操作。在mAb下游工藝期間還必須執(zhí)行病毒滅活和除病毒過濾步驟。連續(xù)病毒滅活有兩種方法：使用兩個交替操作的一次性混合罐，或是使用推流反應(yīng)器。連續(xù)除病毒過濾采用多過濾器概念進行，其中兩個單獨的過濾器并聯(lián)連接。一旦一個過濾器達到其處理量極限，如壓力限制，系統(tǒng)就會自動切換到另一個過濾器，此時可以無菌更換第一個過濾器。mAb 的制劑通常需要幾個 TFF 步驟，其中產(chǎn)物首先通過超濾濃縮，然后通過洗濾轉(zhuǎn)移到適當?shù)木彌_系統(tǒng)中，并通過第二個超濾步驟達到其最終濃度。單程TFF 是可用于蛋白質(zhì)濃縮和洗濾的連續(xù)工藝策略，可以通過增加膜面積和降低流速來增加過濾時間，以通過單個步驟達到目的。
當前對生物制藥行業(yè)的需求正在推動生產(chǎn)商走向過程強化，以提升單元操作或整個生產(chǎn)流程的效率。在上游工藝中，強化方案包括種子擴增強化、濃縮補料分批以及常見于生產(chǎn)生物反應(yīng)器的連續(xù)穩(wěn)態(tài)灌流。在下游工藝中，強化策略通常包括從單柱層析到多柱層析的轉(zhuǎn)變。強化的效益在于多個方面，包括降低運營成本、加快生產(chǎn)進度、提高產(chǎn)量以及增強靈活性。而對于強化或連續(xù)工藝，一次性技術(shù)是一個相輔相成且必然的選擇，其推動了現(xiàn)代化生物生產(chǎn)設(shè)施的建設(shè)，以一種更靈活、更具成本效益的方式。
作為國內(nèi)領(lǐng)先的一次性生物工藝技術(shù)供應(yīng)商，多寧生物提供從簡單的管路到復(fù)雜的管組以及生物反應(yīng)器在內(nèi)的全面的一次性技術(shù)平臺，以滿足生物制藥用戶對更靈活、更柔性且更安全的生物制造線路構(gòu)建的需求。借助多年的工程設(shè)計和合規(guī)制造經(jīng)驗，我們可更完美配合用戶的需求，使您從設(shè)計理念到生產(chǎn)操作再到合規(guī)驗證的路程更加順暢。
多寧生物針對生物藥生產(chǎn)工藝流程中的多個關(guān)鍵單元操作提供完全預(yù)組裝、預(yù)滅菌和定制化設(shè)計的一次性管組，包括一次性層析、超濾、除病毒過濾以及制劑/灌裝等，此類管組可使用內(nèi)部制造或來自經(jīng)客戶認證的合格供應(yīng)商的部件進行組裝，并采用開放式架構(gòu)設(shè)計，以符合不同現(xiàn)有硬件設(shè)備的操作要求，可充分滿足工藝性能要求。包括用于層析、超濾等在內(nèi)的關(guān)鍵單元操作的一次性管組已經(jīng)過大量用戶的廣泛測試。
一次性管組設(shè)計示例
一次性配液系統(tǒng)DuoMix?/Mini DuoMix?
DuoMix?/Mini DuoMix? 配液系統(tǒng)由支撐容器和控制系統(tǒng)組成，可為生物制藥工藝中的液-液、液-固混勻提供高效的攪拌效果，例如培養(yǎng)基配制、純化產(chǎn)品收集混勻。支撐容器材質(zhì)為304不銹鋼，控制系統(tǒng)為DuoMix?標準控制系統(tǒng)，滿足cGMP要求。配液系統(tǒng)有2 L – 3,000 規(guī)格可供選擇，并且可根據(jù)實際需求選配pH、溫度、電導(dǎo)、打印以及輔助蠕動泵等功能。
配液系統(tǒng)配合一次性攪拌袋使用，其袋體薄膜DuoFilm-001為7層復(fù)合生物專用膜，厚度0.3 mm，液體接觸層為ULDPE，具有優(yōu)異的理化性能和生物相容性。多寧生物確保一次性攪拌袋從原材料、產(chǎn)品組裝、滅菌工藝完全符合cGMP和生物制藥操作要求。
多寧DuoBio? Pro一次性生物反應(yīng)器采用底部攪拌式罐體設(shè)計，可實現(xiàn)從50 L-2,000 L規(guī)模生物工藝的連續(xù)放大，結(jié)合多寧完全自主研發(fā)制造的3D一次性細胞培養(yǎng)袋，具有良好的生物相容性優(yōu)點，其靈活的管路設(shè)計，滿足各類復(fù)雜的上游工藝過程；其獨特的攪拌通氣一體組合設(shè)計，不僅能降低剪切同時又保證了優(yōu)異的傳質(zhì)和混勻性能，放大前后工藝一致性好，可廣泛應(yīng)用于生物制藥工藝研發(fā)到GMP生產(chǎn)等各個階段。
*詳細產(chǎn)品信息，請聯(lián)系marketing@duoningbio.com
D.Müller, L.Klein, J.Lemke, et al., Process intensification in the biopharma industry: Improving efficiency of protein manufacturing processes from development to production scale using synergistic approaches. Chemical Engineering and Processing – Process Intensification, 2022.
K.V.K.Boodhoo, M.C.Flickinge, J.M.Woodley, et al., Bioprocess intensification: A route to efficient and sustainable biocatalytic transformations for the future. Chemical Engineering and Processing – Process Intensification, 2022.
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