灌流——激发细胞培养的更高潜能!

  • 来源:瑞普利金(上海)生物科技有限公司
  • 时间: 2015/11/13
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    灌流培养技术最早在80年代既已出现,主要是由于当时生物制药行业所用细胞系的生产能力较差,导致产物浓度较低。而后一段时间,由于批量和补料分批工艺产物滴度的增加,降低了生物制药行业对灌流的需求。



    而现在灌流技术重获青睐的一个主要驱动力是其可降低细胞培养时产物在生物反应器内的滞留时间,从而维持产物质量。当然,不断增加的成本压力,也在驱动着生产商提高生产效率,并降低成本,而包括灌流在内的连续工艺被认为是最可行的解决方案。

     

    在细胞灌流培养模式中,新鲜培养基不断补加,而耗竭培养基连续清除,同时,细胞被截留在培养体系内,细胞生长和生产的最佳条件得以维持,从而获得细胞密度更 高、培养时间更长的培养工艺。此外,在灌流过程中,产物也可周期性地取出,并与代谢废物分开,从而有利于不稳定蛋白的质量维持。


    传统的细胞灌流培养设备包括离心、沉降以及超声等方法,但或多或少会干扰细胞培养的进程,而基于中空纤维切向流过滤的灌流设备的出现,可以说是灌流工艺发展的重要一步,其在分离选择性、可放大性以及细胞活性的维持方面都有显著的优势。据估计,约有80%以上的商业化灌流生产使用基于过滤的灌流设备。

     

     

    实践中的灌流

     

    目前,很多公司都使用灌流技术进行生物药的生产,很大一部分原因是其产品在生物反应器内不稳定,必需尽快取出,以使产物降解或错误修饰的可能性最小化。


    除了改善敏感生物制品的产品质量外,也有相当一部分的公司更关注灌流在降低硬件生产设备规模方面的优势,因其具有更出色的仪器使用率,从而提高相对产率。可以说,随着对连续工艺兴趣的增加,药品生产商、仪器供应商以及学术界对于灌流技术的兴趣在不断加强。

     

    灌流的优势

     

    合理设计的灌流工艺可显著提高单位体积产率,降低生物反应器体积,进而促进可抛弃型技术的使用。结果是增加操作灵活性、降低硬件和操作成本、加快速度(包括设备准备和生产操作)。

    此外,由于生产规模的显著降低,就有可能在研发实验室使用相同的控制/自动化系统进行开发和生产规模放大工艺,而无需在生产过程中进行工艺规模放大,显著降低技术转移风险。且由于灌流工艺可用于生产不同的蛋白质(稳定或不稳定),所以可降低生产场地转移的风险,有利于工艺的标准化。


    产品质量也是重要因素。由于与补料分批相比,产物在反应器内的滞留时间降低了,所以可降低与产物降解/修饰相关的风险,灌流工艺可达到稳态产品质量,简化下游操作,所有这些都有利于降低异质性,提高产物一致性。

     

    灌流与下游连续工艺的整合


    灌流生物反应器与连续下游工艺的整合将进一步增加灌流的优势。如果生物反应器与下游纯化之间的所有操作单元都是连续的,就可以降低产物在操作单元之间的滞留时间,下游设备尺寸也可缩小,甚至使用可抛弃型技术。应用合适的工艺分析技术(PAT)还可实现整个生产工艺的自动化,无需操作人员的介入。


    健赞已经成功实现了生产规模下,灌流生物反应器与连续捕获的整合,用于生产多种模式酶及单克隆抗体。完全连续工艺也已在实验室规模下得到了理论性证实。

     

    灌流的挑战

     

    虽然对灌流和连续工艺的认知不断加强,目前仍存在诸多挑战。一是缺乏可用于在线评估产品质量参数的传感技术,如蛋白质折叠、聚集、糖基化,只能间接地在线监测,如监测溶液的温度、pH、电导率等,而产品质量只有取样分析后才能确定。


    质量源于设计(QbD)和设计空间的研究也较复杂,因为在延长的时间内维持产品质量的能力,必需在完整的生产运行中进行验证,可能需要几周,甚至数月。


    其它的挑战还在于公司的认知和文化。对于传统上依赖于批量上游和下游工艺进行蛋白生产的公司,向灌流/连续工艺转移可能会有管理观念上的困难。因为对于公司来讲,这是全新的技术,可能还会带来额外的风险和成本。

     

    对未来的期许

     

    鉴于对灌流和连续生物工艺兴趣的增加,设备供应商正积极开发灌流工艺解决方案,主要的目标是使灌流更加稳定、可放大、易于操作。


    此外,开发新的、稳定的PAT传感器,以对工艺性能及产品质量进行在线监测,将有利于灌流和其它连续工艺的商业化推广。对于用于蛋白质生产的完全整合式可抛弃型平台,预灭菌的生产规模灌流系统也是必要的。


    自2011年来,FDA就开始支持生产企业向连续生产转变,因为连续工艺可认为是药品生产现代化的标志。可预见,随着生物反应器细胞密度的连续提高,以及单位体积产率的增加,对使用灌流技术进行蛋白质生产的兴趣会越来越大。结合连续工艺的潜在策略性优势,行业的接受度会进一步增加,反过来,这又会成为灌流及连续工艺的助推器。

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