连续生物工艺:机遇与挑战

  • 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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    目前,生物制品的商业化生产多采用批量工艺,即每个操作单元按顺序独立完成,产品在操作单元之间的流转通常需使用料液罐进行储运。

    而从批量向连续工艺的转变是现代化学和制药行业发展的标志。例如化学领域碳酸钠的生产,全球90%以上的厂家都采用基于连续工艺的索尔末法,而基于批量模式的勒布朗法已基本被淘汰,因为前者不仅提高了产量和产率,降低了环境污染和生产成本,同时提高了安全性。

     

    连续生物工艺的驱动力:成本 & 质量

     

    对连续生物工艺的兴趣主要来于两个驱动力:第一个是经济。生物药价格的降低使生产商的压力不断增加,而来自低成本生产商的竞争愈加剧烈,特别是生物类似物的生产。最近的经济模型分析显示,相比传统批量工艺,整合式连续生产平台可降低55%的成本。连续工艺还有助于多产品生产平台的灵活设计,从而大大降低起始成本投入,方便厂商在不同产品系列/需求之间进行有效的快速转换,优化生产策略。

     

    除了成本外,连续工艺还可通过对生产工艺中微环境控制和一致性的增强,来优化产品质量。使用批量模式生产进行生物药生产时,往往变异性较高。例如,使用CHO细胞生产单克隆抗体,在细胞培养的起始阶段,产品分泌到营养物丰富、裂解细胞较少的环境中,但产物会在反应器中滞留很多天,才能进行下游处理,从而导致产物生产和收获时的状态差异,包括糖基化特性、脱胺基的程度以及降解或聚集的水平。

     

    FDA最新的管理科学战略计划特别关注了质量源于设计(QbD)的使用,以改进生产工艺,确保并提高产品质量,其中确定了三个新的可支持生产质量提高的领域,一个就是使用连续工艺,并认为连续生产将是制药行业现代化的关键促进器。

    连续生物工艺技术:上游 & 下游

     

    关于连续生物工艺可用技术的报导很多,而大致的分泌型产物生物工艺应包括灌流生物反应器、澄清、初步的产物捕获、产物精制以及最终的制剂。对于细胞内产物或细胞性产物(如用于疫苗生产的病毒)可能还包括其它步骤,如细胞裂解。


     

    连续细胞培养技术已经开发了30多年。使用灌流生物反应器连续补加营养物并清除副产物,以进行单克隆抗体(mAb)和不稳定细胞因子的生产,已经是广为接受的技术。大约有20种单克隆抗体产品使用灌流系统生产,年销售额达20亿美元。在哺乳动物细胞灌流培养中,常用的细胞截留方法包括过滤、离心以及沉降等,其中基于中空纤维切向流过滤的细胞灌流培养装置最为生物厂商所接受,如仕必纯的KML细胞灌流培养系统,其优势包括:



    极高的分离选择性,有效分离细胞、耗竭培养基及产物
    极短的细胞罐外滞留时间,避免因低温或缺氧所导致的细胞损害
    液流更加温和,避免对细胞造成剪切应激
    可基于膜表面积简单地进行工艺线性规模放大
    更完整、全面的工艺监测及控制,方便工艺记录和优化

     

    与灌流生物反应器相比,合适的连续下游工艺技术仍有待开发,其中最为关键的是用于产物捕获的连续层析分离,目前在开发中的方法包括周期性逆流层析、模拟移动床层析、多柱逆流溶剂梯度纯化以及连续逆流切向流层析等,但尚无标准的商业化产品出现。其他的捕获技术还包括蛋白质沉淀和结晶、以及水性两相萃取技术。

     

    此外,基本上所有的生物药都需要使用超滤(UF)和洗滤(DF)来达到所需的产物浓度和缓冲液组成,如使用仕必纯KrosFlo MiniKros Pilot 自动化、多模式超滤系统。UF/DF工艺目前都是以批量模式进行的,如需连续操作,可使用膜级联和/或单通过切向流过滤来实现,当然前提是证明这些方法的有效性,特别是对于高度浓缩的单克隆抗体制剂。


    连续工艺的挑战

     

    连续生物工艺的基本原理已经明确,其优势也毋庸置疑,但仍有生物工艺专家对工艺的风险控制存有顾虑,包括仪器的稳定性和可操作性、在较长的工艺时间中维持无菌性、设备故障、法规审批的不确定性等。另外,实时工艺分析技术(PAT)的开发也非常关键,以确定连续工艺中关键产品质量属性的变化。其需与适当的整体工艺控制策略相整合,以确保连续工艺保持在确定的范围内。

     

    总结

     

    尽管还没有完全连续的生物工艺用于治疗性产品的大规模生产,但所需的技术已基本就绪了,例如使用连续灌流生物反应器进行多种重组蛋白的生产已经有较为丰富的经验,且下游工艺的连续操作单元也有了长足的发展。



    使用连续工艺可显著降低生产成本,可在单个设备中灵活进行多个产品的生产。此外,连续工艺中更短的滞留时间和更加一致的微环境有利于提高产品质量,特别是当实时工艺分析技术可与整体控制策略有效整合时。显而易见,使用连续工艺或混合工艺(部分连续)进行重要生物药的生产为生物药生产厂商提供了更多的机遇。

     

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