如何将生物药连续化生产变成现实？
- 2024-07-24 09:27:30
在生物制药行业，连续生产技术因其具有更高效、更灵活等优势，已经成为生物药物未来的发展趋势。已有大量研究报道证明了对于生物制品，推动上游和下游工艺的连续化生产有助于提高产品质量，提高生产效率，减少厂房占地面积，显著降低生产成本，实现更加灵活的生产过程。
在生物制药上游工艺中，连续灌注细胞培养已经相当成熟。已有十几款药物采用灌流工艺进行商业化生产。然而，连续下游工艺在已上市生物药品生产中并不常见。生物药下游工艺的连续化生产依然面临诸多挑战。下表列出了目前全球范围内布局连续化生产的企业建设情况。
Source：根据公开信息整理
连续生产平台建设与运营中的主要挑战
连续生产平台建设或运营过程需要考虑以下几个方面： 1 连续性与可放大性：典型的抗体下游连续流工艺包括灌流培养、亲和捕获层析、低pH灭活、精纯层析、除病毒过滤和超滤换液等步骤。工艺路线较长，在连续生产过程中需要保证步骤之间衔接的连续性，不同设备或工艺步骤间的质量流量/体积流量需要考虑冗余匹配性。其次在运行过程中需要考虑单体设备与全局工艺的自动化，运行过程应尽量减少人工干预，以降低连续生产出现扰动的风险。 2 长期运行稳定性：连续生产过程灌流培养往往需要连续运行数十天，对于下游设备及耗材长时间运行稳定性带来了不小的压力。需要充分考虑设备长期运行的稳定性，其中设备核心模块泵、UV、pH、电导等检测模块稳定性尤为重要。填料寿命、耗材耐受性以及长时间运行下的生物负荷控制等也需要被重点考虑。除此之外下游连续生产过程需要消耗大量缓冲液，对缓冲液稳定性和缓冲液持续供给提出了更高要求。 3 过程控制策略：在线PAT分析是非常有效的工具用于实现连续生产过程的监测控制和实时放行同样可以用于工艺动态控制。在连续流工艺开发阶段需要充分考虑工艺边界范围对产品质量的影响，以应对连续生产动态控制过程中可能出现的扰动。
图1：端到端连续流生产工艺示例
作为生命科学领域的先行者，***直致力于帮助生物制药企业提供降本增效的解决方案。端到端连续流平台放大生产解决方案可以应对以上的诸多挑战。接下来将分别介绍下游连续生产的4大平台技术。
图2：连续流平台化放大生产解决方案
01 AKTA PCC—高效智能的下游连续层析平台
有关PCC技术在蛋白A亲和层析方面的应用，已经有不少的报道，在灌流培养工艺中对于下游连续捕获的***大挑战是细胞罐内表达产物的浓度持续变化，如果需要实现和连续捕获的无缝对接，就需要连续捕获的系统具备根据浓度变化动态调节上样载量。连续流层析系统 (Periodic counter-current chromatography) 针对这***工艺特点，开发了UV动态控制 (Dynamic Control) 功能，串联上样时两根层析柱前后各有***个UV检测器，用于实时监测在线的UV变化。如图3，通过计算进样料液的UV值 (UV Sample) 和经过第***根层析柱后的穿透UV值 (Breakthrough Curve) 与基线 (Base Line) 的差值来计算ΔUV，在工艺开始前通过设定ΔUV来控制上样终点，可以实现对上样过程的实时动态监控，确保上样过程可以有效识别不同层析柱间的体积差异，并且根据实际料液浓度的变化或柱效的变化进行灵活的调整，保持第***根层析柱稳定的过饱和程度（图4A，4C）, 从而达到每根层析柱纯化效果的稳定（图4B，4D）。保障洗脱样品浓度及收集体积的稳定性，***大化利用填料载量及工艺效率。进而保障后续连续病毒灭活及连续精纯过程运行流速稳定及工艺载量的***致性。
图3：ΔUV计算逻辑
图4：ΔUV智能化动态控制功能连续应对料液瞬时扰动
得益于在工业***连续流层析系统 (Bioprocess PCC) 上各柱位间可以任意串联，Bioprocess PCC连续流层析系统同样可以应用于连续精纯工艺的生产，比如直通式 (STP) 连续层析工艺模式。其主要优势在于将两个精细纯化步骤进行自动、连续化的衔接，以减少和消除步骤中间的等待时间。以经典的抗体精纯工艺为例，根据具体工艺的不同，可以将直通式设计为结合洗脱模式 (B/E) -流穿模式 (FT) 的衔接，或者流穿模式 (FT) -流穿模式 (FT) 的衔接（图13）。已经有实验数据，表明了这两种直通式设计，衔接前面步骤的蛋白A连续层析捕获，可以取得合格的抗体质量结果 。
图5：STP连续层析工艺模式
工业***连续流层析系统 (Bioprocess PCC) 采用SS不锈钢设计，搭配高性能LEWA隔膜泵以及自研UV900紫外检测器可以支持>2000h长时间运行。支持30天以上的的持续运转，可以降低连续生产过程宕机风险。
02 Cadence VI***次性全自动连续低pH病毒灭活系统
Cadence VI系统是***款全自动连续低pH病毒灭活系统，搭配有两个收集mixer、酸碱泵（外接袋子或Mixer）和转料泵。通过程序自动控制按顺序自动执行：洗脱液收集、pH值降低、低pH值孵育、pH值中和，以及样品转移到下***个单元等操作。可以实现病毒灭活过程的连续化生产，通过工艺设计可以完美的匹配捕获层析连续洗脱过程。对比手动低pH孵育过程，可节省30%-40%样品调节时间。实现无中断连续化运行，连续VIN运行过程视频演示如下：
↓连续病毒灭活过程演示↓
对于连续低pH孵育过程需要考虑以下几个方面： 1 亲和捕获工艺洗脱液浓度和pH可能会发生实时变化，需要根据在线检测pH值实时调整酸碱加入量。 2 用于反馈控制和实时检测pH探头需要有更高的精度和稳定性用于支持连续化长时间运行。 3 系统死体积，需要采用无死角设计以***大限度防止孵育样品与未孵育样品互混的风险。 4 自动化软件实现连续病毒灭活工艺***键启动，***小化手动操作，降低误操作风险，减少人工成本。
Cadence VI采用独特的pH探头设计，能够快速润湿，提供准确读值并可以实时反馈酸碱泵的启停。pH探头可进行高压灭菌，使用前可以进行无菌对接，确保使用时无外源污。pH探头能够长时间稳定工作，提供准确的pH值，使用过程中无需再进行校准。连续48h运行过程见下图；与外部校准过的pH探头相比，系统的pH探头误差在±0.05 pH范围之内，优于±0.1 pH精度范围。
图6：长时间（48h）灭活过程pH探头稳定性测试
Cadence VI搭配的交互式软件，代表了***新***代的自动化理念，所有交互和工作流程都经过精心设计和测试。操作直观便捷，内置Flowkit安装向导，***大限度地降低误操作风险，轻松实现人机交互。内置全套方法模板，兼容批次和连续两种处理模式，可实现快速配方编辑，***键启动，保障低pH孵育及回调过程全自动化运行。
03 IC在线配液技术-简化缓冲液配置，降低配液成本
连续下游工艺中有相当大体积和数量的缓冲液需求。对于500L规模灌流连续生产工艺，整个生产过程预计需要消耗数万升缓冲液，这些缓冲液如果采用传统方式***次进行配置，需要大量厂房空间进行存储，不锈钢罐体硬件成本投入高，通过在线配液系统定期配置缓冲液可以缩小存储罐体积，解决以上问题。的在线配液技术 (IC) 的设计理念是基于PAT动态反馈技术，使用单***组分的共轭酸、碱、盐、水和添加剂等作为单***母液组分（图7），根据缓冲液CQA的不同要求，采用不同的反馈控制回路（图8），实现了配制的缓冲液达到预期的缓冲浓度，盐浓度或电导率、pH等CQA要求的配液技术。在线配液系统简化了缓冲液的制备，并显著降低了储罐体积、缓冲液配置数量和占地面积实现缓冲液的自动化配置。够缩短了人工制备时间。 （来源： ）
