郭玉娟 裴新 郑小明 金冰 杨嫄嫄 查鑫华 张晓东 季宇

    自1986年第一个生物治疗药物上市以来,生物制药行业的生产工艺一直在快速发展[1]。到2023年,全球市场规模预计将达到2850亿美元。目前,细胞培养工艺仍以分批补料(Fed-batch)工艺为主,原因为Fed-batch工艺相对简单和相对简单的可放大性。通过细胞系工程、培养基开发和工艺控制改进,实现了更高的比生产率、较高的活细胞密度(viable cell density,VCD)、延长培养时间,已将表达量从每升几十毫克提高到>3 g/L,成本大幅降低[2]。

    单克隆抗体(monoclonal antibodies,mAb)的生产成本仍然远高于小分子,并且需要增加产量来满足市场需求。因此,降低mAb 生产成本、减少供应短缺、提高生产力和产量是生物制造行业面临的最重要挑战[3]。强化工艺(process intensification,PI)是上游工艺中倍受关注的新技术。强化工艺是连续进行培养基置换,使用截留设备将细胞保留在生物反应器中,使细胞维持稳定的状态。强化工艺能达到较高的细胞密度及蛋白产量。本文将讨论强化工艺在生物制药上游工艺开发中的应用,包括N-1种子培养步骤以及N生产培养步骤。

    1 强化工艺概述

    强化工艺采用创新技术和方法来实现工艺改进,从而显著降低制造成本。在生物制药上游工艺方面,传统的上游工艺开发路线包括从最早的种子复苏、摇瓶扩增、种子罐扩增到生产罐。因此,整个路线可以分为种子阶段和生产阶段。强化工艺可应用于N-1种子培养阶段以及N生产培养阶段。前者可以实现高密度种子培养,后者可以进行Perfusion、高密度接种培养、浓缩补料批培养(concentrated Fed-batch,CFB)等。

    2 N-1种子阶段

    2.1 N-1 Perfusion N-1 Perfusion指在N-1种子生物反应器培养阶段使用细胞截留装置将细胞截留在反应器内,同时进行培养基置换,使细胞维持在营养成分充足且较少代谢废弃物的健康环境中,从而在短时间内(通常5～7 d)达到较高密度[(20～100)×106cells/ml],同时维持较高活率[4]。传统Fed-batch接种密度通常在(0.4～2.0)×106cells/ml左右,由于接种密度较低,培养前期主要是细胞生长阶段,这种非生产性生长阶段延长细胞培养运行时间,降低生产率[5]。Padawer等[6]通过高密度接种(8.0×106cells/ml),培养8 d即可达到与低密度(0.5×106cells/ml)接种培养14 d相同的蛋白产量 ......