1986年首个单克隆抗体(mAb)获批以来，治疗性单克隆抗体的开发和药物的制造工艺已经发生了演变。由于过去往往是未来的序幕，这里将这些技术的历史分为四个时代，并对未来时代在开发和制造策略以及对患者的潜在影响进行推测。
第一个时代包括在生产单克隆抗体(mAb)技术发现后，首次尝试进入单克隆抗体治疗开发。随后的时代带来了一系列技术的实质性进步，这些技术加速了产品开发时间表，降低了商业单克隆抗体的制造成本，并使数百万患者能够获得产品供应。每个时代五个关键要素如下：1) 时间框架，2) 生产培养液滴度的中位数范围，3) 每年最大产品需求估计（以吨计），4) 在该时期获得许可或批准的单克隆抗体数量，以及5) 在该时期所有单克隆抗体的总商业销售额。请注意，一吨单克隆抗体 = 1,000公斤 = 100万 × 1克剂量（因此，对于年度季节性预防治疗，这将是100万患者）。这些时代的数据总结于下表1中。
Kohler和Milstein在1975年首次创造了单克隆抗体，他们随后与Jerne在1984年共同获得诺贝尔奖，以表彰这些制剂可能为人类医疗保健、诊断和研究带来的潜在价值。这一发现对生物制药研究和开发产生了深远影响，截至2024年中近200种单克隆抗体获得批准用于治疗或预防疾病（https://www.antibodysociety.org/antibody- therapeutics-product-data/）。
Orthoclone OKT3（muromonab-CD3）是一种抗CD3小鼠抗体，用于治疗肾脏移植患者并减少移植肾排斥。由于当时可用技术的限制，OKT3是使用在小鼠腹腔中培养的杂交瘤细胞制造的；细胞以肿瘤的形式生长并分泌单克隆抗体，然后进行纯化和制备制剂。重组DNA技术的发展使得可以使用哺乳动物细胞系来生产随后的抗体治疗产品。
治疗性单克隆抗体的早期历史反映了当时可用研究方法的局限性所带来的并发症。源自小鼠的单克隆抗体在人类临床研究中失败，部分原因是患者在体内产生了抗药物抗体（ADA）。后续研究导致了嵌合序列的使用，这些序列更为成功，再后来发展为人性化和全人序列，进一步减少了这一障碍。这些进步最终使许多生物制药公司能够拥有主要基于单克隆抗体治疗的产品线。
在这个早期的重组单克隆抗体制造时代，关于单克隆抗体纯化方式的选择进行了丰富的讨论，特别是关于是否应在生产过程中使用蛋白A树脂。人们担心从树脂中浸出的蛋白A，如果存在于给患者治疗的产品中，可能会引起潜在的不良反应。利妥昔单抗获批后，证明了纯化产品中蛋白A残留水平非常低，并成为几乎所有单克隆抗体纯化过程中的主要捕获步骤。
虽然不是单克隆抗体，但Enbrel（依那西普）的获批和随后的商业供应挑战是第一时代的关键要素。Enbrel是一种可溶性重组蛋白，由肿瘤坏死因子（TNF）受体p75与抗体Fc融合而成，其制造过程与大多数单克隆抗体非常相似。在CHO细胞中生产的Enbrel于1998年获得批准，并由Immunex推出用于治疗类风湿性关节炎，Immunex与Wyeth有制造协议，后来被Amgen收购。Enbrel的商业需求迅速变得如此之大，以至于患者不得不通过抽签获得治疗机会，直到产品供应能够满足需求。在Amgen和Wyeth之间，作为供应Enbrel全球供应的两家公司，他们部署了六个最大的CHO制造基地同时生产Enbrel。
虽然这些事件发生在25年前，但在第三个时期(2020 - 2023年)的COVID-19大流行期间也有类似情况。从Enbrel事件中吸取的教训(即无法满足重磅产品的需求会产生巨大的负面影响)给开发单克隆抗体疗法的创新公司留下了不可磨灭的印记。因此，许多创新公司在CHO细胞生产设施上投入了大量资本资源，这导致单克隆抗体供需曲线出现钟摆效应，有利于创新公司的内部能力。
在第二时代，随着单克隆抗体治疗开发在全球范围内的扩展，许多创新公司和合同制造组织（CMO）使用的平台制造工艺得以建立。表1中显示的21年间的数据反映了一个成熟的行业。生产滴度、设施容量和产品需求都显著增加。这一时代的早期畅销产品包括Enbrel和Rituxan，以及Herceptin（曲妥珠单抗）、Humira（阿达木单抗）和Avastin（贝伐珠单抗）。这些和其他畅销产品自2000年以来的销售额一直在每年10亿至200亿美元之间。这导致许多生物制药公司投资于单克隆抗体制造技术。
因此，整个行业聚集在一个原料药生产平台上:使用确定化学成分的培养基进行批补料CHO细胞培养，通过离心澄清，蛋白A捕获，然后进行一到两个抛光层析步骤和病毒过滤，超滤和滤除，以保证产品的病毒安全性，浓缩和配制原料药。
在这一时期早期，生产培养滴度的增加引起了人们对纯化过程是否能够处理上游生产量增加的担忧。多篇论文和会议讨论集中在“纯化瓶颈”上。然而，上述单克隆抗体工艺平台的好处很快就变得明显。虽然许多早期单克隆抗体制造设施旨在处理低于2克/升的滴度，但许多纯化瓶颈可以通过增加用于捕获中间过程的罐体体积或循环色谱步骤来解决，不需要新的分离技术，只需要对相对成熟工艺进行简单修改就足可以满足需求。
随着对大规模CHO培养过程的信心增加，新制造工厂的设计基础也在发展。从市场对Enbrel的反应中吸取教训后，创新型公司通常首先推进制造网络的扩张。创新公司和CMO建造的CHO制造设施通常拥有12-25千升的生物反应器。这些通常配备6-12个生物反应器，通常下游有两个纯化生产线。这使得工厂能够同时生产多种产品，并解决了单一产品生产活动导致的瓶颈。
在第三时代，产品开发策略迅速转向，以加速推出单克隆抗体，以应对COVID大流行。许多公司（Lilly、Regeneron、Vir Biotechnology、AstraZeneca）和CMO/创新合作伙伴（Amgen、FujiFILM、Genentech/Roche、Samsung、WuXi Biologics）生产了用于治疗或预防COVID-19的单克隆抗体药物物质。对于任何单一产品，COVID单克隆抗体的总产量估计为每年2-8吨，总计超过30吨。表 1所示的滴度范围是在出版物或会议报告中报告的，反映了2010年代发展的最先进的细胞系开发和细胞培养生产能力所产生的高滴度。
2020年2月发表的一篇经常被引用的文章指出，2018年整个行业的单克隆抗体生产能力为每年25吨，但基于生产培养滴度的增加和设施的持续扩张，这一估计现在可以修正为每年80-100吨。COVID-19单克隆抗体已经治疗了数千万患者，这可能超过了迄今为止所有其他商业单克隆抗体治疗的患者总数。
与大流行相关的事件对单克隆抗体的开发和制造过程产生了重大影响。这种经验加强了关键药物原液制造目标，包括过程可转移性、过程简单性，以及药物原液制造和原材料供应商的双重采购。这些目标由多个创新公司及其合作伙伴追求，并在需要解决COVID-19大流行的背景下，通过加速监管审查和授权实现。
多个单克隆抗体被授权用于治疗和预防COVID-19，这得益于生产能力的大幅增加。在某一时刻，至少有九个非常大的规模（VLS）药物原液制造工厂参与生产COVID-19单克隆抗体。COVID-19单克隆抗体治疗的快速授权，加上已有200多个单克隆抗体治疗获得许可，承认它们通常对患者的风险较低，这对此类产品的未来发展预示着良好的前景。第二时代的滴度代表了那个时期的细胞培养技术，与使用更先进技术的COVID-19单克隆抗体组不同。
近年来，由于缺乏创新，一直有人呼吁重新发明单克隆抗体制造。COVID-19单克隆抗体产品开发的成功是否足以证明传统制造技术没有问题？八种单克隆抗体的极快速授权和对数千万患者的强劲供应不容忽视。那么，为什么一些组织要为单克隆抗体建立新的制造技术呢？他们希望解决什么问题？显然不是最大生产能力或最低货物成本（COGs），因为规模经济在很大程度上有利于超大规模细胞培养设施，或者有利于强化过程的过程可转移性。
一些人吹捧分布式制造的好处，即使用小规模设施，但这种模式在质量保证、监管管理和平衡供应链方面会更昂贵和复杂。随着四大单克隆抗体CMO宣布的生产扩张，当有低成本、低风险的替代方案可用时，为什么创新公司会寻求使用创新制造技术来增加内部生产能力呢？如果未来出现大流行，需要迅速并大规模地需要单克隆抗体产品，应遵循COVID-19响应设定的先例，即部署传统的最新技术，并利用多个创新公司和合同开发和制造组织的现有制造设施。
第四时代着眼于单克隆抗体治疗的未来，届时可以解决诸如“新的治疗领域是否变得可行？以及“是否有可能将单克隆抗体治疗扩展到发展中世界？”等问题。这一时代的8+ g/L滴度（表1）反映了当前细胞系开发和生产平台的最新技术水平，对于未来几年的类似单克隆抗体应该是可能的。这反映了第三时代COVID-19单克隆抗体滴度的第三阶段工艺优化投资，这些滴度是从平台技术中获得的，几乎没有时间进行优化。改进生产的培养基、进料计划和生物反应器过程控制目标可能会使滴度增加25%或更多。
最近，几家具有超大规模药物原液制造能力的CMO宣布了扩张。三星生物制剂正在韩国建设其第五个工厂，预计建设和启动只需几年时间。富士胶片正在丹麦和北卡罗来纳州建设标准化设施，这在美国是一个重要的扩张。Celltrion正在韩国建设其第三个工厂。罗氏位于加利福尼亚州瓦卡维尔的工厂，目前是世界上最大的CHO制造设施，已出售给龙沙。勃林格殷格翰正在维也纳扩大生产。随着全球CMO继续扩张，目前尚不清楚创新公司未来是否需要进行数十亿美元的内部制造投资。有可能在CMO，只需一两年内就能生产出1亿至1亿剂畅销单克隆抗体产品。单克隆抗体供应从创新公司或CMO合作伙伴的钟摆似乎再次摆动，CMO很快就将拥有比创新公司更多的总体产能。这为扩大单克隆抗体治疗的患者获取打开了新的机会，无论是发展中国家还是发达国家。
许多创新公司和CMO正在共同努力建立连续的药物原液制造过程。这不太可能以它们将打开新的治疗领域或能够降低超大规模制造提供的货物成本（COGs）的方式扩大单克隆抗体治疗的未来。截至2024年，与其他通过注射途径给药的重组蛋白产品相比，单克隆抗体在制造策略和货物成本方面更类似于胰岛素、疫苗和血浆衍生产品。单克隆抗体的制造使用便携式平台化过程和具有相似设计基础的生产设施网络。它们可以享受规模经济，从而最小化其货物成本。几家公司报告说，他们已经生产了100公斤的药物物质；很可能一些最大的设施能够生产150公斤的批次。
这将如何改变单克隆抗体的开发和制造策略？单克隆抗体现在是一个独特的生物制剂家族，与许多其他生物制剂相比，在开发和制造方面具有显著优势。多个创新者进入阿尔茨海默病治疗领域是他们有信心能够为高剂量慢性治疗提供非常大的体积的领先指标。这为新的治疗领域打开了机会，与过去相比，当时大年度剂量需求和可能有限的制造能力可能使创新公司不愿考虑这些目标。最近用于预防偏头痛和治疗高胆固醇血症的单克隆抗体许可申请是类似的例子。
例如，考虑一个市场为每年20吨的产品，需要500毫克剂量。这将每年产生4000万剂，并每年花费约10亿美元用于生产。这些可能是用于预防疟疾、呼吸道合胞病毒、流感和艾滋病毒等传染病的单克隆抗体。鉴于这种生产量和生产成本，也有可能使用两种或更多单克隆抗体的混合物。有一个全球卫生组织、疾病联盟或基金会资助这些努力的潜力。在一种制造和供应策略中，一个超大规模设施可以专门用于一个或多个组织共享相同平台过程并作为财团一起工作的单克隆抗体组合。该设施可以由大型CMO配备和管理，利用现场的现有基础设施，多个设施将同时运行。然后，该设施将供应多个产品的大年度需求，包括已建立产品的生物仿制药，为大流行期间的未来使用（例如流感）准备库存，并迅速转换为生产可能需要治疗新出现的病原体的新型单克隆抗体，如果再次出现这种严峻情况。在COVID大流行的第一年，这样一个设施将非常有价值。产品可以以“成本加”为基础出售，放弃创新公司规定的利润率。
生物制剂全球获取专家一致认为，为了在低或中等收入国家（LMICs）中最大化影响，必须最小化货物成本。与任何其他供应模式相比，如本地分布式制造系统，上述策略将带来显著的成本节省。虽然这种模式在全球范围内取得了一些进展，例如在大流行期间用于mRNA疫苗，但单克隆抗体的生产过程、生产规模、原材料采购和控制的复杂性要大得多，从而推动了这里描述的集中制造策略。此外，建立一个使用传统技术的集中超大规模制造设施是一个“在手之鸟”，可以比在多个LMICs中通过分布式制造网络的复杂性更快速、更有影响力地部署。
显然，通过选择和工程化单克隆抗体以减少剂量和/或给药频率，从而实现更高的成品产量，可以增加这种大规模生产的好处。这些增强措施可能包括亲和成熟Fv域以增加效力，Fc域的突变以延长半衰期（对于预防性适应症特别有价值），以及通过Fc修饰调节效应功能以改善T细胞或其他免疫调节剂的招募。为了在LMICs广泛提供治疗，给药途径不能通过输注，而必须通过皮下或肌肉注射。这些途径的有限注射量（通常为2-5毫升）无法在不需要多次注射的情况下支持高剂量。此外，使用传统技术建立集中式VLS制造设施是一种“随手可得”的方法，与在多个低收入国家中通过分布式制造网络的复杂性进行工作相比，它可以更快地部署，并产生更大的影响。
尽管经常呼吁创新单克隆抗体制造策略和技术，但多家创新公司和合作伙伴在COVID-19大流行期间的经验和成功表明，该行业并不缺乏生产能力。传统的单克隆抗体制造能够迅速增加到非常大的生产量，这将因规模经济而推动低货物成本。可能最需要的创新不是在制造技术方面，而是在商业模式方面，以供应新的治疗目标。
自首个单克隆抗体获批以来的近40年中，单克隆开发和制造已经发生了显著演变。近期生产培养滴度的进步，上游和下游加工平台的持续优化，以及全球制造能力的扩大，可能会为新的治疗领域中的单克隆抗体治疗以及改善LMICs的全球获取提供机会。后一种机会可能最好由一个非政府组织和全球卫生资金机构的财团来服务，它们可以推进一系列抗体并利用与大型CMO的合作伙伴关系来供应、储备，并在另一场大流行发生时迅速开发新的抗体。
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