用于生物制品制造的哺乳动物细胞培养
学术
2024-12-16 09:59
湖北
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生物制药是制药行业中一个不断增长的领域，用于广泛的适应症，包括肿瘤学和风湿病学。培养的哺乳动物细胞已成为其生产的主要表达系统，部分原因是它们能够完成药物安全性和有效性所需的翻译后修饰。在过去的十年中，哺乳动物细胞培养生产过程的生产率通过提高体积和比生产率而大幅增长。本文概述了生物制剂市场，包括销售和批准分析；以及工业生产细胞系和细胞培养操作的综述。生物衍生药物代表了制药市场中不断增长的领域。这类化合物被称为生物制剂或生物制药，是通过对生物体的基因操纵而衍生出来的。生物制品包括重组DNA衍生的蛋白质和单克隆抗体，以及基因疗法和生物工程动植物。生物制药用于治疗多种疾病，特别是在风湿病和肿瘤学领域，以及心脏病学、皮肤病学、胃肠病学和神经病学。在许多医学领域，生物制剂是患者唯一可用的治疗选择。
目前市场上有230种获批的生物制剂。图1显示了八类主要化合物的治疗分布：重组血液因子，包括因子VIII；重组溶栓药和抗凝剂，包括组织型纤溶酶原激活剂和水蛭素；重组激素，包括胰岛素、人类生长激素和卵泡刺激素；重组生长因子，包括促红细胞生成素和粒细胞集落刺激因子；重组干扰素和白细胞介素，包括干扰素-a和干扰素-b；重组疫苗，包括乙型肝炎；单克隆抗体（mAbs）和基于单克隆抗体的产品；以及其他重组产品，包括骨形态发生蛋白、重组酶和基于核酸的产品。可以看出，重组激素是最具代表性的化合物类别（51种疗法，占批准生物制剂的22%），单克隆抗体是第二大类，市场上有49种疗法（占批准生物制品的21%）。在市场上批准的230种生物制剂中，自2006年以来已有93种获得批准，占商用生物制药的40%以上。图2显示了自1998年以来美国食品和药物管理局（FDA）批准的药物数量。这包括作为新分子实体（NME）提交的小分子药物和根据生物制剂许可证申请（BLA）提交的生物制剂。过去几年，新生物制剂的审批速度一直在加快。2012年，美国食品药品监督管理局共批准了37种药物。其中，14种是根据BLAs提交的生物制剂。这是过去十年中批准的生物制剂许可证申请数量最多的一次。在新批准的药物中，32%用于孤儿病适应症。尽管这些罕见疾病的患者人数较少，但它们在临床上的成功率也较高，需要较小的临床试验。因此，许多制药和生物制药公司在其产品线中增加了孤儿药项目。![]()
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2012年，全球生物制品销售额达到1249亿美元，增长10.4%比2011年有所增加。其中，单克隆抗体和抗体融合蛋白的销售额为650亿美元，占生物制品总销售额的50%以上。美国生物制品市场的增长反映了全球生物制品市场。图3显示了2002年以来美国市场的增长数据。可以看出，自2002年以来，市场一直在稳步增长，尽管近年来增长速度有所放缓。2011年，美国市场生物制剂的总销售额为538亿美元，比2010年销售额增长4.9%。单克隆抗体是最畅销的生物制剂，2011年在美国的销售额为203亿美元。事实上，自2006年以来，单克隆抗体的销售额几乎翻了一番，当时美国的销售额为114亿美元。这一急剧增长可归因于两个因素：第一，新进入市场的产品销量巨大。2011年批准的四种单克隆抗体的总销售额为20亿美元。第二个是三种最畅销的单克隆抗体（Humira、Remicade和Rituxan）的销售额增长，仅在美国就售出了30多亿美元。近年来显著增长的第二类化合物是重组激素，其中胰岛素类似物占报告销售额的四分之三。2011年重组激素销售额超过122亿美元，高于2006年的53.9亿美元，增长了126%以上。一种胰岛素类似物Lantus（赛诺菲-安万特）是2011年美国第二畅销的生物药物，总销售额为35亿美元，仅次于艾伯维的Humira，总销售额超过35亿美元。根据全球销售额超过10亿美元的定义，2012年有30多种重磅抗体和蛋白质。表1显示了收入最高的十种生物制剂。几乎所有的单克隆抗体和抗体融合蛋白，以及许多重磅的重组蛋白，如促红细胞生成素、粒细胞集落刺激因子、凝血因子和替代酶，都是通过哺乳动物细胞培养制造的。
对用于制造生物制剂的工业生产细胞系的分析表明，目前批准的生物制剂中有51%是在哺乳动物细胞中生产的（图4）。哺乳动物细胞系在某些类别的生物制剂的生产中尤其占主导地位。值得注意的是，83%的重组血液因子是在哺乳动物细胞系中产生的，95%的单克隆抗体和74%的其他重组产品。复杂性增加的生物制品，包括具有广泛翻译后修饰的产品，必须在哺乳动物细胞系中生产，以获得所需的产品质量特征，包括类人聚糖特征。用于生物制品生产的哺乳动物细胞系包括中国仓鼠卵巢（CHO）细胞、幼仓鼠肾（BHK）细胞和小鼠骨髓瘤细胞，包括NS0和SP2/0，以及人类细胞系（HEK293、HT-1080）。其中，CHO细胞的应用最为广泛，占目前市场上哺乳动物细胞培养衍生生物制品产量的60%以上（图5）。1989年，安进公司首次将中国仓鼠卵巢细胞用于生产Epogen，这是一种用于治疗贫血的重组人促红细胞生成素。从那时起，CHO细胞已成为工业生物制品生产中使用最广泛的哺乳动物细胞系。自2010年以来批准的11种单克隆抗体中有7种是在CHO细胞中产生的。在过去的二十年里，用于生产生物制药的哺乳动物细胞的生产力提高了20多倍。1-5 g/L范围内的滴度现在很常见，特别是在抗体生产过程中，在2-3周的补料分批培养中，生产率高达10-15 g/L。这一增长是由两个因素驱动的：第一个因素是在典型的补料分批培养过程中，最大可实现的活细胞浓度急剧增加，细胞存活率持续时间更长。因此，在补料分批培养中，总细胞质量显著增加。这通常用活细胞浓度积分（IVCC）来表示，IVCC是通过在培养持续时间内积分活细胞浓度来确定的。滴度增加的第二个因素是具有更高比生产率（qp）的细胞系的发展。10 pg/细胞/天量级的比生产率在十年前很常见，现在已被比生产率超过50 pg/细胞-天的高产细胞系所取代。这些竞争对手或超过人体浆细胞（身体的抗体生产细胞）的特定生产力。这两个因素结合在一起，导致了哺乳动物细胞中生物制剂生产中常见的更高滴度。![]()
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工业中使用的细胞培养操作有三种，分批、补料分批和灌注。由于在培养物中的停留时间较长，分批和补料分批培养都用于生产稳定的分子，如单克隆抗体，而灌流培养则需要生产不稳定分子，如重组酶和凝血因子。灌注培养也会产生几种抗体。在分批培养中，所有营养素都是在开始时添加的。营养物浓度通常较低，以限制渗透压。这些低营养供应限制了最大细胞浓度、培养时间和达到的产品浓度。在补料分批培养中，在培养过程中添加额外的营养素以防止营养素耗尽，从而延长细胞生长阶段和培养持续时间。这导致更高的最大细胞浓度和更长的培养寿命。结果，实现了更高的产品浓度。灌注培养是一种具有细胞保留的连续细胞培养过程。细胞保留在反应器中，同时不断加入新的培养基，并以相同的速率去除培养上清液，以保持反应器体积恒定。许多获得许可的治疗性生物制剂产品在灌注培养中生产，以防止产品降解，并确保不稳定分子的产品质量更好。
生物衍生药物继续推动制药行业的增长。这部分是由于近年来批准的药物数量持续增加。此外，销售的改善，特别是单克隆抗体的销售，也促进了观察到的增长。哺乳动物细胞是用于生物制剂生产的主要表达系统，部分原因是它们能够产生对药物安全性和有效性至关重要的类人翻译后修饰。过去几十年中，工艺开发的改进带来了更高的滴度和比生产率，使高强度和高生产率的哺乳动物细胞培养工艺在行业中普遍存在。识别微信二维码，添加抗体圈小编，符合条件者即可加入抗体圈微信群！
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