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摘要：在生物制造领域，工艺强化就像是一把神奇的钥匙，能打开提高生产效率、降低成本的宝藏大门。今天就来给大家讲讲一个真实的案例，看看中国仓鼠卵巢细胞系生产单克隆抗体的工艺，是怎么从传统的老方法一步步升级，变成更厉害的强化工艺的。![]()
过去 30 年，用哺乳动物细胞培养来做生物制造，取得了很大的进步。以前生产出来的东西浓度很低，只有 mg/L，现在能达到 g/L 了，成本也跟着大幅下降。这主要靠优化细胞系、开发更好的细胞培养基，还有调整生物反应器的参数这些方法。不过，在提高产量的同时，产品质量也得保证。可现在生物制造业还是面临着大挑战，提高生产率和产量依旧是大家头疼的难题。为了降低成本，学术界和企业都在研究怎么通过连续或半连续生物制造，把工艺强化一下。工艺强化，简单来说，就是用一些创新的技术和方法，让生产过程变得更好，像提高生产率，还能减少制造成本和工厂的占地面积。在化学工业里，工艺强化早就成功应用了，效果特别好。但生物制造业不一样，它监管很严格，而且是用活的生物体生产昂贵的生物制剂，产量还比较小。就拿灌注细胞培养来说，要不停地加新鲜培养基，去掉用过的培养基，还得用专门的设备把细胞留在生物反应器里，操作起来特别复杂。所以在生产单克隆抗体这类蛋白质的时候，灌注细胞培养还没有被广泛使用。不过，要是生产那些不稳定、浓度又低的蛋白质，灌注细胞培养就很有用，能让生产率提高不少。最近，在补料分批生产加工里强化 N-1 种子培养，取得了很大进展。以前传统的补料分批培养，接种密度比较低，现在通过 N-1 灌注接种，接种密度能大大增加。这样一来，在更短的时间里，就能达到和传统工艺差不多的最终浓度，工厂的产量也就提高了。而且这种方法不需要对现有的制造设备做太大改动，所以在生物制药行业用得很广泛。就算不用灌注的 N-1 种子，用富集培养基培养出来的 N-1 种子，也能达到类似的效果，操作还更简单。再看看下游工艺，虽然也有一些进步，比如蛋白 A 层析的装载能力提高了，纯化色谱步骤也有改进，但随着上游产量大幅增加，下游操作还是拖了后腿，成了提高生产效率的瓶颈，而且成本也很高。所以现在大家都在想办法强化下游工艺，像用连续色谱技术，还有连续病毒灭活和过滤这些方法。![]()
在这个案例里，研究人员比较了三种生产单克隆抗体的生物制造工艺。工艺 A 是传统的间歇工艺，工艺 B 和 C 是强化工艺。在工艺的上游部分，研究人员对 N-1 灌注进行了开发，让补料批的浓度大幅提高；在下游部分，采用了两个柱的 MCC 蛋白 A 捕获技术，还有集成抛光步骤，让下游的生产效率大大提升。同时，还对不同工艺的最终原料药和消耗品成本进行了分析和比较。
上游工艺大变化，产量质量双提升
从工艺 A 到工艺 B 再到工艺 C，上游有很多地方都变了。像细胞系、基础和进料培养基不一样了，N-2 和 N-1 种子培养的条件，还有补料分批生产生物反应器的条件，像接种密度、进料情况、温度等都有变化。![]()
不同的 N-2 种子培养条件，最后得到的活细胞密度也不一样。工艺 A、B、C 的 N-2 最终活细胞密度各不相同。用这些 N-2 种子去接种 N-1 种子生物反应器，接种密度也不一样。而且 N-1 步骤的最终活细胞密度，从工艺 A 到工艺 B 再到工艺 C 是越来越高的。虽然工艺 C 在 N-1 种子阶段的细胞存活率最后有点下降，但对后面的补料分批生产培养没什么不好的影响。到了补料分批生产阶段，工艺 A、B、C 的初始接种密度也是逐渐增加的。细胞密度在培养过程中的变化也不一样，工艺 C 的峰值细胞密度和最终细胞密度都是最高的。细胞存活率方面，工艺 B 和 C 一直都保持得很好，工艺 A 到后期就比较低了。![]()
再看看产量，从工艺 A 到工艺 B 再到工艺 C，最终标准化滴度越来越高，细胞比生产率也是工艺 C 最高。这主要是因为接种密度大幅增加，还有细胞系、培养基、生物反应器操作等方面的优化。而且，工艺 B 和 C 在培养过程中，没有出现什么大的放大问题，一些代谢物和渗透压浓度都控制得很好，比工艺 A 强多了。下游工艺新变革，效率提升成本降
下游工艺从工艺 A 到工艺 B 再到工艺 C，变化主要体现在三个色谱步骤的操作条件，还有最终配制的原料药蛋白浓度上。蛋白 A 步骤，工艺 A 用的树脂负载能力有限，工艺 B 的树脂负载能力提高了，工艺 C 采用新的模式，负载能力更高。AEX 步骤，三种工艺都用了流通模式，但工艺 B 和 C 的树脂负载能力比工艺 A 高很多。CEX 步骤，工艺 A 是结合 - 洗脱模式，工艺 B 和 C 是流通模式，负载能力也增加了不少。而且，工艺 C 还采用了集成 AEX - CEX 操作，最终配制的原料药浓度也提高了。![]()
这些变化带来了很多好处。从工艺 B 到工艺 C，生产率提高了，树脂利用率也高了，缓冲液消耗减少，树脂体积变小，处理时间还缩短了。虽然工艺 C 的下游收率一开始比工艺 A 和 B 略低，但这是因为新设施启动时操作上有些问题，调整之后就能达到和其他工艺相当的水平。
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在去除杂质方面，不管是哪种工艺，色谱步骤都能把杂质去除到可接受的水平。工艺 B 和 C 在最终超滤 / 渗滤步骤的杂质水平还更低一些。![]()
最终产品质量好，成本大幅降低
在产品质量方面，工艺 B 和 C 的电荷均匀性比工艺 A 好。N - 连接聚糖方面，虽然不同工艺有些差异，但这些差异对产品质量影响不大。工艺 B 和 C 的产品纯度更高，不过从单体值来看，三种工艺又比较相似。酶联免疫吸附试验测定的效力，三种工艺也差不多。而且，三种工艺生产的产品里，杂质含量都很低，符合验收标准。![]()
在成本方面，研究人员对三种工艺进行了 COG 分析，只考虑了消耗品成本。结果发现，从工艺 A 到工艺 B 再到工艺 C，上游和下游的成本都大幅减少，特别是从工艺 A 到工艺 B，变化最明显。上游成本降低主要是因为滴度提高、培养基成本下降；下游成本降低是因为上游滴度增加、色谱过程优化等。而且，对于不同的生产规模，上游和下游成本的比例也不一样。
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总结
这个案例成功展示了在 2000L 规模上，混合强化生物制造工艺（工艺 C）生产单克隆抗体的全过程。通过强化上游的 N-1 种子培养，还有优化下游的色谱操作，不仅提高了上游的滴度和下游的生产率，还保证了产品质量。而且，强化工艺很稳定，在临床制造中也能成功扩大规模，成本还降低了不少。这为生物制造未来的发展，提供了一个很好的范例。
