工藝進化論：傳統培養向強化工藝的迭代轉型

作為生物制造上游生產的核心，細胞培養的強化是實現整體生物工藝流優化的關鍵，通過縮短細胞生長步驟或減少N階段生物反應器的生產時間，能夠加速生產進程。目前，上游細胞培養主要采用批次培養、補料分批培養、灌流培養和連續培養，其中基于灌流技術的連續培養相比傳統批次和補料分批培養展現出顯著優勢。灌流培養的過程強化現已廣泛應用于不穩定蛋白和低產量蛋白的生產，且多集中于小規模操作。盡管灌流技術在小規模生產中表現優異，其在大規模商業化生產中的應用仍面臨諸多挑戰，主要體現在工藝開發的復雜性、自動化控制的高要求以及成本控制方面的難題。

近年來發展勢頭強勁的一種有吸引力且高效的平臺工藝是強化或高接種密度補料分批生物反應器。該方式接種密度比傳統的補料分批生物反應器高出20倍，這是通過在N-1階段使用灌注培養來產生密集的接種源來實現的。這個過程將細胞生長階段的負擔轉移到N-1階段，同時使N階段的生物反應器能夠保持高細胞濃度。由于單克隆抗體的總產量與培養物的總細胞數和壽命之間存在直接相關性，細胞濃度的增加轉化為生物反應器總生產率的大幅提高。在過去的十年中，出現了許多這種制造工藝的例子，與低密度生物反應器相比，在接種了10x10^{^6}個細胞/mL的生物反應器中，滴度提高了100 %。

2020年5月發表在mAbs上的“Biomanufacturing evolution from conventional to intensified processes for productivity improvement: a case study”文章中，美國百時美施貴寶公司分享了一個從傳統到強化工藝的生產力提升案例，通過使用CHO細胞生產單克隆抗體，展示了三種工藝的比較：傳統補料分批工藝（工藝A，1000L規模）、N-1強化補料分批工藝（工藝B，1000L規模）以及N-1灌流強化補料分批工藝（工藝C，2000L規模）。其中，工藝C在上游階段采用了N-1灌流技術，并在下游引入多柱層析（MCC）和集成精純步驟，顯著提升了生產效率。該工藝展現出良好的可擴展性，并通過工藝優化有效降低了生產成本，為未來實現全面連續化生產奠定了堅實的基礎。

圖1

注：工藝A采用傳統補料分批培養，工藝B在N-1階段采用批量培養或補料分批培養方式來提升的N階段細胞接種密度，工藝C在N-1種子培養階段引入灌流操作來提升的N階段細胞接種密度

作者比較了N-1階段種子培養在不同工藝下的活細胞密度（VCD）、細胞活力以及后續補料分批生產的性能。結果顯示，在200L至500L規模中，傳統補料分批工藝A的VCD為4.29±0.23×10?cells/mL，而通過強化的工藝B和工藝C，VCD顯著提高，分別達到了14.3±1.5×10?cells/mL和103±4.6×10?cells/mL，尤其是工藝C，顯示出灌流技術對細胞擴增的顯著積極作用（圖a）。盡管工藝A和B的細胞活力差異不大，工藝C的細胞活力略有下降，但未對后續的生產培養造成顯著影響（圖b）。在1000L至2000L規模中，工藝C的VCD達到了29.3±2.19×10?cells/mL，遠高于工藝A和B（圖c和d），表明工藝C在大規模培養中同樣表現優異。此外，工藝C的標準化產量和細胞特異性產量也顯著高于工藝A和B（圖e和f），較工藝A和B分別增加了8倍和2倍，說明通過引入N-1強化工藝，生產效率得到了大幅提升。

圖2

最近在Biotechnology Progress上發表了題為“Establishment of a high-throughput scale-down clone screening platform for intensified fed-batch culture of CHO cells”的研究論文中也提到過IFB平臺相比于TFB平臺的產量有著顯著的提升。在實驗中，使用了三種單克隆抗體（mAb A、B和C），結果表明，與傳統補料批次（TFB）工藝相比，IFB工藝能夠顯著提高產量，可增加至9.6g/L。

圖3

在生物制藥領域，提升生產力一直是研發的核心目標，工藝一直在迭代升級中。IFB通過N-1種子階段灌流培養，來實現更高的接種密度，進而獲得更高的產量。然而，這種強化策略也存在諸多挑戰。其中，由于次級代謝產物的快速積累和關鍵營養物質的缺乏，細胞培養后期時常面臨著細胞活率快速下降、產品合成能力降低的問題。近期，藥明生物自主開發出間歇性灌流分批補料細胞培養（Intermittent-Perfusion Fed-Batch, IPFB）工藝，這種工藝是在IFB的生產過程中穿插一次或多次的間歇性灌流操作，將次級代謝物富集的細胞培養液及時排除，同時輸入新鮮的營養物質，從而更好地維持細胞狀態來顯著提高產量。與此同時，通過使用較小孔徑（50 kD）的ATF細胞灌流系統，將產物截留在反應器內，完成生產末期一次性產品收獲操作。相較于IFB，IPFB模式可以將產量平均提升50%。

圖4

動物細胞培養技術一路“升級打怪”，但始終難以滿足市場“玩家”在增加產量和降低成本方面不斷增長的需求。艾貝泰立足于生物工藝的優化、放大和生產，不斷完善生物制藥領域的產品線（ 反應器系列有：AbioBundle系列玻璃罐生物反應器、AbioWave搖擺式一次性生物反應器、AbioSUS一次性生物反應器、AbioPilot不銹鋼生物反應器），助力客戶不斷取得新的突破。

下圖為常見培養模式的優缺點總結：