在生物制藥行業(yè)建立更高效、更靈活的工藝的一個(gè)可能解決方案是過渡到連續(xù)集成式生產(chǎn)，其可以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)力、產(chǎn)品質(zhì)量和一致性的提高，同時(shí)大幅降低工廠占地面積和生產(chǎn)成本。連續(xù)生物工藝通過各單元操作之間的連續(xù)物料液流，以便在穩(wěn)定狀態(tài)下，只要操作運(yùn)行，就可以生產(chǎn)出質(zhì)量一致的產(chǎn)品。
許多行業(yè)，如化工、食品和制藥，長(zhǎng)期以來一直采用連續(xù)生產(chǎn)，但其在生物技術(shù)領(lǐng)域，特別是生物治療藥物方面的實(shí)施仍然較為落后。Walther等人對(duì)集成式連續(xù)生物生產(chǎn)平臺(tái)進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)性分析，并得出這樣的結(jié)論，與傳統(tǒng)的批次工藝相比，它可以將成本降低 55%，證明了實(shí)施用于生產(chǎn)重組蛋白的連續(xù)生物工藝的前景。因此，學(xué)術(shù)界和工業(yè)界對(duì)開發(fā)連續(xù)工藝系統(tǒng)的興趣日益濃厚。一個(gè)例子是正在進(jìn)行的生物藥連續(xù)下游工藝項(xiàng)目 - CODOBIO（2018-2022），該研究項(xiàng)目的主要目標(biāo)是應(yīng)對(duì)未來向連續(xù)下游工藝過渡的挑戰(zhàn)，在生物制藥行業(yè)中實(shí)施創(chuàng)新的集成式連續(xù)生產(chǎn)。
集成式連續(xù)生物生產(chǎn) (ICB) 會(huì)議旨在匯集學(xué)術(shù)界和行業(yè)同行，共同闡明生物工藝的最新進(jìn)展和發(fā)現(xiàn)，這可能有助于實(shí)現(xiàn)連續(xù)端到端工藝的“圣杯”和真正的實(shí)時(shí)放行。2019 年在Cape Cod（美國(guó)馬薩諸塞州）舉行的第四屆會(huì)議 (ICB IV) 中，一個(gè)名為“針對(duì) ICB 的高通量方法”的研討會(huì)匯集了不同背景的參與者（圖 1）。研討會(huì)旨在引發(fā)多項(xiàng)討論，包括在高通量 (HT) 技術(shù)中存在哪些可感知的差距，工藝開發(fā)、ICB 當(dāng)前的需求是什么、主要問題和相應(yīng)的預(yù)期解決方案，以及目前正在進(jìn)行的、旨在實(shí)現(xiàn)連續(xù)生物生產(chǎn)的研究。
該研討會(huì)共有 73 名參與者（其中絕大多數(shù)來自行業(yè)），旨在收集有關(guān)生物制藥領(lǐng)域向連續(xù)生產(chǎn)轉(zhuǎn)變的觀點(diǎn)以及仍然需要哪些最新數(shù)據(jù)，目的就是讓這個(gè)行業(yè)更接近這個(gè)目標(biāo)。與會(huì)者被要求與來自不同背景和隸屬關(guān)系的同行分開和混合。這旨在實(shí)現(xiàn)各組之間更多樣化的討論，并在發(fā)布答案時(shí)，達(dá)成更需要的共識(shí)。總體而言，八組中有六組在從屬關(guān)系方面混合在一起，并且也可以實(shí)現(xiàn)良好的背景混合（圖 1c）。
盡管當(dāng)前生物制藥生產(chǎn)的趨勢(shì)是逐步從批次工藝轉(zhuǎn)向集成式連續(xù)工藝策略，但要以連續(xù)模式執(zhí)行該工藝，將不同單元操作集成到一個(gè)生產(chǎn)和純化系列中是最終目標(biāo)，除了每個(gè)單元操作職位，還包括循環(huán)液流的能力以及根據(jù)工藝要求清除雜質(zhì)的能力。此外，分析技術(shù)必須提供每個(gè)生物生產(chǎn)步驟的實(shí)時(shí)信息，以獲得對(duì)整個(gè)工藝過程的了解和控制。
圖 1. 研討會(huì)參與者背景：(a) 參與者工作的領(lǐng)域：行業(yè)、學(xué)術(shù)界或監(jiān)管機(jī)構(gòu)；(b) 參與者工作的職能/部門：USP，上游工藝；DSP，下游工藝；工藝開發(fā)，涉及 USP 和 DSP 功能；以及分析。(c) 研討會(huì)期間形成的八個(gè)小組的描述性構(gòu)成，根據(jù)每個(gè)參與者的領(lǐng)域/職能區(qū)分。
因此，本白皮書將討論不同單元操作中HTPD的主要差距、生物制藥連續(xù)生產(chǎn)中存在的集成問題以及克服這些挑戰(zhàn)的現(xiàn)有工具。通過介紹幾種成熟技術(shù)的最新進(jìn)展，本文旨在闡明用于工藝開發(fā)的新興工具，以實(shí)現(xiàn)并加速向連續(xù)工藝的轉(zhuǎn)變。
研討會(huì)成果
在確定了 HTPD 的最新技術(shù)之后，可以確定當(dāng)前用于連續(xù)生物生產(chǎn)的HTPD的差距。在圖 2 中，顯示了參與者認(rèn)為的在 HTPD方面存在重大差距的單元操作/系統(tǒng)組件：每個(gè)組都一致確認(rèn)首先是細(xì)胞培養(yǎng)，然后是過濾單元操作以及當(dāng)前用于連續(xù)工藝的分析工具。一些小組還指出了在細(xì)胞培養(yǎng)基開發(fā)、病毒滅活、層析和其它單元操作（如離心和水兩相萃取）方面的潛在差距。
細(xì)胞培養(yǎng)多年來一直受到業(yè)界的關(guān)注，正在開發(fā)更高滴度的菌株。已經(jīng)有可用于細(xì)胞培養(yǎng)的 HTPD 的設(shè)備，但是，這種系統(tǒng)的價(jià)格很高，這將進(jìn)一步討論，這使得所有群體都認(rèn)為它是一個(gè)存在重大差距的領(lǐng)域。
相反，在 HTPD 方面，過濾一直是一個(gè)被忽視的單元操作。許多研究人員將精力集中在層析的優(yōu)化上，很可能是因?yàn)樗亲畎嘿F的單元操作之一。當(dāng)涉及到高通量替代品時(shí)，過濾步驟已經(jīng)落后了。盡管批次過濾步驟可以很容易地在連續(xù)工藝中實(shí)施，但由于缺乏規(guī)模縮小的模型，這些步驟的優(yōu)化可能會(huì)變得昂貴，并且需要大量投資來尋找所需的最佳操作條件。
圖 2 研討會(huì)參與者指出的集成式連續(xù)生物生產(chǎn) (ICB) 高通量 (HT) 開發(fā)的主要差距
因此，通常在設(shè)備尺寸過大或花費(fèi)大量資金來優(yōu)化該單元操作之間存在折衷。然而，F(xiàn)ernandez-Cerezo 等（2019）人最近開展的研究對(duì)過濾裝置使用了一種規(guī)模縮小方法，結(jié)合使用臨界流態(tài)分析、建模和實(shí)驗(yàn)來預(yù)測(cè)中試規(guī)模系統(tǒng)的性能，因此，為該單元操作中的未來?xiàng)l件研究展示了一種可能的高通量工具.
關(guān)于在連續(xù)工藝中實(shí)施所需的分析工具，討論指出的主要差距與樣品數(shù)量和獲取整個(gè)工藝信息所需的不同技術(shù)有關(guān)。此外，在 ICB 中使用的可用高通量分析工具方面仍然存在很大的局限性，特別是能夠與高通量平臺(tái)集成的技術(shù)數(shù)量有限。對(duì)此限制的一個(gè)可能解釋與每種技術(shù)的冗長(zhǎng)分析時(shí)間有關(guān)，這可能使其難以用于過程監(jiān)測(cè)和控制。目前解決這些分析缺陷的趨勢(shì)是創(chuàng)建近線傳感器，它可以提供關(guān)于連續(xù)工藝的實(shí)時(shí)測(cè)量和數(shù)據(jù)，稱為過程分析技術(shù) (PAT)，這將在本文中進(jìn)一步討論。
連續(xù)生物生產(chǎn)的最新技術(shù)
研討會(huì)參與者的任務(wù)是提出目前用于連續(xù)生物生產(chǎn)工藝開發(fā)的高通量技術(shù)。盡管某些單元操作比其它單元操作受到更多關(guān)注，但該活動(dòng)的主要目標(biāo)是了解在開發(fā)過程中主要使用的設(shè)備和工具是什么，以實(shí)現(xiàn)所需的、向連續(xù)操作的成功轉(zhuǎn)變。已經(jīng)就位的主要工具是用于液體處理的自動(dòng)化系統(tǒng)，可以為特定的單元操作使用“量身定制”的裝置，或者使用具有更廣泛能力的設(shè)備，可以針對(duì)不同的用途進(jìn)行微調(diào)。在表 1 中，總結(jié)了用于開發(fā)不同單元操作的 HTPD 工具的最新技術(shù)。
在過去幾年中，使用液體處理站來確定細(xì)胞培養(yǎng)基開發(fā)和抗體純化的最佳操作條件已被廣受歡迎。Schmidt 等人開發(fā)的工作 (2016) 顯示了對(duì)先前研究的改進(jìn)，其開發(fā)了一個(gè)用于在自動(dòng)兩步層析純化中純化抗體的平臺(tái)。RoboColumn高通量系統(tǒng)在一定條件下的流速方面存在限制，這影響了可獲得的動(dòng)態(tài)結(jié)合載量值，但結(jié)果與之前使用的 ?KTA? 系統(tǒng)相當(dāng)。該平臺(tái)過程允許每周純化數(shù)百種單克隆抗體，即使在低進(jìn)樣濃度下也是如此。
就用于病毒滅活和除病毒的可用 HTPD 工具而言，盡管參與者表示在開發(fā)方面存在相當(dāng)大的差距，但最近的研究已經(jīng)證明了開發(fā)除病毒過濾器微型 HTPD 模型的潛力。Tang等人（2020）結(jié)合自動(dòng)化液體處理系統(tǒng)，使用 96 孔濾板來評(píng)估其是否適合作為新型 HTPD 縮小模型。借助這些類型的工具，高通量除病毒過濾優(yōu)化現(xiàn)在成為一種選擇，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)生物生產(chǎn)的快速工藝開發(fā)。此外，為了使這一重要步驟持續(xù)進(jìn)行，已經(jīng)模擬、設(shè)計(jì)并構(gòu)建了幾個(gè)實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的病毒滅活系統(tǒng)模型：例如，Gillespie 等人 (2019) 測(cè)試了多個(gè)孵育艙設(shè)計(jì)，以允許實(shí)現(xiàn)狹窄的駐留時(shí)間分布；而Parker等人（2018）使用綜合計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)模型創(chuàng)建了層流管式反應(yīng)器。
