從不銹鋼生物反應(yīng)器到固定床生物反應(yīng)器的創(chuàng)新顯示了上游優(yōu)化的演變。
優(yōu)化細(xì)胞培養(yǎng)反應(yīng)的需求推動(dòng)了生物反應(yīng)器設(shè)計(jì)的創(chuàng)新。細(xì)胞培養(yǎng)過(guò)程必須穩(wěn)健且可放大，而且經(jīng)濟(jì)。審視固定床生物反應(yīng)器 (FBB) 有助于了解它們對(duì)工藝開(kāi)發(fā)和生物藥生產(chǎn)規(guī)模放大的影響。
FBB vs. STR
Univercells Technologies 高級(jí)營(yíng)銷和產(chǎn)品經(jīng)理 Alex Chatel 解釋說(shuō)，回顧用于生物工藝的生物反應(yīng)器的歷史，從廣義上講，第一批生物反應(yīng)器是從化學(xué)工業(yè)發(fā)展而來(lái)的。這些早期的生物反應(yīng)器是大型不銹鋼攪拌罐 (STR) 生物反應(yīng)器，專為生物制品的工業(yè)生產(chǎn)而設(shè)計(jì)。
“雖然它們提供不同的大小和規(guī)模，但它們?nèi)狈`活性并且需要大量的清潔制度（以及相關(guān)的質(zhì)量保證和控制活動(dòng)）。為了適應(yīng)更大的靈活性、減少運(yùn)營(yíng)和資本支出以及降低商業(yè)化風(fēng)險(xiǎn)，開(kāi)發(fā)了新型一次性 STR，”Chatel 說(shuō)。
一次性 STR 在每批運(yùn)行后廢棄，無(wú)需清潔制度，從而減少了對(duì)硬管道、清潔設(shè)施和其他相關(guān)人員的需求。Chatel 指出，雖然是一種改進(jìn)，但 STR 設(shè)計(jì)本身本質(zhì)上是不可線性放大的，并且不太適合處理精細(xì)的細(xì)胞或工藝，尤其是在規(guī)模上。他說(shuō)，這種限制導(dǎo)致復(fù)雜且耗時(shí)的放大研究。
Chatel 解釋說(shuō)，在 STR 中，細(xì)胞懸浮在液體培養(yǎng)基中，并通過(guò)葉輪不斷混合。然而，在一次性 FBB 中，細(xì)胞被“包裹”在固體但多孔的基質(zhì)中，并且細(xì)胞的密度要高得多。與 STR 不同，細(xì)胞不會(huì)在FBB的生物反應(yīng)器周圍移動(dòng)，而是葉輪在整個(gè)固定床基質(zhì)中循環(huán)含有營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的培養(yǎng)基。
“生物質(zhì)固定化有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)，例如為細(xì)胞生長(zhǎng)和敏感產(chǎn)品提供低剪切環(huán)境，以及消除灌流過(guò)程對(duì)細(xì)胞截留裝置的需求，”Chatel 說(shuō)。他繼續(xù)解釋說(shuō)，第一代 FBB 由隨機(jī)填充的床矩陣組成。根據(jù) Chatel 的說(shuō)法，這種結(jié)構(gòu)可能存在問(wèn)題，因?yàn)樗鼮榧?xì)胞錨定和生長(zhǎng)提供了一個(gè)不均勻的環(huán)境，從而導(dǎo)致生產(chǎn)力和產(chǎn)品質(zhì)量的變化。然而，較新的 FBB 提供了具有均勻三維環(huán)境的結(jié)構(gòu)化固定床，確保均勻的細(xì)胞分布和生長(zhǎng)。這些較新的 FBB 同樣適用于血清和無(wú)血清條件下的貼壁細(xì)胞和懸浮細(xì)胞。
最后，結(jié)構(gòu)化 FBB 在設(shè)計(jì)上具有可放大性，并提供比傳統(tǒng) STR 更高的吞吐量，這一優(yōu)勢(shì)可實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)高效的生產(chǎn)。“在 Univercells Technologies 進(jìn)行的一項(xiàng)研究中，在 [FBB]（scale-X nitro 600，Univercells Technologies，具有 600 m2的生長(zhǎng)表面和 60 L 工作體積）中生產(chǎn) AAV-2 [腺相關(guān)病毒-2]，在生產(chǎn)率上等同于 3,600 L 的 STR 產(chǎn)能，與 STR 工藝相比，商品成本 (CoG) 降低了 24%，”Chatel 說(shuō)。
Pall 的 iCELLis 生物反應(yīng)器全球產(chǎn)品經(jīng)理 Andrew Laskowski 強(qiáng)調(diào)了 FBB 是緊湊型上游生產(chǎn)技術(shù)，已針對(duì)貼壁細(xì)胞培養(yǎng)進(jìn)行了優(yōu)化的概念。這些生物反應(yīng)器的主要特征是固定化表面，細(xì)胞可以在其中粘附和增殖。FBB 主要用于生產(chǎn)病毒載體或病毒疫苗，Laskowski 評(píng)論道。
“這些產(chǎn)品也可以使用傳統(tǒng)的不銹鋼或一次性攪拌生物反應(yīng)器在懸浮細(xì)胞中生產(chǎn)，但懸浮工藝需要額外的開(kāi)發(fā)時(shí)間來(lái)馴化懸浮細(xì)胞系，而且產(chǎn)品滴度通常低于貼壁細(xì)胞工藝。因此，F(xiàn)BB 使公司能夠以更高效的流程更快地將產(chǎn)品推進(jìn)至臨床，”Laskowski 觀察到。
順應(yīng)工作流程
由于 FBB 主要用于生產(chǎn)病毒載體、病毒疫苗和其他由貼壁細(xì)胞表達(dá)的基于細(xì)胞的產(chǎn)品，這些生物反應(yīng)器通過(guò)簡(jiǎn)化無(wú)菌培養(yǎng)基添加、細(xì)胞添加和感染/轉(zhuǎn)染來(lái)簡(jiǎn)化大規(guī)模工作流程，Laskowski 指出. “細(xì)胞被固定在固定床的表面，使 FBB 能夠充當(dāng)天然的細(xì)胞截留裝置，促進(jìn)灌流的輕松實(shí)施，”他說(shuō)。
Laskowski 還指出，F(xiàn)BB 有助于簡(jiǎn)化下游純化工藝，因?yàn)楣潭ù部勺鳛闇啙嵘锓肿拥奶烊怀叽缗抛柽^(guò)濾器，從而減少進(jìn)一步下游澄清的需要。
Chatel 補(bǔ)充說(shuō)，一些結(jié)構(gòu)化 FBB（例如 scale-X 系列生物反應(yīng)器，Univercells Technologies）也可以進(jìn)行細(xì)胞收獲，這意味著它們可用于生成更大規(guī)模系統(tǒng)的接種液。“因此，它們?cè)谏锷a(chǎn)過(guò)程中發(fā)揮著核心作用，因?yàn)樯嫌渭夹g(shù)的選擇會(huì)顯著影響生產(chǎn)過(guò)程的其余部分，”他說(shuō)。
FBB 為整個(gè)生物生產(chǎn)過(guò)程帶來(lái)了特定的優(yōu)勢(shì)。例如，它們提供了一個(gè)完全封閉的自動(dòng)化細(xì)胞培養(yǎng)系統(tǒng)，并且在占地面積小的情況下包含用于細(xì)胞附著的大表面積，Laskowski 解釋道。此外，F(xiàn)BB 與分析技術(shù)相結(jié)合，例如 pH 傳感器、溶氧傳感器、溫度傳感器，以及（對(duì)于 iCELLis 生物反應(yīng)器，Pall）用于測(cè)量細(xì)胞密度的生物質(zhì)傳感器。
“與傳統(tǒng)的 2D 平面生產(chǎn)方法相比，固定床生物反應(yīng)器的這些特性可降低勞動(dòng)力和運(yùn)營(yíng)成本、工藝占地和設(shè)施利用率，降低因開(kāi)放式處理造成的污染風(fēng)險(xiǎn)，并提高工藝保證、一致性和穩(wěn)健性，”Laskowski 斷言。
Chatel 說(shuō)，結(jié)構(gòu)化 FBB 也得到了高度強(qiáng)化，這意味著對(duì)于同等的生產(chǎn)吞吐量，工作體積比 STR 小得多。他解釋說(shuō)，由于細(xì)胞團(tuán)固定在固定床內(nèi)，單位體積的細(xì)胞密度急劇增加，從而實(shí)現(xiàn)了這一結(jié)果。
此外，細(xì)胞生長(zhǎng)支持基質(zhì)可以充當(dāng)過(guò)濾器，幫助從細(xì)胞碎片和其它工藝雜質(zhì)中預(yù)先澄清收獲物料。然而，最重要的是，F(xiàn)BB 為細(xì)胞生長(zhǎng)提供了一個(gè)低剪切、均質(zhì)的微環(huán)境，這通常會(huì)導(dǎo)致更高的生產(chǎn)力（已觀察到兩到四倍的提高）。“因此，與等效的 STR 工藝相比，由此產(chǎn)生的收獲不僅更集中于產(chǎn)品和更高質(zhì)量，而且體積大大減少，從而簡(jiǎn)化了下游工藝，”Chatel 說(shuō)。
應(yīng)對(duì)規(guī)模放大
Chatel 解釋說(shuō)，生物生產(chǎn)工藝的放大通常是分步進(jìn)行的，關(guān)鍵工藝參數(shù)和產(chǎn)品質(zhì)量屬性在越來(lái)越大的規(guī)模上得到確認(rèn)。“對(duì)于基于 STR 的工藝，實(shí)驗(yàn)室和最終規(guī)模之間的體積變化可能是 100 到 1,000 倍。擴(kuò)大規(guī)模的活動(dòng)通常是經(jīng)驗(yàn)性的、耗時(shí)的，并且可能導(dǎo)致在達(dá)到最終規(guī)模和達(dá)到目標(biāo)生產(chǎn)率之間進(jìn)行權(quán)衡”他說(shuō)。
然而，當(dāng)使用 FBB 進(jìn)行放大時(shí)，體積的變化不會(huì)超過(guò)幾十升。“固有的可放大生物反應(yīng)器設(shè)計(jì)也顯著簡(jiǎn)化了過(guò)程，從而加速并降低了放大的風(fēng)險(xiǎn)，”Chatel 補(bǔ)充道。
同時(shí)，Laskowski 指出，F(xiàn)BB 是目前可用于培養(yǎng)貼壁細(xì)胞的最具放大性的技術(shù)。他解釋說(shuō)，與橫向規(guī)模擴(kuò)展而不是縱向規(guī)模放大的 2D 扁平培養(yǎng)器皿不同，F(xiàn)BB 有許多不同的尺寸可供選擇（例如，iCELLis 生物反應(yīng)器，Pall，尺寸從 0.5 m2到 500 m2不等）。“這些不同規(guī)模的性能得以保持，即通過(guò)增加容器的直徑但保持固定床的幾何形狀和細(xì)胞培養(yǎng)基通過(guò)固定床的線速度。與 2D 扁平器皿相反，隨著 FBB 批次大小的增加，操作員的數(shù)量和工藝占地保持相對(duì)不變，為使用 FBB 的生產(chǎn)商提供規(guī)模經(jīng)濟(jì)的優(yōu)勢(shì)，”Laskowski 說(shuō)。
在工藝開(kāi)發(fā)方面，F(xiàn)BB 有一些影響。正如 Laskowski 指出的那樣，F(xiàn)BB 需要一些額外的前期資本投資來(lái)購(gòu)買工藝開(kāi)發(fā)規(guī)模的硬件和自動(dòng)化系統(tǒng)。他估計(jì)投資成本約為 100,000 美元。他說(shuō)，在最初的資本投資之后，每批次的原材料成本與類似規(guī)模的扁平培養(yǎng)器皿相當(dāng)。
然而，使用 FBB 進(jìn)行工藝開(kāi)發(fā)具有顯著優(yōu)勢(shì)。Laskowski 指出，可以使用提供的分析工具更好地優(yōu)化細(xì)胞生長(zhǎng)和生產(chǎn)的培養(yǎng)條件。“生物反應(yīng)器是完全自動(dòng)化的，”他說(shuō)，“讓科學(xué)家有時(shí)間從事其它項(xiàng)目。”
最后，Laskowski 補(bǔ)充說(shuō)，F(xiàn)BB 中優(yōu)化的工藝可以更輕松地放大以生產(chǎn)臨床或商業(yè)批次，從而使 FBB 用戶能夠更快地實(shí)現(xiàn)重要的里程碑。“例如，正如他們?cè)?2019 年 ASGCT 的一次演講中所披露的那樣，諾華的基因療法使用 iCELLis 生物反應(yīng)器在不到 38 個(gè)月的時(shí)間內(nèi)將其基因治療產(chǎn)品 Zolgensma 商業(yè)化，”Laskowski 說(shuō)。
與此同時(shí)，Chatel 解釋說(shuō)，細(xì)胞可以很好地適應(yīng)結(jié)構(gòu)化 FBB 中的保護(hù)環(huán)境，這意味著從較小規(guī)模的實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)或其它生物反應(yīng)器進(jìn)行的初始工藝轉(zhuǎn)移簡(jiǎn)單有效，具有同等性能，無(wú)需進(jìn)行工藝優(yōu)化的額外步驟。因此，他強(qiáng)調(diào)說(shuō)，簡(jiǎn)化了從臺(tái)式工藝到臨床和商業(yè)生產(chǎn)的轉(zhuǎn)移。他特別提及了一項(xiàng)研究，其中使用懸浮人胚腎 293 (HEK293) 細(xì)胞系在 2-L STR 中生產(chǎn)腺病毒產(chǎn)物的工藝被轉(zhuǎn)移到臺(tái)式系統(tǒng)（scale-X hydro， 2.4 m2，Univercells Technologies）。該過(guò)程在不到九個(gè)月的時(shí)間內(nèi)擴(kuò)大到商業(yè)生產(chǎn)（scale-X nitro，200 m2，Univercells Technologies），同時(shí)增加了產(chǎn)品滴度。
因此，F(xiàn)BB 實(shí)際上在幫助優(yōu)化整體生物生產(chǎn)方面發(fā)揮著雙重作用。它們?cè)谏嫌蝹鬟f體積和工藝開(kāi)發(fā)優(yōu)勢(shì)，同時(shí)還生產(chǎn)在細(xì)胞收獲之前經(jīng)過(guò)初始過(guò)濾的目標(biāo)產(chǎn)品。因此，可以在生產(chǎn)生命周期的早期看到對(duì)下游工藝的影響。
