端到端（從種子到單位劑量 - E-2-E）生產代表了大分子和小分子的下一代生物制藥生產工藝。它被監管機構認可為一項關鍵的新興技術。FDA 已批準了各種小分子產品，并最近發布了連續生產行業指南草案。國際協調委員會發布了 (ICH) Q13，該 Q13 已被歐洲藥品管理局 (EMA) 采用，以支持該技術并提供指導。公司可以增加靈活性并最大限度地發揮過程分析 ICH Q14 的價值，以增強 E-2-E 生產。
值得注意的是，過程分析技術 (PAT) 的監管指南包括 ICH Q8(R2)、 ICH Q2(R2)、圖 1 以及 FDA 2004 起的“行業指南”。
FDA PAT 指南認為過程分析技術是：
“一種通過及時測量（即在工藝過程中）原材料和中間材料以及工藝的關鍵質量和性能屬性來設計、分析和控制生產的系統，其目標是確保最終產品質量。值得注意的是，過程分析技術中的分析一詞被廣泛視為包括以綜合方式進行的化學、物理、微生物、數學和風險分析?！?/p>
圖1. ICH指南鏈接概述：從規劃設計階段到商業生產的工藝線。
E-2-E 生產分析必須更加貼近工藝。因此，過程分析技術可以為 E-2-E 生產過程的設計、分析和控制增加顯著的價值。過程分析技術不涉及過程的合并或保留，可以在實時放行測試 (RTRT) 中做出決策。例如，在設計設備或建模單元操作時，過程分析技術測量用于確定停留時間分布 (RTD) ）是至關重要的。在工藝開發過程中，過程分析技術可用于確認令人滿意的工藝操作、驗證模型、通知廢物轉移 (DTW) 情況或執行反饋/前饋控制。E-2-E 工藝的控制策略也可能受益于過程分析技術的使用。此外，過程分析技術可直接用于最終關鍵質量屬性 (CQA) 確定，或作為包括關鍵工藝參數 (CPP) 和關鍵材料屬性 (CMA) 的更復雜模型的輸入。
CQA = f[CPP1 +CPP2 +CPP3 +…, CMA1 +CMA2 +CMA3 +…]
在開發和實施商業 E-2-E 生產線時，建議在所有三個階段（設計、分析和控制）使用過程分析技術，甚至比批次生產更強烈。過程分析技術的使用程度取決于公司和產品，反映了可感知的投資回報。
連續生產在工藝產量、工藝效率、設施利用率和工藝一致性方面比批次操作具有多個優勢。這些優勢為下一代生物生產設施的設計、建造和運營提供了多種機會。
實施連續生物生產的潛在優勢
更高的工藝產量
更高的工藝效率
靈活的設施 ? 穩定的生產
提高產品質量
工藝一致性
靈活響應生產需求
減少對可比性的需求
減少生產占地
一次性技術
減少培養基體積
清潔更簡單
更好的產品理解
入線/在線監測和控制 (RTRT)
設備可以承受長時間運行
可適應 RTRT 的數字傳感器
經驗豐富的員工隊伍（可以管理 E-2-E 生產）
實施連續生物生產的挑戰
工藝復雜度
細胞截留
高細胞密度
混合
通氣
過程控制
更長的運行時間
工藝可靠性和穩定性
細胞系穩定性
保持無菌
工藝可放大性（在連續灌流工藝中）
工藝放大
過程一致性和控制
工藝表征
規?？s小模型的復雜性（用于灌流工藝）
工藝優化和表征（針對灌流工藝）
工藝驗證
原材料特性和變異性
雜質和去除（產品隨著時間的推移而降解）
病毒安全性和生物負荷
物料追溯
細胞系穩定性和壽命
產品知識和結構/功能關系
分析技術與控制策略
設計空間和步驟之間的潛在交互
評估生產變更及其對產品質量的影響
生物生產是一個成熟的行業，生產有價值的藥物，用于治療危及生命的疾病，包括癌癥、自身免疫性疾病以及代謝和血液疾病。治療性蛋白質，如干擾素、凝血因子、酶、疫苗和單克隆抗體 (mAb) ）由基因工程微生物、酵母和哺乳動物細胞生產，采用經過驗證的工藝，涉及多個單元操作，并采用經過表征和優化的工藝參數。
自生物生產工藝開發初期以來，人們對連續工藝產生了極大的興趣。帶有細胞截留和灌流的連續培養在 20 世紀 80 年代非常流行，因為它可以達到高細胞密度，從而提高單位細胞培養基體積生產率，圖2；當時使用的營養物質不是很豐富，因此批次模式下可達到的細胞密度約為 1-2 x10^6 cells/mL。通過以每天 2-10 個生物反應器體積的置換率灌流培養基，連續灌流操作允許生物反應器中的細胞密度增加一個數量級。連續灌流還可以提高可用的不穩定蛋白質的質量，例如酶和凝血因子。
圖2. 哺乳動物細胞培養培養基發展的演變。
更高的工藝產量
連續生物生產相對于批次生產的主要優勢之一是實現更高的單位體積生產率。表 1 中列出了單克隆抗體生產的批次和連續式工藝的比較，圖 3。
更高的工藝效率
批次工藝的運行時間很短，批次之間花費大量時間用于終止、清潔、設備整修以及下一批工藝中間體的準備和構建（停機時間），這會影響循環時間和工廠利用效率。連續工藝可以長時間運行，最大限度地減少停機對整體利用率的影響，圖 4 和圖 5。
提高產品質量
連續工藝通過提高速度、減少和/或消除工藝過程中的停留時間或保留時間，為生物生產優化提供了機會。減少細胞培養過程中的停留時間對于最大限度地減少不穩定蛋白質產品的降解非常有益。
靈活的設施
靈活設施是一種可以快速重新配置、以生產不同藥品的生產設施。靈活的工廠設施可以在相對較短的時間內改變其生產的產品。因此，使用“靈活”一詞。靈活工廠的創建者經過精心設計，使其能夠提供廣泛的操作和服務來生產原料藥和藥品。
圖3. 上游生產能力的快速發展和顯著的上升潛力。
使用旨在生產一系列藥品中的某些藥品的端到端設置。生產線將具有可重新配置的可互換設備/系統，圖 6。
表1. 單抗產品批次和連續(灌流)工藝的比較
圖4. 補料分批與連續生產工藝的比較。
圖5. 批次 (當前工藝) vs. 連續 (新平臺) 生產。
可放大的生產
E-2-E或連續生產是一種用于不間斷地生產、制備或工藝材料的流程生產方法。連續生產被稱為連續工藝或連續流工藝，因為正在處理的材料（無論是干散裝還是流體）都在連續運動。連續通常意味著每周 7 天、每天 24 小時運行，很少進行維護停機。
圖6. 集成式連續生物生產平臺(操作空間)。
放大這樣的工藝比放大批次工藝更復雜。通常，連續生產具有固定的設備和系統規模，并且在需要增加產量的情況下，可以規模擴展（scale-out）。通過擴展工藝，可以滿足對額外產品的需求，并簡化驗證和批準工藝。
風險緩解和風險管理
通過及時交付/放行和電子數據集成來緩解風險和消除工藝瓶頸，對于實現連續生物生產至關重要。
更高滴度的單克隆抗體工藝以及更新的細胞和基因治療產品已將各種新技術引入生物制藥市場。雖然這些新技術推動了整個領域的發展，但從監管、質量和供應鏈的角度來看，它們也給原材料管理帶來了一些新的挑戰。生產工藝創新可提高靈活性，同時降低藥品總體成本，有助于應對一些市場挑戰。在改善上游到下游的單元運營方面已經取得了很大進展。
圖7. 基于風險的生產，以及ICH Q9如何與ICH Q8以及Q10協作。
表2. 經批準的、基于連續生物生產的生物藥品 (2012年年銷售總額達150億美元)。
然而，要實現功能良好的全集成連續生產，需要克服許多挑戰。典型的生物制藥生產會消耗數百種原材料，包括培養基、添加物、工藝化學品、過濾器、填料和賦形劑。在不增加庫存水平或不實施非傳統方法來接收放行的情況下，管理這些組件的流程并及時放行它們是一項艱巨的任務。使用這些材料，同時滿足所有質量和法規要求并預測工藝變化是降低生產過程風險的關鍵。一般來說，建議使用 ICH Q9、Q8 和 Q10 來消除和/或降低風險并保持原料藥-藥品的安全性、有效性和質量（圖 7）。
表3. 2015-2021年，FDA批準的、使用連續生產的藥物。
盡管已經使用連續細胞培養工藝開發了多種產品，但運行灌流操作以及確保其可靠性、可放大性和可生產性的復雜性阻礙了其被制藥行業廣泛接受。到 20 世紀 90 年代初，批次操作成為生物生產的首選方法。三個因素在這一舉措中發揮了作用：
1、批次操作簡單
2、藥企聚焦單克隆抗體
3. 補液開發和培養基富集方面的進展，圖 2
單克隆抗體是相對穩定的蛋白質，其質量不受停留時間的影響。通過在具有特殊補液溶液和培養基的補料分批中使用優化的補液策略，細胞密度和生產率提高了一個數量級以上。所有這些因素結合在一起，確立了補料分批操作作為選擇平臺，而連續工藝仍然是特殊分子的唯一選擇。
連續工藝是生物生產的重要組成部分，目前市場上的產品數量已超過 90 種（表 2 和表 3）。生物藥大約有30多種，包括替代酶、凝血因子、單克隆抗體等。其中一些產品每年產生超過 10 億美元的收入，其中強生 (J&J) 的 Remicade 2012 年銷售額達到約 US$6.8B。
雖然平臺技術通常使用補料分批是首選平臺，但提高生產率和降低生產成本促使公司考慮替代生產技術。連續工藝與批次工藝相比具有許多優勢，并且已在其它行業成功實施。正如所討論的，在生物生產中使用連續工藝是從培養開始的，將來將其應用于所有生產單元操作是可行的。由于生物工藝工程、自動化和工藝優化的最新進展，與連續工藝實施相關的許多問題已經得到解決。
連續生物生產的優點和缺點
表 4 總結了連續生物制藥生產的多方面優勢。連續生物工藝平臺與不銹鋼和一次性批次工藝在臨床和商業規模上的模型比較表明，連續操作可以提高一次性技術所帶來的節省。長期生產成本的降低可以使追求生物仿制藥在經濟上對制藥公司更具吸引力。
除了負擔能力之外，連續生產還可以提高藥品的可及性。生產質量失敗可能導致藥品短缺，連續生產可以提供質量穩定的產品。按需生產（即插即用或即取即用）潛在更高質量藥品的能力可以避免生產過剩和延誤。
表 4 展示了批次生產工藝與連續生產工藝的比較。
表4. 批次和連續藥物生產的比較。
推動創新和卓越運營
過去十年，創新生物制藥行業生產和銷售的產品性質發生了重大轉變。當今的全球生物制藥組合反映出治療競爭的加劇、大分子藥物、先進治療藥物產品的普及、個性化或靶向產品數量的增加以及許多孤兒和罕見疾病治療方法的增加。這些下一代趨勢（圖 8）催生了生產量極其有限、生產要求高度特定和基因型特定產品的生物制藥產品。
圖8. 下一代工藝將需要跨越學科和時間的進化之旅。
整體產品組合的根本性轉變以及對持續提高生產效率和有效性的關注正在刺激支持先進生物制藥生產所需的技術和工藝的發展。生產技術的創新有助于提高經濟性、靈活性和質量，同時有可能直接和間接使患者受益。生物制藥生產商通常在以下領域進行投資：
連續生產以提高可放大性并加快上市時間，同時降低資本和運營成本，并提高質量
新的工藝分析工具可提高工藝穩健性、加速商業化生產規模并推動更有效地利用資源
一次性系統可提高靈活性并縮短生產周期，同時降低資本投資和能源需求
替代下游工藝技術可提高產量，同時降低成本，綠色化學可減少浪費，新的疫苗和治療生產方法可提高產能、可放大性和靈活性
圖9. 工藝設備 – 系統創新和技術進步時間線。
圖10. 連續緩沖液制備系統。
此外，新型產品即將上市，有助于提高藥物有效性并支持患者依從性，例如反映藥物遞送系統和藥物器械組合產品改進的產品。這些產品需要生物制藥公司及其供應網絡采用先進的生產技術，因為生產過程本身對于藥物的有效性變得越來越重要。生物制藥產品組合的變化和先進生產技術的興起對生物制藥公司內部和外部產生了影響。因此，自動化、設備設計、傳感器技術和設施設計的供應商已加緊支持藥物生物生產領域，以配合醫學創新，圖 9。
緩沖液制備的進展
緩沖器生產和制備方面的進步，無論是節省空間、節省時間還是節省成本，該系統都將支持連續生產，圖 10。
連接的緩沖液管理系統在使用時通過在線稀釋提供所需的緩沖液，以釋放工藝占地面積并簡化工作流程，并消除緩沖液制備工藝車間的要求。
這種靈活的自動化系統可滿足從中試規模到臨床規模生產（高達 1200 lhr-1）的緩沖液需求，并可在目標規格內提供多達 20 倍濃縮物的多達六種不同配方。
混合連續（半連續）生物工藝 (HCB) 平臺
商業生產中灌流的實際使用更為廣泛，但生物工藝生產商越來越不愿公開分享其工藝的詳細信息。需要指出的是，Genzyme、Bayer、Janssen、Merck-Serono、Novartis 和 Eli Lilly等生產商使用灌流或連續工藝元件生產約 19 種上市的重組蛋白和單克隆抗體 (mAb) 產品，這些產品主要是年收入總計約 200 億美元的“重磅炸彈”產品。
原文：R.Dream, End-to-End Biomanufacturing: Challenges and Opportunities in Implementation. American Pharmaceutical Review, 2023.
