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發酵罐生物反應器

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一次性生物反應器的過去、現在和展望

2022-6-20
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近年來,一次性技術因其汙染風險少、清潔和驗證成本低等特點在生物製藥行業中得到了廣泛應用。一次性技術不僅為生物製藥企業帶來創新設備,幫助製藥企業大大縮短了建設和生產時間,更為其帶來較大的靈活性。本文將圍繞一次性生物反應器的過去、現在和未來展開討論。
生物反應器的發展沿革 
隨著細胞培養技術的發展和應用,大規模培養技術越來越受到重視,而該技術的最主要設備就是生物反應器(Bioreactor)。 
早期生物反應器的設計理念主要是建立在微生物發酵用攪拌式生物反應器基礎上的。攪拌式生物反應器是開發較早,也是在研發和生產中應用最為廣泛的一類生物反應器。到80年代以後,為克服攪拌式生物反應器對動物細胞產生的剪切力問題,許多低剪切力的生物反應器被設計出來,例如籠式攪拌生物反應器、固定床生物反應器、中空纖維生物反應器、流化床生物反應器、氣升式生物反應器、波浪式生物反應器等。 
製藥一次性使用係統可以溯源至20世紀40年代末,從那時起開始用PVC塑料袋替代玻璃瓶收集血漿,極大地提高了無菌性和安全性,且成本低廉。隨後一次性塑料袋逐步用於藥包材、以及培養液和緩衝液的儲運等。在一次性生物反應器(Single-Use Bioreactor)方麵,1999年波浪式一次性生物反應器誕生,2004年推出攪拌式一次性生物反應器,從2008年起相繼出現10-15mL可放大微型一次性生物反應器,以及最大到2000L甚至4000L規模的各種體積一次性生物反應器,至此一次性生物反應器已經應用在生物製藥行業從研發到生產的各個階段。 
發展至今,一次性生物反應器結合連續培養工藝,已經成為生物製藥工藝的發展方向之一。
一次性生物反應器的應用 
目前,一次性反應器已被成功的應用於哺乳動物細胞、昆蟲細胞培養,以及微生物發酵,所涉及的藥品類型有抗體、疫苗、重組蛋白、細胞治療、重組血液製品等,所涉及應用階段涵蓋研發、臨床和大規模商業化生產。據統計,全球有超過25000個波浪式一次性生物反應器工藝袋用於GMP條件下的種子擴增;有超過1500個單位使用一次性攪拌式生物反應器進行藥品生產。 
一次性生物反應器擁有豐富的產品線和良好的放大性,不僅可以完成批次培養、補料分批(流加)培養、灌流培養,還可以利用微型反應器進行高通量篩選實驗。 
一次性生物反應器的控製係統和過程分析技術(PAT)
生物反應器使用的控製係統主要是可編程邏輯控製器(PLC)、單片機和工程控製計算機。前兩種因其成本較低、針對性較強而在一次性反應器中廣泛使用。
一次性反應器,還可以連接其他過程分析設備,確保最終產品的質量,對培養工藝過程中的物料和工藝的關鍵屬性進行檢測以進行設計、分析和控製。
過程分析技術簡稱PAT(Process Analysis Technology)。FDA在2004年對過程分析技術發布的指導性文件中對PAT的定義為:以確保最終產品質量為目標,通過即時測量原料、過程中物料和工藝過程本身的關鍵質量和性能屬性來實現設計、分析和控製生產步驟的係統。
PAT的目標是基於對工藝的理解,通過對生產過程中原料或半成品的關鍵工藝參數(Critical Process Parameters)的監測、分析和控製,優化參數,實現重複穩定的控製,從而保證能夠持續穩定生產出質量如一的產品。
PAT係統主要由數據采集與監視控製係統SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition)和分析方法軟件如DOE、MVDA,以及在位和在線傳感器組成,一些新的儀器如過程質譜、拉曼光譜、紅外光譜、電容傳感器等也被用在係統之中。
PAT係統應用於生物製藥生產的整個過程,包括上遊反應器細胞培養過程的生物分析參數在線監測分析,以及培養基開發和配方優化;也包括下遊目標蛋白和核心緩衝液組分的在線監測、合理布置緩衝液配製和儲存罐,等等。
常用的細胞培養在線分析設備能夠檢測細胞密度、細胞活力、細胞尺寸、葡萄糖、乳酸、穀氨酰胺、IgG、離子(鉀、鈉、鈣、氨等)、尾氣和滲透壓等細胞培養過程中的部分甚至絕大部分參數。 
一次性生物反應器的優勢
應該說製藥一次性係統是伴隨科技進步、新藥研發加快、法規要求提高、以及商業模式發展而發生和發展的,一次性生物反應器的優勢主要體現在以下幾個方麵。
(1)前期投入少,建設快,工藝靈活性高
與采用不鏽鋼生物反應器係統相比,采用一次性生物反應器係統工廠建設時間短,前期投入少,工藝靈活性高,滿足了生物製藥發展的節奏和需求。一方麵藥品研發周期長、投入高、成功率低的特點促使企業盡可能減少早期固定資產投資,一次性係統恰恰符合這個需求。另一方麵,藥品研發和報批如同賽跑,采用一次性係統建設周期比不鏽鋼係統縮短一年以上,有利於企業在新藥報批和上市進程中占得有利的市場競爭地位。
(2)汙染和交叉汙染風險低
與不鏽鋼生物反應器係統相比,所有一次性係統設備均經過清潔滅菌和驗證,可以直接使用,無需CIP(在位清潔)、SIP(在位滅菌)和驗證流程、節省時間、減少設備占用空間、減少人力、減少注射用水使用量。在生產不同品種時,不存在解決清潔以避免交叉汙染的問題,甚至很容易移動到另外一個生產空間。生產出來的中間體不需要另外更換容器,不僅方便,也減少汙染的可能性。
(3)從小到大,適於研發
一次性係統非常適合同時多個品種和工藝的研發,以及小公司、小規模的研發和生產。
一次性生物反應器在研發時的優勢是非常明顯的。使用微型一次性生物反應器開發工藝,具有極好的放大延展性。根據一份默沙東的研究報告,使用250mL一次性生物反應器培養細胞,與放大到2500L甚至15000L的各種大體積生物反應器比較,在細胞密度、活力以及表達等指標方麵相差無幾。
AspenBrook谘詢公司2015年全球細胞培養和發酵市場調查報告顯示,有接近50%的用戶擁有1L以下的微型或袖珍生物反應器,因為它能提供真實的反應器環境以及良好的工藝放大延展性,因此在研發中比搖瓶有明顯的優勢。 
(4)有利於MAH模式和技術轉移
MAH(Marketing Authorization Holder),藥品上市許可持有人製度是指上市許可和生產許可分離的管理製度。受托生產單位為滿足不同客戶、不同品種的委托生產需求,需要建立不同的生產線,增加大量固定資產投入和驗證成本。采用一次性工藝設備既能有效避免受托企業生產中的交叉汙染,也有利於以藥品研發為主要業務的上市許可人更方便的掌控生產過程的GMP管理和產品質量。采用一次性係統也更有利於藥品研發單位的技術轉移。 
一次性生物反應器的發展曆程
最早的一次性攪拌式生物反應器的設計和耗材都不是特別成熟,主要實現不鏽鋼反應器的基本功能。用一個可重複使用的不鏽鋼外支架容器和一次性生物容器,工作體積可達1000L,與控製係統整合在一起,通氣係統可提供有效的氧傳遞。 
隨著一次性技術的發展和用戶使用過程中的反饋,供應商對一次性反應器的硬件、反應袋和過程監控進行升級,增加了一次性反應器的穩定性和實用性。