未来已来 PAT开启数字孪生新领域 | 安捷伦Online LC系统在生物制药下游纯化过程中的智慧应用

刚刚过去的二月，OpenAI 发布了首 个 AI 视频模型，长达 60s 的视频让我们对虚拟和现实世界已分不清，科技以迅雷不及掩耳之势在我们周围呈现。自 2003 年 Michael Grieves 教授提出了“信息镜像模型”后，工业界对数字孪生（DT）也有了更多前沿的应用。 

数字孪生和 Online LC 在线液相

当数字孪生与高速发展的生物医药行业碰撞，给药物设计和研发、生产工艺优化、以及质量控制带来了焕然一新的感受。国内外 Top 药企已建立 DT 系统，搭配 PAT 技术获得大量的实时数据。GSK 建立了新冠疫苗佐剂生产的 DT 系统，快速进行虚拟实验，加快工艺开发的周期。国内复宏汉霖将 DT 技术应用于抗体下游的纯化过程，整合了离子交换层析模型和在线检测系统建立 DT 系统，提升抗体样品纯化工艺的收率。

在此过程中应用的过程分析技术（PAT）是 DT 的Z 佳拍档，安捷伦 Infinity II Online LC 在线超高效液相色谱系统，作为Z 新的 PAT 工具实现了自动化的在线取样，稀释以及检测，是实现 DT 的重要一环。

基于 Online LC 系统的数字孪生技术

在离子交换层析中的应用

Online LC 系统介绍

离子交换层析工艺是生物制药下游纯化过程中的关键步骤（图 1），用 ÄKTA 蛋白纯化系统对抗体进行纯化时，各种变量（如酸碱峰含量、上样量、缓冲液等）波动会影响纯化收率，如果采用传统的分袋收集，离线检测后合样的方法，不仅分析结果滞后，而且操作繁琐，收率较低。因此考虑将 Online LC 系统应用于阳离子交换层析（CEX），实现对层析过程中样品的实时取样、分析（图 2），并通过 Online LC 软件系统与主服务器（Server）进行自主通讯，实现纯化过程的实时反馈控制。

图 1. 生物制药下游纯化流程图

图 2. 层析样品的 CEX 分离色谱图

数字孪生系统的实现

基于 Online LC 在线实时监控技术，搭建抗体下游离子交换层析过程的 DT 系统（如图 3），通过 Server 控制 ÄKTA 纯化系统，运行离子交换层析方法，然后自动触发 Online LC 系统开始取样、样品稀释、进样、分析和数据处理，接着把结果传回服务器，通过 CEX 机理模型模拟计算收集区间，进而实时控制 ÄKTA 系统的收集策略，实现全自动化运行，从而建立了离子交换层析过程的 DT 系统。

图 3. DT 系统的运行流程图

数字孪生系统的出色表现

基于以上 DT 系统，在不同上样条件下，比较了 DT 预测结果与实际实验结果（图 4），DT 系统可以实现对单抗电荷异构体的准确控制与收率预测，与实际实验结果相比电荷异构体的比例和收率差异均在 2% 以内，模型拟合和验证的 RMSE 分别为 8.1% 和 7.4%。表明基于 Online LC 构建的 DT 系统可以较好地实现阳离子交换层析工艺的模拟，预测和控制。

（a）

（b）

图 4. a. DT 预测总峰型（黑色实线）和实际 UV 信号（红色虚线）对比，蓝色虚线区域为 DT 预测收集区间。b. 离线检测（点）和 DT 预测结果（线）对比。

安捷伦 Infinity II (Bio) Online LC 系统介绍：

https://www.agilent.com.cn/zh-cn/product/liquid-chromatography/hplc-systems/online-lc-solutions/1290-infinity-ii-bio-online-lc-system

(点击链接直接查看) 

参考文献：

[1]  Ce Shi, Xu-Jun Chen, Xue-Zhao Zhong, Yan Yang, Dong-Qiang Lin, Ran Chen. Realization of digital twin for dynamic control toward sample variation of ion exchange chromatography in antibody separation. BIOTECHNOLOGY BIOENGINEERING, Accepted: 5 January 2024.

[2] Edgar Naegele, Daniel Kutscher, Lea Bonnington, Michael Leiss, and Andrés Martinez. Online LC Monitoring of Downstream Processing in the Production of Therapeutic mAbs, AN：5994-5186EN, 2022.