工艺进化论：传统培养向强化工艺的迭代转型

作为生物制造上游生产的核心，细胞培养的强化是实现整体生物工艺流优化的关键，通过缩短细胞生长步骤或减少N阶段生物反应器的生产时间，能够加速生产进程。目前，上游细胞培养主要采用批次培养、补料分批培养、灌流培养和连续培养，其中基于灌流技术的连续培养相比传统批次和补料分批培养展现出显著优势。灌流培养的过程强化现已广泛应用于不稳定蛋白和低产量蛋白的生产，且多集中于小规模操作。尽管灌流技术在小规模生产中表现优异，其在大规模商业化生产中的应用仍面临诸多挑战，主要体现在工艺开发的复杂性、自动化控制的高要求以及成本控制方面的难题。

近年来发展势头强劲的一种有吸引力且高效的平台工艺是强化或高接种密度补料分批生物反应器。该方式接种密度比传统的补料分批生物反应器高出20倍，这是通过在N-1阶段使用灌注培养来产生密集的接种源来实现的。这个过程将细胞生长阶段的负担转移到N-1阶段，同时使N阶段的生物反应器能够保持高细胞浓度。由于单克隆抗体的总产量与培养物的总细胞数和寿命之间存在直接相关性，细胞浓度的增加转化为生物反应器总生产率的大幅提高。在过去的十年中，出现了许多这种制造工艺的例子，与低密度生物反应器相比，在接种了10x10^6个细胞/mL的生物反应器中，滴度提高了100%。

2020年5月发表在mAbs上的“Biomanufacturing evolution from conventional to intensified processes for productivity improvement: a case study”文章中，美国百时美施贵宝公司分享了一个从传统到强化工艺的生产力提升案例，通过使用CHO细胞生产单克隆抗体，展示了三种工艺的比较：传统补料分批工艺（工艺A，1000L规模）、N-1强化补料分批工艺（工艺B，1000L规模）以及N-1灌流强化补料分批工艺（工艺C，2000L规模）。其中，工艺C在上游阶段采用了N-1灌流技术，并在下游引入多柱层析（MCC）和集成精纯步骤，显著提升了生产效率。该工艺展现出良好的可扩展性，并通过工艺优化有效降低了生产成本，为未来实现全面连续化生产奠定了坚实的基础。

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注：工艺A采用传统补料分批培养，工艺B在N-1阶段采用批量培养或补料分批培养方式来提升的N阶段细胞接种密度，工艺C在N-1种子培养阶段引入灌流操作来提升的N阶段细胞接种密度

作者比较了N-1阶段种子培养在不同工艺下的活细胞密度（VCD）、细胞活力以及后续补料分批生产的性能。结果显示，在200L至500L规模中，传统补料分批工艺A的VCD为4.29±0.23×10⁶cells/mL，而通过强化的工艺B和工艺C，VCD显著提高，分别达到了14.3±1.5×10⁶cells/mL和103±4.6×10⁶cells/mL，尤其是工艺C，显示出灌流技术对细胞扩增的显著积极作用（图a）。尽管工艺A和B的细胞活力差异不大，工艺C的细胞活力略有下降，但未对后续的生产培养造成显著影响（图b）。在1000L至2000L规模中，工艺C的VCD高达到了29.3±2.19×10⁶cells/mL，远高于工艺A和B（图c和d），表明工艺C在大规模培养中同样表现优异。此外，工艺C的标准化产量和细胞特异性产量也显著高于工艺A和B（图e和f），较工艺A和B分别增加了8倍和2倍，说明通过引入N-1强化工艺，生产效率得到了大幅提升。

图2

最近在Biotechnology Progress上发表了题为“Establishment of a high-throughput scale-down clone screening platform for intensified fed-batch culture of CHO cells”的研究论文中也提到过IFB平台相比于TFB平台的产量有着显著的提升。在实验中，使用了三种单克隆抗体（mAb A、B和C），结果表明，与传统补料批次（TFB）工艺相比，IFB工艺能够显著提高产量，可增加至9.6g/L。

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在生物制药领域，提升生产力一直是研发的核心目标，工艺一直在迭代升级中。IFB通过N-1种子阶段灌流培养，来实现更高的接种密度，进而获得更高的产量。然而，这种强化策略也存在诸多挑战。其中，由于次级代谢产物的快速积累和关键营养物质的缺乏，细胞培养后期时常面临着细胞活率快速下降、产品合成能力降低的问题。近期，药明生物自主开发出间歇性灌流分批补料细胞培养（Intermittent-Perfusion Fed-Batch, IPFB）工艺，这种工艺是在IFB的生产过程中穿插一次或多次的间歇性灌流操作，将次级代谢物富集的细胞培养液及时排除，同时输入新鲜的营养物质，从而更好地维持细胞状态来显著提高产量。与此同时，通过使用较小孔径（50 kD）的ATF细胞灌流系统，将产物截留在反应器内，完成生产末期一次性产品收获操作。相较于IFB，IPFB模式可以将产量平均提升50%。

图4

动物细胞培养技术一路“升级打怪”，但始终难以满足市场“玩家”在增加产量和降低成本方面不断增长的需求。艾贝泰立足于生物工艺的优化、放大和生产，不断完善生物制药领域的产品线（ 反应器系列有：AbioBundle系列玻璃罐生物反应器、AbioWave摇摆式一次性生物反应器、AbioSUS一次性生物反应器、AbioPilot不锈钢生物反应器），助力客户不断取得新的突破。

下图为常见培养模式的优缺点总结：