連續(xù)生物工藝建模的加速生物生產(chǎn)

來自德國克勞斯塔爾理工大學(xué)的科學(xué)家們在2019年第7期的《Processes》雜志上發(fā)表了題為“Accelerating Biomanufacturing by Modeling of Continuous Bioprocessing - Piloting Case Study of Monoclonal Antibody Manufacturing”的文章。

文中，研究人員對基于CHO細(xì)胞的、產(chǎn)量1 L/天細(xì)胞上清液，即約150g/年產(chǎn)物（單克隆抗體）的中試規(guī)模連續(xù)生物工藝進(jìn)行了可行性實(shí)驗(yàn)研究和模型驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)時(shí)長約6周，包括準(zhǔn)備、啟動、批次及維持至少兩周的連續(xù)穩(wěn)態(tài)操作和純度及產(chǎn)量的最終分析。實(shí)驗(yàn)在使用交替式切向流過濾（ATF）進(jìn)行灌流培養(yǎng)之后，成功進(jìn)行了包括水兩相提�。ˋTPE）、超濾/洗濾（UF/DF）、含離子交換（IEX）和疏水作用（HIC）柱的的整合式逆流層析（iCCC）純化以及凍干的連續(xù)工藝處理。實(shí)驗(yàn)及建模證實(shí)，連續(xù)操作穩(wěn)定且可行。

在細(xì)胞培養(yǎng)中，實(shí)驗(yàn)使用中國倉鼠卵巢細(xì)胞（CHO DG44）生產(chǎn)單克隆抗體。培養(yǎng)條件為36.8℃、pH 7.1、60% pO₂、433rpm，培養(yǎng)在Sartorius Biostat B 2L生物反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行，使用無血清化學(xué)限定培養(yǎng)基。

對于連續(xù)培養(yǎng)，使用交替式切向流過濾（ATF）灌流系統(tǒng)，進(jìn)行細(xì)胞截留。灌流在活細(xì)胞密度達(dá)到2x10^6cells/mL時(shí)開始。在整個連續(xù)培養(yǎng)過程中維持體積置換率為1VVD。通過原位濁度探針，將活細(xì)胞濃度維持恒定為特定細(xì)胞濃度。

在高活性時(shí)（＞95%），濁度可用于在線監(jiān)測活細(xì)胞濃度。所以，使用在線濁度閾值來進(jìn)行在線控制。操作點(diǎn)（4800FAU）被選擇用于活細(xì)胞濃度控制，其代表的活細(xì)胞濃度為25x10^6cells/mL。當(dāng)濁度超過閾值時(shí)，自動觸發(fā)廢棄（bleeding）泵。濾液和廢棄液流速之和等于補(bǔ)液流速，以維持培養(yǎng)體積。ATF泵置換體積為80.14mL，當(dāng)其以每分鐘1個泵循環(huán)運(yùn)行時(shí)（一個循環(huán)定義為真空排氣并加壓置換整個泵體積），ATF流速為160 ml/min，此時(shí)可達(dá)到ATF比例為200.35（濾液體積流速和ATF流速之比）。

結(jié)果顯示，灌流培養(yǎng)達(dá)到的抗體濃度為0.34±0.05g/L（批次階段結(jié)束時(shí)）、0.70±0.06g/L（穩(wěn)態(tài)開始時(shí)）以及0.50±0.03g/L（培養(yǎng)240小時(shí)時(shí)）。較低的產(chǎn)物濃度是由于相比傳統(tǒng)灌流培養(yǎng)（14-60天），實(shí)驗(yàn)中工藝的培養(yǎng)時(shí)間較短。但是，即使在較低的產(chǎn)物濃度條件下，單位體積產(chǎn)量仍達(dá)到了700.34±56.85mg/L/d（穩(wěn)態(tài)開始時(shí)）和503.20±28.45mg/L/d（培養(yǎng)240小時(shí)時(shí)）。高產(chǎn)率以及其它工藝特性（如更低的投資支出、長期的連續(xù)培養(yǎng)）增加了灌流系統(tǒng)的吸引力。

詳細(xì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，請參考原文。