小奕说药 | 上游工艺优化与产品成本的考量

奕安济世生物药

生物制药是整个制药工业中不可或缺的一部分，也是一个不断增长的部分。生物制药可用于疾病治疗，包括肿瘤学和风湿病等，在FDA的批准上市的药物中，生物制药的占比持续保持上升趋势（图1），其中单克隆抗体在全球生物药中不论是占有的份额或者是销售额，其比例也不断的增加（图2，图3）。在这其中，哺乳动物细胞已成为其生产的主要表达细胞，从历史数据中可以看到，利用哺乳动物细胞进行生产的生物药比例不断地增加（图4）。目前用于生物制药生产的细胞主要包括中国仓鼠卵巢细胞（CHO Cell, Chinese Hamster Ovary Cell）、人类胚胎肾细胞293（HEK293 Cell, Human Embryonic Kidney 293 Cell）等。得益于较好的安全性、与人体相似的糖基化修饰、高效的表达能力，以及适应悬浮培养等原因，CHO细胞成为目前生物药生产的主流细胞[1]。

图1. 从1998起，FDA批准上市的药物[2]

图2. 单抗在生物药中的占比[3]

图3. 单抗占蛋白质生物制药全球销售总额的百分比[3]

图4. 生物药生产中使用哺乳动物细胞与非哺乳动物细胞的比例[3]

一、细胞培养工艺的优化

在过去30年里，生物制药行业的成功在很大程度上依赖于中国仓鼠卵巢(CHO)细胞系所衍生的产品。而在此期间，哺乳动物细胞培养的优化主要来自于细胞系的发展和适合大规模生产的流加培养工艺（Fed-Batch）的优化[4]。而随着越来越多的候选药物进入早期工艺开发的阶段，生物制药公司需要寻求新的解决方案以应对竞争激烈的市场，包括缩短药物的上市时间、提高生产的成本效益以及在保持药物生产的灵活性的同时不改变产品的质量属性等方面[5]。

为应对临床需求及未来商业化生产，及时开发高表达的上游工艺以节省项目成本及时间是目前抗体行业的趋势。为了提高产品表达量，降低产品成本和提高设备利用率，上游工艺优化一般的考量点包括优化细胞培养模式、提高细胞密度、提高细胞Qp、延长细胞的培养时间等。例如：

1）在N-1阶段采用灌流，在N阶段采用高密度细胞进行接种的强化流加培养工艺（IFB, Intensified Fed-Batch），以增加最终的产品收获[6]。

2）利用灌流工艺（Perfusion），提高产率，做到最大化的产品收获等。

1.1

FB与IFB产量对比

传统Fed-Batch在细胞培养过程中，需要不断加入补料培养基以支持细胞生长和蛋白表达。由于其简单的操作，和可直接利用已建立的车间系统和设施，传统Fed-Batch工艺已成为大规模生产的常见选择。

但为满足更高的蛋白生产能力，若在N-1阶段采用灌流模式提高细胞密度，随后以高密度的活细胞接种至N阶段并进行强化流加培养（IFB）的生产，结果显示蛋白产量可显著提高，并与原先低密度培养工艺相比，强化后的工艺生产的蛋白质量可比[7]。

面对客户关于增加关键性临床样品的细胞培养工艺产量以及降低生产成本的需求，奕安济世采用与早期IND申报工艺相同的细胞株，在原工艺的基础上，通过自身独有的灌流培养基为客户在N-1阶段进行灌流培养，在提高了N阶段的细胞密度同时并优化了补料策略，获得了与原产品质量完全可比的强化流加培养工艺（IFB）。该工艺使得生产时间减少大约30%，产量增加了100%（图5，图6）。数据显示，当原液年需求量在900 kg时，只需生产2批2000 L工作体积的强加流加培养（IFB），即可与原6批2000 L工作体积的传统流加培养（FB）相媲美。

图5. 早期IND申报细胞培养工艺（FB）与优化后的关键性临床细胞培养工艺（IFB）活细胞密度与细胞活率对比

图6. 早期IND申报细胞培养工艺（FB）与优化后的关键性临床细胞培养工艺（IFB）目标产物浓度对比

1.2

FB与Perfusion产量对比

虽然单克隆抗体等蛋白质生产最常见的是传统流加工艺（FB），但是由于各种技术进步的推动，FDA鼓励将传统流加工艺转变到连续生产制造。

面对竞争异常激烈的抗体市场，奕安济世采用具有自主配方的培养基，建立了国际上处于领先位置的灌流细胞培养工艺平台，依托丰富的灌流工艺开发经验，不仅可以获得了超高的产率，同时也极大地降低了产品的成本。

奕安济世目前已有为关键性临床样品生产的从FB变更至Perfusion并获中美监管层批准的成功案例。在为客户进行工艺开发及变更过程中，奕安济世利用自身开发的灌流培养基和灌流细胞培养平台，极大地提高了活细胞密度（图7）和蛋白产量（图8，图9）。

图7. 传统流加工艺（FB）和灌流工艺（Perfusion）中活细胞密度和细胞活率对比

图8. 传统流加工艺（FB）和灌流工艺（Perfusion）中产率对比

图9. 传统流加工艺（FB）和灌流工艺（Perfusion）中总产量对比

二、降低培养基成本，增加产品竞争力

灌流工艺降低了资本投资的门槛(设备和原材料成本)，并提供了生产制造的灵活性和可持续性，但是在灌流培养过程中对培养基的需求尤为巨大，因此培养基的价格高低会极大的影响最终的单位产品的成本（图10）。为了可以更好地适应新时代的竞争局面，奕安济世开发的纯化学成分的灌流培养基不仅适用于多种CHO细胞，同时还可以灵活调整配方以满足不同工艺或产品的质量需求，有效地降低了灌流生产成本（表1），可以极大地增强客户产品在市场上的竞争力。

图10. 不同培养基成本与灌流速率（RV/day）对单位产品成本的影响

*该培养基价格仅适用于成本计算的举例，初始对比点为 4 g/L-day @ 1.5 RV/day, $5/L

表1. 某抗体项目分子的不同工艺成本计算举例

（物料、人工运营放行等费用，不含建厂等一次性投入成本）

三、小结

随着全球人口增长和老龄化，生物药的生产必须变得更加高效和灵活，在上游生产过程中进行工艺的强化则有助于满足这一要求。在过去，生物制药行业的上游工艺强化主要在细胞工程、培养基开发和优化工艺控制等方面取得了重大进展，而如今，大家更多地关注工艺策略本身，例如灌流工艺，从提高单位体积生产力和增加生产灵活性等方面而进一步加强工艺水平[8]。基于对未来行业发展趋势的考虑，奕安济世大力发展自身的灌流平台，并开发出拥有自主配方的培养基并在此基础上，不仅可以为客户提供IND申报用的早期细胞培养工艺开发（包括Fed-Batch，IFB，Perfusion等），也可以为客户提供IND获批后的关键性临床样品生产工艺的优化、表征及验证等方面的全方位支持。

参考文献

[1] Sharker SM, Rahman A. A Review on the Current Methods of Chinese Hamster Ovary (CHO) Cells Cultivation for the Production of Therapeutic Protein. Curr Drug Discov Technol. 2021; 18(3): 354-364.

[2] Senior M. Fresh from the biotech pipeline: too much, too fast? Nat Biotechnol. 2022 Feb; 40(2): 155-162.

[3] Walsh G, Walsh E. Biopharmaceutical benchmarks 2022. Nat Biotechnol. 2022 Dec; 40(12): 1722-1760.

[4] MacDonald MA, Nöbel M, Roche Recinos D, Martínez VS, Schulz BL, Howard CB, Baker K, Shave E, Lee YY, Marcellin E, Mahler S, Nielsen LK, Munro T. Perfusion culture of Chinese Hamster Ovary cells for bioprocessing applications. Crit Rev Biotechnol. 2022 Nov; 42(7): 1099-1115.

[5] Li F, Vijayasankaran N, Shen AY, Kiss R, Amanullah A. Cell culture processes for monoclonal antibody production. MAbs. 2010 Sep-Oct; 2(5): 466-79.

[6] Schulze M, Niemann J, Wijffels RH, Matuszczyk J, Martens DE. Rapid intensification of an established CHO cell fed-batch process. Biotechnol Prog. 2022 Jan; 38(1): e3213.

[7] Stepper L, Filser FA, Fischer S, Schaub J, Gorr I, Voges R. Pre-stage perfusion and ultra-high seeding cell density in CHO fed-batch culture: a case study for process intensification guided by systems biotechnology. Bioprocess Biosyst Eng. 2020 Aug; 43(8): 1431-1443.

[8] Schulze M, Lemke J, Pollard D, Wijffels RH, Matuszczyk J, Martens DE. Automation of high CHO cell density seed intensification via online control of the cell specific perfusion rate and its impact on the N-stage inoculum quality. J Biotechnol. 2021 Jul 20; 335: 65-75.

奕安济世生物药

霧月星祥 发表于 2023-9-13 10:40
这是卖啥的

老师您好，奕安济世致力于为客户提供单抗、双抗、纳米抗体、重组蛋白、ADC、siRNA等多种分子开发及生产服务。奕安济世具备细胞系开发、工艺开发、分析和制剂开发、质量标准、稳定性研究、临床前及临床样品生产、商业化生产等全流程能力，并通过技术创新及连续化生产，极大加速开发进程和降低生产成本。目前，奕安济世在杭州拥有工艺研发中心及符合中欧美cGMP标准的生产基地，能够为客户提供从DNA到BLA的完整一站式服务。此外，奕安济世还可以提供siRNA制剂灌装，ADC工艺开发等等服务。