未来生物工艺技术发展趋势

导读:近期,药明生物首席技术官、执行副总裁周伟昌博士在专业期刊上发表了观点文章,介绍了连续生产工艺、一次性生物反应器等新兴技术对于促进未来生物工艺发展的作用,并分享了前沿洞见。

自1986年首个单克隆抗体(OKT3)获批上市以来,FDA已经批准了100多个抗体类治疗产品,其中包括单克隆抗体(mAb)、融合蛋白、抗体偶联药物(ADC)和双特异性抗体(bsAb)。


尤其是2014年以来,获批的抗体类药物呈爆发式增长。上市产品超过70个,包括肿瘤坏死因子-α(TNF-α)、抗PD-1和抗PD-L1抗体等,且重磅药物频出。2021年,生物制品的全球销售额预计将超过3000亿美元1,2。近年来,生物制品在全球药品销售排行榜中开始占据主导地位。例如,2021年的前9个月,销售额位居前列的20种药品中有13种是生物制品,其中包括两款mRNA新冠疫苗和10款抗体类产品。


生物制品结构高度复杂,通常采用活细胞生产,并需要多个工艺步骤进行纯化。其关键特征,即关键质量属性(CQA),可以因为细胞内或者后续生产过程中发生的翻译后修饰而产生差异。所以,工艺决定产品,基本上可以说“产品即工艺”3。


回顾过去几十年生物制药行业的发展,尽管还面临诸多技术和监管挑战,业界在开发生物制品原液和制剂生产工艺,以及分析方法方面的努力已取得了巨大的成就,满足了大量的临床需求,拯救了众多患者的生命。


随着创新生物药不断涌现,如何在确保质量一致性的前提下加速产品上市,特别是应对不断变化的新冠疫情,对业界提出了考验。如下挑战正推动着生物工艺创新,为以经济高效的方式保障产品质量和稳定供应带来了新方向:


加快产品从概念、临床试验到商业化进程


自新冠疫情暴发以来,业界迅速响应,通过多方协作加快了多个疫苗(包括两种mRNA疫苗)和生物药(包括多种抗体)的研发和生产。


抗新冠中和抗体产品开发涵盖DNA序列设计,新药临床试验申请以及获批上市,为加快这一进程,业界在不影响产品质量和安全性的前提下,采用了一体化和变革性的技术方法:将产品从DNA到IND申请的时间缩短至3至6个月,并在14个月内完成新冠中和抗体从DNA到紧急使用授权(EUA)的过程。短短数月内就生产了数千公斤抗体,用于惠及全球患者临床治疗4。


近来,新冠治疗药物研发达到了前所未有的推进速度,这可能会拉开生物制品研发变革的序幕,加速开发时间表也就成为未来生物工艺发展的重要特征之一。除继续应用创新技术缩短研发时间外,生物工艺开发也将进一步聚焦于降低生产成本。更新、更小的“未来工厂”--综合应用一体化连续生产工艺、一次性生物反应器、高度的数字化和自动化,不仅将提供更大的灵活性、更高的产量和更有效的空间利用率,同时也将降低生产成本。


新冠疫情为生物工艺带来的变革也将有助于其他更复杂生物制品的研发,如抗体偶联药物和双特异性/多特异性抗体。业界从快速研发新冠疫苗及生物制品中获得的知识和经验,也将更直接地应用于研发针对其他重症的新型疫苗和治疗性生物药。未来,新型疫苗和生物药的研发将打破传统,不用再耗时10年之久。


自从治疗性生物制品问世以来,为了提高产能和效率,生产用细胞系的选择策略在不断改进。这些最新进展使得业内可以重新制定化学、生产和控制(CMC)策略,并在短短三个月内生产出供应临床试验的产品。


DNA合成前的密码子优化是实现高蛋白表达水平的常见方法。其算法基于使用特定宿主细胞系的专用密码子和密码子对,可能比基于使用通用密码子数据库的算法更为有效,有助于提高蛋白质在特定宿主细胞系中的表达水平。此外,由于该策略对瞬时转染和稳定转染细胞系表达系统均有效,因此定制密码子的优化工作也有助于整个研发过程。


随着多年来CMC开发进程不断加快,毒理学研究采用从细胞群中获得的蛋白物料已经获得了全球各监管机构越来越多的认可。因此,选择与毒理学研究蛋白具有相似产品CQA的最终克隆至关重要。需要强调的是,不采用基于液质联用(LC-MS)的肽图分析,而是采用基于下一代测序(NGS)的cDNA,以快速筛选出与早期研发所用细胞群中无任何序列变异的克隆。在克隆筛选期间,可同时进行细胞系稳定性传代,以进一步缩短研发时间。


在复杂生物药分子的研发过程中,通常会发生重组蛋白的截短或裂解,这也为下游纯化工艺带来了挑战,同时也可能导致产量下降。细胞系选择的早期阶段通常采用批次补料,以筛选出剪切较少的克隆。而这再次证明,在研发早期深入了解产品和工艺进展有助于节省后期的大量时间、成本和精力。


更广泛应用连续生产工艺和一次性生物反应器


未来,连续生产工艺将逐渐广泛地应用单抗、双抗、融合蛋白和重组蛋白等各种类型的生物药生产。这一应用也反映了业界发展趋势--满足更高质量、更高产量且更具有可及性的生物制品的日益增长的需求。


在上游工艺方面,灌流培养已广泛应用于临床和商业批次的生产。与流加培养相比,灌流培养在产量、质量、灵活性和性价比方面均具有显著优势。先进的灌流培养系统--如药明生物自主开发的超高效连续生产技术平台(WuXiUP™)--可将几乎所有类型生物药生产中的细胞密度和产量较流加培养提高5至10倍。此外,连续收获可缩短产物在生物反应器中的停留时间,从而改善产品质量。

随着一次性生物反应器、流穿层析和单向切向流过滤等技术的进步,连续生产技术已经在小试或中试规模成功实现连续下游工艺。然而,全行业在大规模应用上的投入却略显滞后。


采用自动化稳态灌流培养、不含细胞的连续收获和延长产物收获周期等技术,使连续生产上游工艺在产物表达水平方面取得了巨大进步。相应地是,在大规模生产中还需提高连续生产下游工艺产量5。


人用药品技术要求国际协调理事会(ICH)发布了一份关于原液和制剂连续生产的指导原则(Q13)草案6,目前正在对这份草案进行评审。业界普遍认为该草案将鼓励连续生产工艺在生物制品研发和生产中的应用,而连续生产工艺很大程度上取决于部分或完全一体化的下游工艺单元操作。


对于这两种连续生产下游工艺方案,一个可预见的瓶颈是缺乏高性价比的现成或定制的过程分析技术(PAT)工具以及用于过程监测和实时控制的自动化系统。在仪器和自动化控制解决方案供应商、学术界、工程师及整个生物制药行业的协作努力下,该技术瓶颈有望在不久的将来得到突破,从而让完全一体化连续生产下游工艺得到更广泛的应用。


细胞系开发策略日趋先进,细胞培养基不断优化,因此细胞培养产物表达水平得以不断提高,占地面积较小的生物反应器的需求也随之增加。再加上连续生产工艺,这些将进一步促进一次性生物反应器的普及。


扩大一次性技术在其他环节操作中的使用,如引入一次性切向流深层过滤系统和一次性离子交换膜层析装置,可实现完整的一次性生产工艺。一次性技术也使得生产工厂的新型设计成为可能,例如采用模块化生产单元,从而提供灵活的产能,缩短产品上市时间,不同产品间的灵活转换,同时也可最大限度减少交叉污染。


目前,强化型连续生产技术已经成为显著发展趋势,这将有望提高采用这些技术所实现的产量。完全连续生产工艺可通过整合和协调不同单元操作工艺来实现,以最大限度缩短间隙时间和提高产能。采用连续生产工艺,也将减少大批量生物制品生产所使用设备的占地面积,并降低整体资本投入。


其他生物工艺进步还包括在大规模生产工艺中实施自动进料、自动采样和最小化管路装配,以实现更大规模的工艺控制,从而获得更稳健的性能和产品质量。大规模生产中采用过程分析技术(PAT),如拉曼光谱,以及其他在线检测方法,可实现重要工艺参数和性能的实时检测和控制。


与毛细管电泳(CE)和高效液相色谱(HPLC)相比,基于多肽的多属性方法(MAM)等其他新型分析技术具有更高的灵敏度和产物选择性。此外,表面等离子体共振(SPR)和生物层干涉(BLI)等新兴技术可加强产品放行中的工作流程。


应用PAT工具有两项主要优势:快速决策和先进的过程控制。现在行业内已开发多种PAT平台,可用于在线监测连续性生物工艺过程中的产物聚集化和碎片化度7,以及自动控制活细胞密度8,这有助于开发更好的工艺,并加快CMC开发进度。


新一代抗体类药物工艺发展趋势


由于分子结构的复杂性,双抗和抗体偶联药物等新型生物药的工艺开发具有一定挑战性。随着全球抗体偶联药物研发产品线快速增长,业界对完全一体化的抗体偶联药物技术平台服务的需求愈发强烈,以支持从DNA到IND过程中的工艺开发和产品生产等环节。生物偶联药物的研发和生产不仅需要这些完全一体化的抗体偶联药物技术平台,也需要抗体、连接子和偶联技术等相关服务。除缩短DNA到IND的时间,一体化的抗体偶联药物技术平台还具有降低开发过程中的风险等优势。对这些技术平台的需求,也反映出研发企业对偶联工艺稳健性和药物-抗体比(DAR)控制的更多关注。


偶联技术涉及各种连接子机制以及不同的有效载荷、偶联化学品、偶联位点和药物-抗体比。所有方面的多样性也增加了生产过程中的可变性,使纯化工艺和对抗体偶联药物结构和效价的分析过程变得复杂。在过去数年里,抗体偶联药物研发企业在改善这些复杂药物的可开发性、可生产性和功能性能等方面取得了重大进展,但在将这些药物模式推向更精简的研发过程中,仍然面临一定挑战。为应对这些困难,生产企业需要采用更高水平的分析方法。


在双抗生产过程中,链错配、链表达不平衡和组装不完全等工艺过程中产生的相关副产物对下游纯化工艺提出了相当大的挑战。为帮助生产企业处理不同种类及含量水平的副产物,研究人员提出了一种基于工具箱的双抗纯化方法9。


除了为双抗量身定制的下游方法外,灌流细胞培养还可以显著提高双抗的质量(例如,通过提高单体的百分比,其以Caliper或者毛细管等电聚焦分析确定)。因此,相比传统的补料分批培养,灌流细胞培养是更好的选择方法10。本文所讨论用于双抗研发的下游和上游策略也可应用于多特异性抗体研发。


尽管生物制品研发仍然存在相关挑战,尤其是抗体偶联药物和双抗等新型和复杂的药物分子,但业界已通过新型分析工具、高通量矩阵驱动的实验设计来应对这些挑战。相对于多年以前,得益于以药明生物为代表的更加全面、一体化和单一来源的生物技术赋能平台,以及吸取抗击新冠疫情中生物药研发的相关知识经验,企业将更快实现研发出性价比更高的治疗性生物药和疫苗。


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责任编辑:三七


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