连续生物工艺建模的加速生物生产

来自德国克劳斯塔尔理工大学的科学家们在2019年第7期的《Processes》杂志上发表了题为“Accelerating Biomanufacturing by Modeling of Continuous Bioprocessing - Piloting Case Study of Monoclonal Antibody Manufacturing”的文章。

文中，研究人员对基于CHO细胞的、产量1 L/天细胞上清液，即约150g/年产物（单克隆抗体）的中试规模连续生物工艺进行了可行性实验研究和模型验证。实验时长约6周，包括准备、启动、批次及维持至少两周的连续稳态操作和纯度及产量的最终分析。实验在使用交替式切向流过滤（ATF）进行灌流培养之后，成功进行了包括水两相提取（ATPE）、超滤/洗滤（UF/DF）、含离子交换（IEX）和疏水作用（HIC）柱的的整合式逆流层析（iCCC）纯化以及冻干的连续工艺处理。实验及建模证实，连续操作稳定且可行。

在细胞培养中，实验使用中国仓鼠卵巢细胞（CHO DG44）生产单克隆抗体。培养条件为36.8℃、pH 7.1、60% pO₂、433rpm，培养在Sartorius Biostat B 2L生物反应器内进行，使用无血清化学限定培养基。

对于连续培养，使用交替式切向流过滤（ATF）灌流系统，进行细胞截留。灌流在活细胞密度达到2x10^6cells/mL时开始。在整个连续培养过程中维持体积置换率为1VVD。通过原位浊度探针，将活细胞浓度维持恒定为特定细胞浓度。

在高活性时（＞95%），浊度可用于在线监测活细胞浓度。所以，使用在线浊度阈值来进行在线控制。操作点（4800FAU）被选择用于活细胞浓度控制，其代表的活细胞浓度为25x10^6cells/mL。当浊度超过阈值时，自动触发废弃（bleeding）泵。滤液和废弃液流速之和等于补液流速，以维持培养体积。ATF泵置换体积为80.14mL，当其以每分钟1个泵循环运行时（一个循环定义为真空排气并加压置换整个泵体积），ATF流速为160 ml/min，此时可达到ATF比例为200.35（滤液体积流速和ATF流速之比）。

结果显示，灌流培养达到的抗体浓度为0.34±0.05g/L（批次阶段结束时）、0.70±0.06g/L（稳态开始时）以及0.50±0.03g/L（培养240小时时）。较低的产物浓度是由于相比传统灌流培养（14-60天），实验中工艺的培养时间较短。但是，即使在较低的产物浓度条件下，单位体积产量仍达到了700.34±56.85mg/L/d（稳态开始时）和503.20±28.45mg/L/d（培养240小时时）。高产率以及其它工艺特性（如更低的投资支出、长期的连续培养）增加了灌流系统的吸引力。

详细实验内容，请参考原文。