藥明生物首席技術官周偉昌：未來生物工藝技術發展趨勢

近期，藥明生物首席技術官、執行副總裁周偉昌博士在專業期刊上發表了觀點文章，介紹了連續生産工藝、一次性生物反應器等新興技術對于促進未來生物工藝發展的作用，并分享了前沿洞見。以下為部分精彩觀點：

自1986年首個單克隆抗體（OKT3）獲批上市以來，FDA已經準許了100多個抗體類治療産品，其中包括單克隆抗體（mAb）、融合蛋白、抗體偶聯藥物（ADC）和雙特異性抗體（bsAb）。

尤其是2014年以來，獲批的抗體類藥物呈爆發式增長。上市産品超過70個，包括惡性良性腫瘤壞死因子-α（TNF-α）、抗PD-1和抗PD-L1抗體等，且重磅藥物頻出。2021年，生物制品的全球銷售額預計将超過3000億美元1,2。近年來，生物制品在全球藥品銷售排行榜中開始占據主導地位。例如，2021年的前9個月，銷售額位居前列的20種藥品中有13種是生物制品，其中包括兩款mRNA新冠疫苗和10款抗體類産品。

生物制品結構高度複雜，通常采用活細胞生産，并需要多個工藝步驟進行純化。其關鍵特征，即關鍵品質屬性（CQA），可以因為細胞内或者後續生産過程中發生的翻譯後修飾而産生差異。是以，工藝決定産品，基本上可以說“産品即工藝”3。

回顧過去幾十年生物制藥行業的發展，盡管還面臨諸多技術和監管挑戰，業界在開發生物制品原液和制劑生産工藝，以及分析方法方面的努力已取得了巨大的成就，滿足了大量的臨床需求，拯救了衆多患者的生命。

随着創新生物藥不斷湧現，如何在確定品質一緻性的前提下加速産品上市，特别是應對不斷變化的新冠疫情，對業界提出了考驗。如下挑戰正推動着生物工藝創新，為以經濟高效的方式保障産品品質和穩定供應帶來了新方向：

加快産品從概念、臨床試驗到商業化程序

自新冠疫情爆發以來，業界迅速響應，通過多方協作加快了多個疫苗（包括兩種mRNA疫苗）和生物藥（包括多種抗體）的研發和生産。

抗新冠中和抗體産品開發涵蓋DNA序列設計，新藥臨床試驗申請以及獲批上市，為加快這一程序，業界在不影響産品品質和安全性的前提下，采用了一體化和變革性的技術方法：将産品從DNA到IND申請的時間縮短至3至6個月，并在14個月内完成新冠中和抗體從DNA到緊急使用授權（EUA）的過程。短短數月内就生産了數千公斤抗體，用于惠及全球患者臨床治療4。

近來，新冠治療藥物研發達到了前所未有的推進速度，這可能會拉開生物制品研發變革的序幕，加速開發時間表也就成為未來生物工藝發展的重要特征之一。除繼續應用創新技術縮短研發時間外，生物工藝開發也将進一步聚焦于降低生産成本。更新、更小的“未來工廠”——綜合應用一體化連續生産工藝、一次性生物反應器、高度的數字化和自動化，不僅将提供更大的靈活性、更高的産量和更有效的空間使用率，同時也将降低生産成本。

新冠疫情為生物工藝帶來的變革也将有助于其他更複雜生物制品的研發，如抗體偶聯藥物和雙特異性/多特異性抗體。業界從快速研發新冠疫苗及生物制品中獲得的知識和經驗，也将更直接地應用于研發針對其他重症的新型疫苗和治療性生物藥。未來，新型疫苗和生物藥的研發将打破傳統，不用再耗時10年之久。

自從治療性生物制品問世以來，為了提高産能和效率，生産用細胞系的選擇政策在不斷改進。這些最新進展使得業内可以重新制定化學、生産和控制（CMC）政策，并在短短三個月内生産出供應臨床試驗的産品。

DNA合成前的密碼子優化是實作高蛋白表達水準的常見方法。其算法基于使用特定宿主細胞系的專用密碼子和密碼子對，可能比基于使用通用密碼子資料庫的算法更為有效，有助于提高蛋白質在特定宿主細胞系中的表達水準。此外，由于該政策對瞬時轉染和穩定轉染細胞系表達系統均有效，是以定制密碼子的優化工作也有助于整個研發過程。

随着多年來CMC開發程序不斷加快，毒理學研究采用從細胞群中獲得的蛋白物料已經獲得了全球各監管機構越來越多的認可。是以，選擇與毒理學研究蛋白具有相似産品CQA的最終克隆至關重要。需要強調的是，不采用基于液質聯用（LC-MS）的肽圖分析，而是采用基于下一代測序（NGS）的cDNA，以快速篩選出與早期研發所用細胞群中無任何序列變異的克隆。在克隆篩選期間，可同時進行細胞系穩定性傳代，以進一步縮短研發時間。

在複雜生物藥分子的研發過程中，通常會發生重組蛋白的截短或裂解，這也為下遊純化工藝帶來了挑戰，同時也可能導緻産量下降。細胞系選擇的早期階段通常采用批次補料，以篩選出剪切較少的克隆。而這再次證明，在研發早期深入了解産品和工藝進展有助于節省後期的大量時間、成本和精力。

更廣泛應用連續生産工藝和一次性生物反應器

未來，連續生産工藝将逐漸廣泛地應用單抗、雙抗、融合蛋白和重組蛋白等各種類型的生物藥生産。這一應用也反映了業界發展趨勢——滿足更高品質、更高産量且更具有可及性的生物制品的日益增長的需求。

在上遊工藝方面，灌流培養已廣泛應用于臨床和商業批次的生産 。與流加培養相比，灌流培養在産量、品質、靈活性和成本效益方面均具有顯著優勢。先進的灌流培養系統——如藥明生物自主開發的超高效連續生産技術平台（WuXiUP™）——可将幾乎所有類型生物藥生産中的細胞密度和産量較流加培養提高5至10倍。此外，連續收獲可縮短産物在生物反應器中的停留時間，進而改善産品品質。

藥明生物超高效連續生産技術平台WuXiUP™

随着一次性生物反應器、流穿層析和單向切向流過濾等技術的進步，連續生産技術已經在小試或中試規模成功實作連續下遊工藝。然而，全行業在大規模應用上的投入卻略顯滞後。

采用自動化穩态灌流培養、不含細胞的連續收獲和延長産物收獲周期等技術，使連續生産上遊工藝在産物表達水準方面取得了巨大進步。相應地是，在大規模生産中還需提高連續生産下遊工藝産量5。

國際人用藥品注冊技術協調會（ICH）釋出了一份關于原液和制劑連續生産的指導原則（Q13）草案6，目前正在對這份草案進行評審。業界普遍認為該草案将鼓勵連續生産工藝在生物制品研發和生産中的應用，而連續生産工藝很大程度上取決于部分或完全一體化的下遊工藝單元操作。

對于這兩種連續生産下遊工藝方案，一個可預見的瓶頸是缺乏高成本效益的現成或定制的過程分析技術（PAT）工具以及用于過程監測和實時控制的自動化系統。在儀器和自動化控制解決方案供應商、學術界、工程師及整個生物制藥行業的協作努力下，該技術瓶頸有望在不久的将來得到突破，進而讓完全一體化連續生産下遊工藝得到更廣泛的應用。

細胞系開發政策日趨先進，細胞培養基不斷優化，是以細胞培養産物表達水準得以不斷提高，占地面積較小的生物反應器的需求也随之增加。再加上連續生産工藝，這些将進一步促進一次性生物反應器的普及。

擴大一次性技術在其他環節操作中的使用，如引入一次性切向流深層過濾系統和一次性離子交換膜層析裝置，可實作完整的一次性生産工藝。一次性技術也使得生産工廠的新型設計成為可能，例如采用子產品化生産單元，進而提供靈活的産能，縮短産品上市時間，不同産品間的靈活轉換，同時也可最大限度減少交叉污染。

目前，強化型連續生産技術已經成為顯著發展趨勢，這将有望提高采用這些技術所實作的産量。完全連續生産工藝可通過整合和協調不同單元操作工藝來實作，以最大限度縮短間隙時間和提高産能。采用連續生産工藝，也将減少大批量生物制品生産所使用裝置的占地面積，并降低整體資本投入。

其他生物工藝進步還包括在大規模生産工藝中實施自動進料、自動采樣和最小化管路裝配，以實作更大規模的工藝控制，進而獲得更穩健的性能和産品品質。大規模生産中采用過程分析技術（PAT），如拉曼光譜，以及其他線上檢測方法，可實作重要工藝參數和性能的實時檢測和控制。

與毛細管電泳（CE）和高效液相色譜（HPLC）相比，基于多肽的多屬性方法（MAM）等其他新型分析技術具有更高的靈敏度和産物選擇性。此外，表面等離子體共振（SPR）和生物層幹涉（BLI）等新興技術可加強産品放行中的工作流程。

應用PAT工具有兩項主要優勢：快速決策和先進的過程控制。現在行業内已開發多種PAT平台，可用于線上監測連續性生物工藝過程中的産物聚集化和碎片化度7，以及自動控制活細胞密度8，這有助于開發更好的工藝，并加快CMC開發進度。

新一代抗體類藥物工藝發展趨勢

由于分子結構的複雜性，雙抗和抗體偶聯藥物等新型生物藥的工藝開發具有一定挑戰性。随着全球抗體偶聯藥物研發産品線快速增長，業界對完全一體化的抗體偶聯藥物技術平台服務的需求愈發強烈，以支援從DNA到 IND過程中的工藝開發和産品生産等環節。生物偶聯藥物的研發和生産不僅需要這些完全一體化的抗體偶聯藥物技術平台，也需要抗體、連接配接子和偶聯技術等相關服務。除縮短DNA到IND的時間，一體化的抗體偶聯藥物技術平台還具有降低開發過程中的風險等優勢。對這些技術平台的需求，也反映出研發企業對偶聯工藝穩健性和藥物-抗體比（DAR）控制的更多關注。

偶聯技術涉及各種連接配接子機制以及不同的有效載荷、偶聯化學品、偶聯位點和藥物-抗體比。所有方面的多樣性也增加了生産過程中的可變性，使純化工藝和對抗體偶聯藥物結構和效價的分析過程變得複雜。在過去數年裡，抗體偶聯藥物研發企業在改善這些複雜藥物的可開發性、可生産性和功能性能等方面取得了重大進展，但在将這些藥物模式推向更精簡的研發過程中，仍然面臨一定挑戰。為應對這些困難，生産企業需要采用更高水準的分析方法。

在雙抗生産過程中，鍊錯配、連結清單達不平衡群組裝不完全等工藝過程中産生的相關副産物對下遊純化工藝提出了相當大的挑戰。為幫助生産企業處理不同種類及含量水準的副産物，研究人員提出了一種基于工具箱的雙抗純化方法9。

除了為雙抗量身定制的下遊方法外，灌流細胞培養還可以顯著提高雙抗的品質（例如，通過提高單體的百分比，其以Caliper或者毛細管等電聚焦分析确定）。是以，相比傳統的補料分批培養，灌流細胞培養是更好的選擇方法10。本文所讨論用于雙抗研發的下遊和上遊政策也可應用于多特異性抗體研發。

盡管生物制品研發仍然存在相關挑戰，尤其是抗體偶聯藥物和雙抗等新型和複雜的藥物分子，但業界已認證新型分析工具、高通量矩陣驅動的實驗設計來應對這些挑戰。相對于多年以前，得益于以藥明生物為代表的更加全面、一體化和單一來源的生物技術賦能平台，以及吸取抗擊新冠疫情中生物藥研發的相關知識經驗，企業将更快實作研發出成本效益更高的治療性生物藥和疫苗。

參考文獻

1. Business Research Company. Global Pharmaceuticals Opportunities and Strategies Market Report. Available at: https://www.thebusinessresearchcompany.com/report/pharmaceuticals-market.

2. Research and Markets. Global Biologics Market Opportunities and Strategies Report 2020: COVID-19 Impact and Recovery—Forecast to 2023, 2025 & 2030; 2021. Available at: https://www.prnewswire.com/news-releases/global-biologics-market-opportunities-and-strategies-report-2020-covid-19-impact-and-recovery---forecast-to-2023-2025--2030-301223015.html.

3. BIO. How do Drugs and Biologics Differ? https://archive.bio.org/articles/how-do-drugs-and-biologics-differ.

4. Zhang Z, Chen J, Wang J, et al. Reshaping cell line development and CMC strategy for fast responses to pandemic outbreak. Biotechnol. Prog. 2021; 37(5): e3186.

5. Zhou H, Fang M, Zheng X, Zhou W. Improving an intensified and integrated continuous bioprocess platform for biologics manufacturing. Biotechnol. Bioeng. 2021; 118: 3618–3623

6. European Medicines Agency. ICH guideline Q13 on continuous manufacturing of drug substances and drug products. Draft version endorsed on 27 July 2021.

7. Liu Z, Zhang Z, Qin Y, et al. The application of Raman spectroscopy for monitoring product quality attributes in perfusion cell culture. Biochem. Eng. J. 2021; 173: 108064.

8. Chen G, Hu J, Qin Y, Zhou W. Viable cell density on-line auto-control in perfusion cell culture aided by in-situ Raman spectroscopy. Biochem. Eng. J. 2021; 172: 108063.

9. Li Y, Wang Y, Shen K, Zhou W. A roadmap for IgG-like bispecific antibody purification. In: Matte A, ed. Approaches to the Purification, Analysis, and Characterization of Antibody-Based Therapeutics. Elsevier; 2020: 167–179.

10. Qin Y, Ma R, Li Y, et al. Productivity and quality improvement for a bispecific antibody through the application of intensified perfusion cell culture. Unpublished data, 2021.

原文連結：https://www.genengnews.com/topics/bioprocessing/secure-the-future-of-bioprocessing/