藥明生物首席技術(shù)官周偉昌：未來(lái)生物工藝技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

       近期，藥明生物首席技術(shù)官、執(zhí)行副總裁周偉昌博士在專業(yè)期刊上發(fā)表了觀點(diǎn)文章，介紹了連續(xù)生產(chǎn)工藝、一次性生物反應(yīng)器等新興技術(shù)對(duì)于促進(jìn)未來(lái)生物工藝發(fā)展的作用，并分享了前沿洞見。以下為部分精彩觀點(diǎn)：

       自1986年首 個(gè)單克隆抗體（OKT3）獲批上市以來(lái)，F(xiàn)DA已經(jīng)批準(zhǔn)了100多個(gè)抗體類治療產(chǎn)品，其中包括單克隆抗體（mAb）、融合蛋白、抗體偶聯(lián)藥物（ADC）和雙特異性抗體（bsAb）。

       尤其是2014年以來(lái)，獲批的抗體類藥物呈爆發(fā)式增長(zhǎng)上市產(chǎn)品超過(guò)70個(gè)，包括腫瘤壞死因子-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(yù)計(jì)將超過(guò)3000億美元1,2近年來(lái)，生物制品在全球藥品銷售排行榜中開始占據(jù)主導(dǎo)地位例如，2021年的前9個(gè)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**和10款抗體類產(chǎn)品。

       生物制品結(jié)構(gòu)高度復(fù)雜，通常采用活細(xì)胞生產(chǎn)，并需要多個(gè)工藝步驟進(jìn)行純化其關(guān)鍵特征，即關(guān)鍵質(zhì)量屬性（CQA），可以因?yàn)榧?xì)胞內(nèi)或者后續(xù)生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)生的翻譯后修飾而產(chǎn)生差異所以，工藝決定產(chǎn)品，基本上可以說(shuō)“產(chǎn)品即工藝”3。

       回顧過(guò)去幾十年生物制藥行業(yè)的發(fā)展，盡管還面臨諸多技術(shù)和監(jiān)管挑戰(zhàn)，業(yè)界在開發(fā)生物制品原液和制劑生產(chǎn)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，拯救了眾多患者的生命。

       隨著創(chuàng)新生物藥不斷涌現(xiàn)，如何在確保質(zhì)量一致性的前提下加速產(chǎn)品上市，特別是應(yīng)對(duì)不斷變化的新冠疫情，對(duì)業(yè)界提出了考驗(yàn)如下挑戰(zhàn)正推動(dòng)著生物工藝創(chuàng)新，為以經(jīng)濟(jì)高效的方式保障產(chǎn)品質(zhì)量和穩(wěn)定供應(yīng)帶來(lái)了新方向：

       加快產(chǎn)品從概念、臨床試驗(yàn)到商業(yè)化進(jìn)程

       自新冠疫情暴 發(fā)以來(lái)，業(yè)界迅速響應(yīng)，通過(guò)多方協(xié)作加快了多個(gè)**（包括兩種mRNA**）和生物藥（包括多種抗體）的研發(fā)和生產(chǎn)。

       抗新冠中和抗體產(chǎn)品開發(fā)涵蓋DNA序列設(shè)計(jì)，新藥臨床試驗(yàn)申請(qǐng)以及獲批上市，為加快這一進(jìn)程，業(yè)界在不影響產(chǎn)品質(zhì)量和安全性的前提下，采用了一體化和變革性的技術(shù)方法：將產(chǎn)品從DNA到IND申請(qǐng)的時(shí)間縮短至3至6個(gè)月，并在14個(gè)月內(nèi)完成新冠中和抗體從DNA到緊急使用授權(quán)（EUA）的過(guò)程短短數(shù)月內(nèi)就生產(chǎn)了數(shù)千公斤抗體，用于惠及全球患者臨床治療4。

       近來(lái)，新冠治療藥物研發(fā)達(dá)到了前所未有的推進(jìn)速度，這可能會(huì)拉開生物制品研發(fā)變革的序幕，加速開發(fā)時(shí)間表也就成為未來(lái)生物工藝發(fā)展的重要特征之一除繼續(xù)應(yīng)用創(chuàng)新技術(shù)縮短研發(fā)時(shí)間外，生物工藝開發(fā)也將進(jìn)一步聚焦于降低生產(chǎn)成本更新、更小的“未來(lái)工廠” -- 綜合應(yīng)用一體化連續(xù)生產(chǎn)工藝、一次性生物反應(yīng)器、高度的數(shù)字化和自動(dòng)化， 不僅將提供更大的靈活性、更高的產(chǎn)量和更有效的空間利用率，同時(shí)也將降低生產(chǎn)成本。

       新冠疫情為生物工藝帶來(lái)的變革也將有助于其他更復(fù)雜生物制品的研發(fā)，如抗體偶聯(lián)藥物和雙特異性/多特異性抗體業(yè)界從快速研發(fā)新冠**及生物制品中獲得的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，也將更直接地應(yīng)用于研發(fā)針對(duì)其他重癥的新型**和治療性生物藥未來(lái)，新型**和生物藥的研發(fā)將打破傳統(tǒng)，不用再耗時(shí)10年之久。

       自從治療性生物制品問(wèn)世以來(lái)，為了提高產(chǎn)能和效率，生產(chǎn)用細(xì)胞系的選擇策略在不斷改進(jìn)這些最新進(jìn)展使得業(yè)內(nèi)可以重新制定化學(xué)、生產(chǎn)和控制（CMC）策略，并在短短三個(gè)月內(nèi)生產(chǎn)出供應(yīng)臨床試驗(yàn)的產(chǎn)品。

       DNA合成前的密碼子優(yōu)化是實(shí)現(xiàn)高蛋白表達(dá)水平的常見方法其算法基于使用特定宿主細(xì)胞系的專用密碼子和密碼子對(duì)，可能比基于使用通用密碼子數(shù)據(jù)庫(kù)的算法更為有效，有助于提高蛋白質(zhì)在特定宿主細(xì)胞系中的表達(dá)水平此外，由于該策略對(duì)瞬時(shí)轉(zhuǎn)染和穩(wěn)定轉(zhuǎn)染細(xì)胞系表達(dá)系統(tǒng)均有效，因此定制密碼子的優(yōu)化工作也有助于整個(gè)研發(fā)過(guò)程。

       隨著多年來(lái)CMC開發(fā)進(jìn)程不斷加快，毒理學(xué)研究采用從細(xì)胞群中獲得的蛋白物料已經(jīng)獲得了全球各監(jiān)管機(jī)構(gòu)越來(lái)越多的認(rèn)可因此，選擇與毒理學(xué)研究蛋白具有相似產(chǎn)品CQA的最終克隆至關(guān)重要需要強(qiáng)調(diào)的是，不采用基于液質(zhì)聯(lián)用（LC-MS）的肽圖分析，而是采用基于下一代測(cè)序（NGS）的cDNA，以快速篩選出與早期研發(fā)所用細(xì)胞群中無(wú)任何序列變異的克隆在克隆篩選期間，可同時(shí)進(jìn)行細(xì)胞系穩(wěn)定性傳代，以進(jìn)一步縮短研發(fā)時(shí)間。

       在復(fù)雜生物藥分子的研發(fā)過(guò)程中，通常會(huì)發(fā)生重組蛋白的截短或裂解，這也為下游純化工藝帶來(lái)了挑戰(zhàn)，同時(shí)也可能導(dǎo)致產(chǎn)量下降細(xì)胞系選擇的早期階段通常采用批次補(bǔ)料，以篩選出剪切較少的克隆而這再次證明，在研發(fā)早期深入了解產(chǎn)品和工藝進(jìn)展有助于節(jié)省后期的大量時(shí)間、成本和精力。

       更廣泛應(yīng)用連續(xù)生產(chǎn)工藝和一次性生物反應(yīng)器

       未來(lái)，連續(xù)生產(chǎn)工藝將逐漸廣泛地應(yīng)用單抗、雙抗、融合蛋白和重組蛋白等各種類型的生物藥生產(chǎn)這一應(yīng)用也反映了業(yè)界發(fā)展趨勢(shì) -- 滿足更高質(zhì)量、更高產(chǎn)量且更具有可及性的生物制品的日益增長(zhǎng)的需求。

       在上游工藝方面，灌流培養(yǎng)已廣泛應(yīng)用于臨床和商業(yè)批次的生產(chǎn) 。與流加培養(yǎng)相比，灌流培養(yǎng)在產(chǎn)量、質(zhì)量、靈活性和性價(jià)比方面均具有顯著優(yōu)勢(shì)。先進(jìn)的灌流培養(yǎng)系統(tǒng) -- 如藥明生物自主開發(fā)的超高效連續(xù)生產(chǎn)技術(shù)平臺(tái)（WuXiUP™） -- 可將幾乎所有類型生物藥生產(chǎn)中的細(xì)胞密度和產(chǎn)量較流加培養(yǎng)提高5至10倍。此外，連續(xù)收獲可縮短產(chǎn)物在生物反應(yīng)器中的停留時(shí)間，從而改善產(chǎn)品質(zhì)量。

藥明生物超高效連續(xù)生產(chǎn)技術(shù)平臺(tái)WuXiUP(TM)

       隨著一次性生物反應(yīng)器、流穿層析和單向切向流過(guò)濾等技術(shù)的進(jìn)步，連續(xù)生產(chǎn)技術(shù)已經(jīng)在小試或中試規(guī)模成功實(shí)現(xiàn)連續(xù)下游工藝然而，全行業(yè)在大規(guī)模應(yīng)用上的投入?yún)s略顯滯后。

       采用自動(dòng)化穩(wěn)態(tài)灌流培養(yǎng)、不含細(xì)胞的連續(xù)收獲和延長(zhǎng)產(chǎn)物收獲周期等技術(shù)，使連續(xù)生產(chǎn)上游工藝在產(chǎn)物表達(dá)水平方面取得了巨大進(jìn)步相應(yīng)地是，在大規(guī)模生產(chǎn)中還需提高連續(xù)生產(chǎn)下游工藝產(chǎn)量5。

       人用藥品技術(shù)要求國(guó)際協(xié)調(diào)理事會(huì)（ICH）發(fā)布了一份關(guān)于原液和制劑連續(xù)生產(chǎn)的指導(dǎo)原則（Q13）草案6，目前正在對(duì)這份草案進(jìn)行評(píng)審業(yè)界普遍認(rèn)為該草案將鼓勵(lì)連續(xù)生產(chǎn)工藝在生物制品研發(fā)和生產(chǎn)中的應(yīng)用，而連續(xù)生產(chǎn)工藝很大程度上取決于部分或完全一體化的下游工藝單元操作。

       對(duì)于這兩種連續(xù)生產(chǎn)下游工藝方案，一個(gè)可預(yù)見的瓶頸是缺乏高性價(jià)比的現(xiàn)成或定制的過(guò)程分析技術(shù)（PAT）工具以及用于過(guò)程監(jiān)測(cè)和實(shí)時(shí)控制的自動(dòng)化系統(tǒng)在儀器和自動(dòng)化控制解決方案供應(yīng)商、學(xué)術(shù)界、工程師及整個(gè)生物制藥行業(yè)的協(xié)作努力下，該技術(shù)瓶頸有望在不久的將來(lái)得到突破，從而讓完全一體化連續(xù)生產(chǎn)下游工藝得到更廣泛的應(yīng)用。

       細(xì)胞系開發(fā)策略日趨先進(jìn)，細(xì)胞培養(yǎng)基不斷優(yōu)化，因此細(xì)胞培養(yǎng)產(chǎn)物表達(dá)水平得以不斷提高，占地面積較小的生物反應(yīng)器的需求也隨之增加再加上連續(xù)生產(chǎn)工藝，這些將進(jìn)一步促進(jìn)一次性生物反應(yīng)器的普及。

       擴(kuò)大一次性技術(shù)在其他環(huán)節(jié)操作中的使用，如引入一次性切向流深層過(guò)濾系統(tǒng)和一次性離子交換膜層析裝置，可實(shí)現(xiàn)完整的一次性生產(chǎn)工藝一次性技術(shù)也使得生產(chǎn)工廠的新型設(shè)計(jì)成為可能，例如采用模塊化生產(chǎn)單元，從而提供靈活的產(chǎn)能，縮短產(chǎn)品上市時(shí)間，不同產(chǎn)品間的靈活轉(zhuǎn)換，同時(shí)也可最大限度減少交叉污染。

       目前，強(qiáng)化型連續(xù)生產(chǎn)技術(shù)已經(jīng)成為顯著發(fā)展趨勢(shì)，這將有望提高采用這些技術(shù)所實(shí)現(xiàn)的產(chǎn)量完全連續(xù)生產(chǎn)工藝可通過(guò)整合和協(xié)調(diào)不同單元操作工藝來(lái)實(shí)現(xiàn)，以最大限度縮短間隙時(shí)間和提高產(chǎn)能采用連續(xù)生產(chǎn)工藝，也將減少大批量生物制品生產(chǎn)所使用設(shè)備的占地面積，并降低整體資本投入。

       其他生物工藝進(jìn)步還包括在大規(guī)模生產(chǎn)工藝中實(shí)施自動(dòng)進(jìn)料、自動(dòng)采樣和最小化管路裝配，以實(shí)現(xiàn)更大規(guī)模的工藝控制，從而獲得更穩(wěn)健的性能和產(chǎn)品質(zhì)量大規(guī)模生產(chǎn)中采用過(guò)程分析技術(shù)（PAT），如拉曼光譜，以及其他在線檢測(cè)方法，可實(shí)現(xiàn)重要工藝參數(shù)和性能的實(shí)時(shí)檢測(cè)和控制。

       與毛細(xì)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(shù)具有更高的靈敏度和產(chǎn)物選擇性此外，表面等離子體共振（SPR）和生物層干涉（BLI）等新興技術(shù)可加強(qiáng)產(chǎn)品放行中的工作流程。

       應(yīng)用PAT工具有兩項(xiàng)主要優(yōu)勢(shì)：快速?zèng)Q策和先進(jìn)的過(guò)程控制現(xiàn)在行業(yè)內(nèi)已開發(fā)多種PAT平臺(tái)，可用于在線監(jiān)測(cè)連續(xù)性生物工藝過(guò)程中的產(chǎn)物聚集化和碎片化度7，以及自動(dòng)控制活細(xì)胞密度8，這有助于開發(fā)更好的工藝，并加快CMC開發(fā)進(jìn)度。

       新一代抗體類藥物工藝發(fā)展趨勢(shì)

       由于分子結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，雙抗和抗體偶聯(lián)藥物等新型生物藥的工藝開發(fā)具有一定挑戰(zhàn)性隨著全球抗體偶聯(lián)藥物研發(fā)產(chǎn)品線快速增長(zhǎng)，業(yè)界對(duì)完全一體化的抗體偶聯(lián)藥物技術(shù)平臺(tái)服務(wù)的需求愈發(fā)強(qiáng)烈，以支持從DNA到 IND過(guò)程中的工藝開發(fā)和產(chǎn)品生產(chǎn)等環(huán)節(jié)生物偶聯(lián)藥物的研發(fā)和生產(chǎn)不僅需要這些完全一體化的抗體偶聯(lián)藥物技術(shù)平臺(tái)，也需要抗體、連接子和偶聯(lián)技術(shù)等相關(guān)服務(wù)除縮短DNA到IND的時(shí)間，一體化的抗體偶聯(lián)藥物技術(shù)平臺(tái)還具有降低開發(fā)過(guò)程中的風(fēng)險(xiǎn)等優(yōu)勢(shì)對(duì)這些技術(shù)平臺(tái)的需求，也反映出研發(fā)企業(yè)對(duì)偶聯(lián)工藝穩(wěn)健性和藥物-抗體比（DAR）控制的更多關(guān)注。

       偶聯(lián)技術(shù)涉及各種連接子機(jī)制以及不同的有效載荷、偶聯(lián)化學(xué)品、偶聯(lián)位點(diǎn)和藥物-抗體比所有方面的多樣性也增加了生產(chǎn)過(guò)程中的可變性，使純化工藝和對(duì)抗體偶聯(lián)藥物結(jié)構(gòu)和效價(jià)的分析過(guò)程變得復(fù)雜在過(guò)去數(shù)年里，抗體偶聯(lián)藥物研發(fā)企業(yè)在改善這些復(fù)雜藥物的可開發(fā)性、可生產(chǎn)性和功能性能等方面取得了重大進(jìn)展，但在將這些藥物模式推向更精簡(jiǎn)的研發(fā)過(guò)程中，仍然面臨一定挑戰(zhàn)為應(yīng)對(duì)這些困難，生產(chǎn)企業(yè)需要采用更高水平的分析方法。

       在雙抗生產(chǎn)過(guò)程中，鏈錯(cuò)配、鏈表達(dá)不平衡和組裝不完全等工藝過(guò)程中產(chǎn)生的相關(guān)副產(chǎn)物對(duì)下游純化工藝提出了相當(dāng)大的挑戰(zhàn)為幫助生產(chǎn)企業(yè)處理不同種類及含量水平的副產(chǎn)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游方法外，灌流細(xì)胞培養(yǎng)還可以顯著提高雙抗的質(zhì)量（例如，通過(guò)提高單體的百分比，其以Caliper或者毛細(xì)管等電聚焦分析確定）因此，相比傳統(tǒng)的補(bǔ)料 分批培養(yǎng)，灌流細(xì)胞培養(yǎng)是更好的選擇方法10本文所討論用于雙抗研發(fā)的下游和上游策略也可應(yīng)用于多特異性抗體研發(fā)。

       盡管生物制品研發(fā)仍然存在相關(guān)挑戰(zhàn)，尤其是抗體偶聯(lián)藥物和雙抗等新型和復(fù)雜的藥物分子，但業(yè)界已通過(guò)新型分析工具、高通量矩陣驅(qū)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)來(lái)應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)相對(duì)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(lái)源的生物技術(shù)賦能平臺(tái)，以及吸取抗擊新冠疫情中生物藥研發(fā)的相關(guān)知識(shí)經(jīng)驗(yàn)，企業(yè) 將更快實(shí)現(xiàn)研發(fā)出性價(jià)比更高的治療性生物藥和**。