导语
超高效连续细胞培养平台WuXiUPTM是药明生物自主研发的新一代生物药生产平台，其兼顾了大规模商业化生产中对高产量、高质量、高灵活性、低成本等多方面的需求。本团队先前已发表文章介绍了该平台的开发过程，并揭示了凭借其实现超高产量的原理（WuXiUP连续生产工艺平台大揭秘：日均产量超3g/L，27天高达86g/L！）。
本文简要介绍了WuXiUPTM技术平台的最新升级内容，相关成果已于近期在专业期刊Biotechnology and Bioengineering上发表（Zhou H, Fang M, Zheng X, Zhou W. 2021. Improving an intensified and integrated continuous bioprocess platform for biologics manufacturing. Biotechnol. Bioeng.: 1-6.）。
摘要
WuXiUPTM是药明生物开发的一种新型的一体化连续生产平台，其所采用的连续生产技术适用于当前在产的几乎所有类型的生物药的生产过程，能够快速实现超高产量。
本文以一种表达单克隆抗体（mAb）的细胞为研究对象，基于WuXiUPTM工艺评估了培养温度、基础培养基、灌流速率等关键参数对工艺表现的影响，旨在进一步强化该工艺的高效性和稳健性。此外，还设计了一种双柱细胞截留系统，用以缩减上游连续收获液的体积，缓解生产过程中中空纤维柱堵塞问题。
通过上述升级优化，成功实现了目的蛋白的在线浓缩，并且显著缩减了连续生产的收获液体积，降低了细胞分离装置对于蛋白的截留率，从而有效提高了上下游的生产效率。
简介
药明生物于2018年基于传统的灌流工艺开发了WuXiUPTM平台，实现了连续细胞培养和生物药生产的重大突破。
传统的灌流培养工艺中，通常会采用放流操作控制恒定的细胞密度，以实现长期的稳态培养。与之相比，WuXiUPTM则不再放流限制细胞密度，而是通过持续培养方式在短期内快速达到更高的细胞密度，随后再采用降温策略维持高密度和高活率，同时将细胞调控至有利于蛋白高效表达的生理状态。WuXiUPTM实现了在短时间内快速生产大量产物的设计初衷，是对灌流连续培养模式的第一次强化和升级（图1）。
在概念验证实验中，本团队应用WuXiUPTM平台创造了超高产的记录，仅培养27天便收获了86g·L-1Fc融合蛋白。目前，WuXiUPTM技术已被成功应用至30多个项目，其产品包括单克隆抗体、双特异性抗体、融合蛋白等各类生物药。据此，本团队已将该技术打造成了一个强大的通用型生物药连续生产平台。
正文
一般而言，控温策略、灌流速率和放流速率是建立稳健的灌流工艺的关键控制点。由于WuXiUPTM源自传统的灌流工艺，故亦可通过上述关键控制点进行合理优化（放流速率除外）。此外，培养基是细胞培养工艺中的重要生产材料，因此也有望结合培养基优化策略进一步强化WuXiUPTM工艺。据此，本团队对WuXiUPTM平台进行全面的优化升级，旨在探索更优的工艺参数，以实现更佳的工艺性能。
1 培养温度优化
本实验采用表达目标mAb蛋白的CHO-K1细胞，将初始温度设定为36.5℃，培养至第6天时分别降温至31.0℃和33.0℃。结果显示，与33.0℃条件相比，31.0℃条件更利于细胞密度和活率的维持（图2b），且氧通量和泡沫也更易控制。而且，后者培养过程中用于生物量累积的碳源和能量的代谢流量降低，从而更利于产物表达，最终使比生产速率（qP）和总体积产率均得到了显著的提高（图2c和图2d）。由此可知，针对不同的培养体系，可以通过优化控温策略获得更好的工艺表现。
2 培养基和灌流速率评估
考察多种商业化基础培养基可知，不同培养基中细胞的密度峰值不同，且总体工艺表现也不尽相同（图3a和图3b）。因此，将WuXiUPTM工艺应用于新细胞系时，有必要进行培养基筛选。
灌流速率评估结果表明，采用较高灌流速率可获得较高的细胞密度峰值。但是，在培养早期采用高灌流速率则可能会在一定程度上影响细胞的生长速率（图3c）。推其原因，高灌流速率可能会更快地稀释培养体系中潜在的生长因子。尽管如此，二者累积总体积产量相近。据此，为了降低培养基所占成本，建议采用较低的灌流速率。
3 双柱细胞分离系统
在中空纤维柱细胞截留系统的灌流工艺中，中空纤维柱堵塞是较为常见的问题，其与细胞密度、细胞活率、过滤通量、培养基组分等因素密切相关。
通常而言，维持较低的细胞密度和适当缩短培养时间均能改善细胞活率，从而可在一定程度上降低堵塞风险。但是，此方法却会导致总产量降低。
过滤通量是描述中空纤维柱工作负荷的关键参数，因此本文对该参数进行优化，以期在不影响产量的前提下缓解或解决堵塞问题。结果表明过滤通量对工艺表现并无明显影响，但过滤通量不同会使蛋白截留率出现差异（图3d）。虽然可以通过更换中空纤维组件的方法缓解或解决蛋白截留问题，但这无疑会增加工艺的复杂性，且与之相关的风险和成本也不容忽视。
为了解决上述问题，WuXiUPTM团队设计了双柱细胞分离系统，通过合理配置多中空纤维组件的策略优化过滤通量，以改善工艺表现。在该系统中，以并联方式安装两种不同孔径（0.2μm和50kD）的中空纤维柱。其中，50kD柱仅允许反应器内的培养废液通过，而含目标产物的收获液则仅通过0.2μm柱进行连续收获（图4a）。实验室前期结果表明，在没有明显堵塞的情况下，50kD柱的通量比0.2μm柱高50%左右，利用50kD柱分担过滤通量，从而大幅降低流经0.2μm柱的液体量，以期延长后者的使用寿命。同时，采用该方法对废液和收获液进行分流后，还能实现在线产物浓缩，最高浓缩比可达1:5。因此，大大缩减了上游的收获体积，明显缩短了下游的上样时间，有效提高了产品捕获单元操作的效率。
为了考察上述双柱系统的可行性，本文采用WuXiUPTM平台进行了概念验证实验。如图4b和图4c所示，将收获速率从1.5VVD降至0.5VVD时，收获液中的蛋白浓度增加，且相应的蛋白截留率降低，结果符合预期。此外，在培养结束后还能继续通过0.2μm柱收获罐内的目的蛋白，进而将收获步骤的蛋白收率提高至95%以上。目前，该双柱系统已被应用于生产和浓缩各种类型的蛋白药物。
上述50kD柱和0.2μm柱的并联策略仅为一种配置范例，实际应用中可以根据产物性质和工艺需求合理选择和搭配孔径。需要注意的是，在线浓缩会在一定程度上延长产物在反应器中的停留时间，所以建议根据具体的需求对工艺表现和产物质量进行评估和权衡。
结语
WuXiUPTM是药明生物自主研发的新一代生物药连续生产平台，在工艺开发和生产实践中得到了持续不断的迭代升级。
相较于传统的灌流工艺，WuXiUPTM保留了连续工艺的各种优势，但并不囿于追求长期的稳态培养过程，而是摒弃了传统的放流操作，有效避免了细胞资源的浪费。此外，本文还对其进行了全面的强化升级，大幅提高了生产效率，从而实现了以较短培养周期和超高产率生产高质量产品的目标。
目前，WuXiUPTM已被应用于多个项目，并且成功放大至200-2000升生产规模。本文所述的新型双柱系统对WuXiUPTM工艺而言更是一次重大的突破，后续可以结合培养基开发、过程分析技术（PAT）等多重优化策略对其进行持续不断的强化和升级，为生物制剂的高效生产提供更完美的连续化解决方案。
引用：Zhou H, Fang M, Zheng X, Zhou W. 2021. Improving an intensified and integrated continuous bioprocess platform for biologics manufacturing. Biotechnol. Bioeng.: 1-6.
链接：https://doi.org/10.1002/bit.27768
推荐 · 阅读
参考文献
关于药明生物
药明生物（股票代码：2269.HK）作为一家香港上市公司，是全球领先的开放式、一体化生物制药能力和技术赋能平台。公司为全球生物制药公司和生物技术公司提供全方位的端到端研发服务，帮助任何人、任何公司发现、开发及生产生物药，实现从概念到商业化生产的全过程，加速全球生物药研发进程，降低研发成本，造福病患。
截至2021年3月22日，在药明生物平台上研发的综合项目达361个，包括190个处于临床前研究阶段，137个在临床早期（I期，II期）阶段，32个在后期临床（III期）以及2个在商业化生产阶段。预计到2024年后，公司在中国、爱尔兰、美国、德国和新加坡规划的生物制药生产基地合计产能将达到43万升，这将有力确保公司通过健全强大的全球供应链网络为客户提供符合全球质量标准的生物药。
药明生物将环境、社会和治理（ESG）视为业务发展和企业精神的重要组成部分，并成立了由首席执行官领导的ESG委员会，在提升运营效率的同时践行可持续性发展承诺。如需更多信息，请访问：www.wuxibiologics.com。
注：本信息不构成药明生物的信息披露或投资建议
