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    生物反應器在生物制藥中的應用及前景

    時間是:2021-10-06 16:38:00 點擊次數:541
     生物反應器在生物制藥中的應用及前景
    利用生物反應器懸浮培養細胞生產抗體抗原等產物是生物制品的核心技術,結合篩選馴化的高表達細胞株和精細化工藝控制培養過程,從而提高生產效率、產品質量和降低成本,但目前國內生物反應器在大規模應用上仍處于起步階段,隨著現代生物技術發展,利用生物反應器進行生物制品生產是行業發展的必然趨勢。
    1 生物反應器在生物制藥中的應用及現狀
    1962年,Capstick等對BHK21細胞馴化實現懸浮培養,并應用于獸用疫苗生產。1967年,VanWezel開發了微載體并實現了生物反應器中培養貼壁細胞。生物反應器中懸浮培養和載體培養標志著細胞大規模培養的開始。20世紀80年代后,CHO細胞實現懸浮培養,治療性抗體生產技術的發展極大的推動著生物反應器在生物制藥行業的應用,到20世紀末已進入萬升規模。21世紀初,隨著流加培養、灌流培養、基因工程等技術的發展,作為大規模培養主要設備的生物反應器規模也趨向大型化和自動化。當前生物制藥的主流技術是在大型機械攪拌式反應器中,用無血清培養基和灌流工藝懸浮培養細胞進行生產。
    生物反應器大規模培養在生物制藥領域快速發展,全球銷售額最高的6大類生物技術藥中,5類是經哺乳動物細胞表達生產的?,F代基因工程技術及生物反應器工藝的發展,促進細胞培養制藥的快速發展。國際知名廠家紛紛進行細胞改造篩選,發展自己的細胞培養平臺。反觀國內,人用和獸用疫苗企業超過120家,應用生物反應器進行生產的大多還是小規模的試驗階段,與國外萬升級規模相比還較大的差距。
    2 生物反應器懸浮培養關鍵技術
    生物反應器懸浮培養主要包括高表達細胞株的改造、個性化培養基的定制、生產工藝的改進、生物反應器及配套設施的優化等四個方面。
    2.1 細胞的馴化
    為了提高生物制品的產率和安全有效性,篩選高表達量的宿主細胞意義重大。
    為實現馴化穩定,通常有高密度細胞培養向低密度細胞培養,由高濃度血清培養逐漸向降低血清濃度培養。因細胞損傷后很難修復,所以馴化活力應保持在90%以上。細胞的增殖能力直接影響產能,馴化時應保持對其增殖能力測定。馴化時還應該對其表達分泌能力進行測定,避免馴化后的細胞表達特性發生變化。在篩選馴化過程中應及時選擇細胞狀態好的細胞進行凍存保種。
    2.2 培養基的個性化定制
    大規模培養技術中,維持高密度甚至無血清生長,細胞培養基的營養含量對細胞增殖和維持至關重要,不同細胞需要提高目標生物制品的穩定性、表達量均需要個性化培養基的支持,個性化培養基在國外生物制品生產已被普遍采用。
    2.3 懸浮培養
    懸浮培養過程是生產工藝的開發和過程的優化。
    2.3.1 細胞懸浮培養方式
    懸浮培養 優點 缺點
     
    懸浮培養
    直接增殖 自由生長 環境均一 取樣簡單 操作簡單 放大方便 污染率低 成本低 大部分細胞不能懸浮培養,需要大量工作去做改造馴化
    微載體培養 環境均一 取樣簡單 可以直接觀察細胞狀態 消化放大困難 操作復雜 成本高
    固定床培養 剪切力小 紙片載量大 消化放大困難 操作復雜 不可以直接觀察
    2.3.2 生物反應器培養工藝選擇
    培養方式 優點 缺點
    批次培養 能直接反映細胞在反應器中的生長、代謝變化,操作簡單 代謝產物多,抑制細胞生長,細胞密度低
    流加培養 操作簡單、產率高、容易放大、應用廣泛 需要流加設計
     
    灌流培養
     
    培養體積小,回收體積大,產品在罐內停留時間短,可及時回收低溫保存利于產品活性 操作繁雜、培養基利用率低、過濾器容易堵塞
     
    2.3.3生物反應器培養過程參數選擇
    選擇合適的工藝后,過程控制成為關鍵。為了保持最優環境中培養細胞,需要利用在線監控功能控制各種運行參數。
    動物細胞對溫度敏感,需要采用合適的加熱或冷卻方式控制培養溫度在35-37℃,避免細胞受到損傷。
    動物細胞適宜的PH生長范圍一般在6.8-7.3之間,低于6.8或高于7.3都可能對細胞生長產生不利影響。
    溶氧控制同樣重要,其范圍通常為20-60%的空氣飽和度,應該注意通氣量,避免氣泡的破裂對細胞造成損傷,同時通氣量會影響PH值,需要綜合考慮。
    培養過程中還要注意滲透壓,大多數動物細胞適宜的滲透壓范圍是280-320mosm/kg H2O左右,加堿控制PH值時要注意監測。
    此外,還要進行流加方式、灌流速率及代謝產物的控制等,在整個工藝優化過程中,各個參數不是單一運行,且相互影響,需要進行全面控制。




    2.4 生物反應器選擇
    我們應該根據細胞生產方式不同選擇合適的生物反應器,并配備特定的攪拌槳葉。另外,反應器規模能否放大是選擇反應器的一個重要前提,放大主要通過增大體積或者增加數量。增大體積可以節約配套和人員成本,增加數量雖然操作靈活但成本高。選擇反應器需要考慮滿足生產工藝和產能,另外,接口的標準化、配件供應速度、售后服務質量都是選型需要考慮的,以免造成生產延誤。
     
    3 生物反應器產業化前景
    應該認識到,快速實現生物反應器大規模培養在生物制藥中只是搭建一個升級的工藝平臺,而不是最終目的,行業和企業發展的真正動力是新藥、新工藝及配套技術創新。例如,無血清技術開發,利用合適的培養基和細胞構建馴化實現貼壁細胞的懸浮培養,新宿主細胞表達品種開發,利用基因工程技術開發新抗體品種,以及生物制品相關關鍵技術和產品的國產化。
     
    生物反應器懸浮培養在生物制藥行業生產中的升級換代是未來幾年行業重點,這個過程應重視成熟技術、成功率,以減少和避免時間、資金、人力等資源的浪費,減少機會成本,搶占市場先機。生物反應器懸浮培養的升級將導致行業整合與重組,生物制藥將出現明顯的集約化趨勢,有實力的企業將不斷以創新藥、新技術新工藝研發為基礎和核心競爭力,同時借助資金實力整合制造和營銷體系,成為行業龍頭。

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