病毒系統(tǒng)，如野生型病毒、病毒載體和病毒樣顆粒，是現(xiàn)代生物技術(shù)和醫(yī)學(xué)的重要組成部分。盡管它們很重要，但由于多種原因，病毒系統(tǒng)的商業(yè)規(guī)模生產(chǎn)仍然非常低效。計(jì)算機(jī)策略是改進(jìn)工藝開(kāi)發(fā)、工藝優(yōu)化和控制的有前途的途徑，但需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)學(xué)描述。本文回顧了在細(xì)胞和生物反應(yīng)器尺度上生產(chǎn)病毒顆粒的機(jī)械建模策略。在許多情況下，來(lái)自流行病學(xué)和野生型病毒感染動(dòng)力學(xué)等相鄰領(lǐng)域的技術(shù)和模型可以進(jìn)行調(diào)整，以構(gòu)建合適的過(guò)程模型。然后可以將這些過(guò)程模型用于各種目的，例如新工藝操作策略和/或高級(jí)過(guò)程控制的計(jì)算機(jī)（在硅）測(cè)試。
簡(jiǎn)介
野生型病毒、病毒載體（例如腺相關(guān)病毒 [AAV] 和逆轉(zhuǎn)錄病毒以及病毒樣顆粒 (VLP) 等病毒系統(tǒng)已成為現(xiàn)代生物技術(shù)和醫(yī)學(xué)的重要組成部分。這些系統(tǒng)用于生產(chǎn)疫苗（例如，滅活或減毒全病毒疫苗、病毒載體疫苗和基于 VLP 的疫苗）、疫苗佐劑和抗病毒療法、基因療法、重組蛋白生產(chǎn)和藥物遞送。
許多此類(lèi)生物治療藥物的成功開(kāi)發(fā)和商業(yè)化需要這些病毒系統(tǒng)的大規(guī)模和高產(chǎn)量生產(chǎn)。擴(kuò)大和優(yōu)化病毒系統(tǒng)生產(chǎn)工藝是目前活躍的研究領(lǐng)域。有些挑戰(zhàn)適用于大多數(shù)病毒系統(tǒng)，例如下游分離和純化效率低下，而其它挑戰(zhàn)則是特定于系統(tǒng)的，例如重組 AAV (rAAV) 生產(chǎn)的低產(chǎn)量是由于所需遺傳物質(zhì)填充衣殼的效率低下造成的。這些挑戰(zhàn)激發(fā)了整個(gè)生產(chǎn)和開(kāi)發(fā)流程的廣泛研究活動(dòng)，例如，設(shè)計(jì)和優(yōu)化細(xì)胞系、設(shè)計(jì)病毒系統(tǒng)本身以促進(jìn)生產(chǎn)、生物反應(yīng)器工藝開(kāi)發(fā)和強(qiáng)化，以及提高下游分離工藝的性能。
在病毒系統(tǒng)生產(chǎn)的相關(guān)文獻(xiàn)中，一個(gè)相對(duì)“新生”的發(fā)展是數(shù)學(xué)建模方法的發(fā)展和應(yīng)用，以理解細(xì)胞和反應(yīng)器尺度上的生產(chǎn)過(guò)程。建模策略在生物技術(shù)中的使用已經(jīng)很成熟，并且對(duì)該領(lǐng)域的發(fā)展貢獻(xiàn)巨大。將建模納入工藝研究和開(kāi)發(fā)工作流程可以帶來(lái)多種好處，例如提供對(duì)系統(tǒng)中存在的動(dòng)力學(xué)和多變量相互作用的更深入的過(guò)程洞察力，從而能夠部署先進(jìn)的過(guò)程控制和監(jiān)控策略，增強(qiáng)工藝優(yōu)化方法，并指導(dǎo)和加速新型生產(chǎn)策略的發(fā)展。
幸運(yùn)的是，病毒系統(tǒng)生產(chǎn)工藝模型的開(kāi)發(fā)得到了野生型病毒感染、流行病學(xué)和化學(xué)/生化反應(yīng)器工程等相鄰領(lǐng)域現(xiàn)有文獻(xiàn)的極大幫助。在細(xì)胞尺度上，對(duì)病毒生命周期和感染動(dòng)力學(xué)的詳細(xì)研究為繪制細(xì)胞內(nèi)過(guò)程步驟提供了基礎(chǔ)，并可作為初始動(dòng)力學(xué)“估計(jì)器”。在反應(yīng)器尺度上，病毒和細(xì)胞之間的相互作用可以是“粗糙”的，并且可以通過(guò)類(lèi)似于用于研究個(gè)體或群體規(guī)模感染的隔室建模框架的功能形式來(lái)近似地模擬。這些個(gè)體尺度模型和群體尺度模型是了解疾病進(jìn)展和特定干預(yù)措施（如抗病毒療法或疫苗接種計(jì)劃）的影響的常用工具。結(jié)合細(xì)胞和反應(yīng)器尺度建模的多尺度方法也常用于類(lèi)似應(yīng)用的文獻(xiàn)中。
本綜述旨在鞏固有關(guān)上游病毒系統(tǒng)生產(chǎn)動(dòng)力學(xué)建模的現(xiàn)有文獻(xiàn)，并概述構(gòu)建新模型的穩(wěn)健方法。通過(guò)在細(xì)胞和反應(yīng)器尺度上分解所需的模型成分和過(guò)程，我們展示了如何使用上述各個(gè)領(lǐng)域的信息和策略來(lái)制定模型。
細(xì)胞尺度模型
模型成分
病毒工藝的細(xì)胞尺度模型描述了在單個(gè)細(xì)胞內(nèi)繪制病毒生產(chǎn)過(guò)程的步驟。具體步驟各不相同，但大體上包括細(xì)胞內(nèi)發(fā)生的攝取、拆解、運(yùn)輸、復(fù)制、轉(zhuǎn)錄、翻譯、出芽和釋放過(guò)程。圖 1 概述了通常包含在病毒系統(tǒng)的細(xì)胞尺度反應(yīng)-傳輸模型中的步驟。
圖1. 重組病毒系統(tǒng)的細(xì)胞尺度模型中包含的典型步驟。通過(guò) (a) 質(zhì)粒轉(zhuǎn)染和 (b) 重組病毒感染將基因瞬時(shí)遞送至宿主細(xì)胞。首先，遞送基因的質(zhì)?；虿《颈患?xì)胞吸收（攝?。?，在那里它們逃離內(nèi)體囊泡（拆解），遷移到細(xì)胞核并復(fù)制。(c) 通過(guò)穩(wěn)定細(xì)胞系生產(chǎn)病毒載體，作為瞬時(shí)基因遞送的替代方法，用于描述病毒基因的轉(zhuǎn)錄、病毒蛋白的翻譯、重組病毒系統(tǒng)的組裝及其從細(xì)胞中的釋放. (a) 和 (b) 中所示的瞬時(shí)系統(tǒng)也可以包含這些步驟。
在建立細(xì)胞尺度模型時(shí)，模型步驟的描述大致取決于四個(gè)特征：
1.病毒類(lèi)型：野生型病毒、病毒載體或 VLP 的類(lèi)型。
2.細(xì)胞類(lèi)型：用于產(chǎn)生病毒的細(xì)胞類(lèi)型，例如 HEK293 等哺乳動(dòng)物細(xì)胞或 Sf9 等昆蟲(chóng)細(xì)胞。細(xì)胞類(lèi)型也會(huì)影響模型中使用的動(dòng)力學(xué)參數(shù)值。
3.基因表達(dá)方法：表達(dá)目的基因的方法，例如瞬時(shí)轉(zhuǎn)染、穩(wěn)定表達(dá)或野生型感染。
4.數(shù)據(jù)可用性：模型的效用取決于可用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的類(lèi)型和質(zhì)量。
與試圖了解野生型病毒感染的時(shí)間和動(dòng)態(tài)的野生型感染模型不同，重組模型描述了用于療法或?qū)嶒?yàn)用途的病毒載體或 VLP 的細(xì)胞生產(chǎn)。盡管重組病毒系統(tǒng)建模是一個(gè)相對(duì)不太成熟的發(fā)展領(lǐng)域，但已經(jīng)為病毒載體、用于疫苗的減毒病毒和VLP建立了模型。圖 2 顯示了來(lái)自示例細(xì)胞尺度重組模型的預(yù)測(cè)。這項(xiàng)描述瞬時(shí)轉(zhuǎn)染 rAAV 系統(tǒng)的工作展示了細(xì)胞尺度建模工作流程：在確定反應(yīng)-傳輸網(wǎng)絡(luò)并進(jìn)行數(shù)學(xué)公式化后，該模型適合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、驗(yàn)證并用于進(jìn)行預(yù)測(cè)。在這種情況下，該模型用于提出操作建議，以增加正確包裝的 rAAV 衣殼的比例。
圖2. 重組腺相關(guān)病毒 (AAV) 生產(chǎn)工藝的動(dòng)態(tài)細(xì)胞尺度模型輸出。在這項(xiàng)研究中，Nguyen 等人創(chuàng)建了一個(gè)描述通過(guò)瞬時(shí)轉(zhuǎn)染生產(chǎn)重組 AAV (rAAV) 的機(jī)械模型。該模型與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合，并用于闡明導(dǎo)致系統(tǒng)產(chǎn)生的完整衣殼比例較低的機(jī)制。（b）然后使用這些模型預(yù)測(cè)來(lái)生成關(guān)于提高完整衣殼比例的方法的假設(shè)，例如在不同時(shí)間點(diǎn)添加質(zhì)粒。
本篇綜述的重點(diǎn)是支持細(xì)胞尺度病毒建模的數(shù)學(xué)方法。這些數(shù)學(xué)策略通常與應(yīng)用無(wú)關(guān)，并且可以很容易地應(yīng)用于野生型或重組系統(tǒng)。
數(shù)學(xué)方法
細(xì)胞尺度模型可以大致分為確定性模型或隨機(jī)模型。確定性模型忽略了生物系統(tǒng)固有的隨機(jī)性和“噪聲”，并提供精確的預(yù)測(cè)。雖然從確定性模型中收集到的見(jiàn)解通常很有用，但生物系統(tǒng)本質(zhì)上是隨機(jī)的，可以包含隨機(jī)元素來(lái)描述實(shí)驗(yàn)中觀察到的變化，并更全面地了解系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)。Srivastava (2002) 撰寫(xiě)過(guò)一本有用的入門(mén)書(shū)，介紹了將確定性和隨機(jī)建模方法應(yīng)用于病毒系統(tǒng)的差異。
確定性建模
病毒系統(tǒng)的確定性模型通常采用常微分方程 (ODE) 或微分代數(shù)方程 (DAE) 系統(tǒng)來(lái)描述細(xì)胞尺度的質(zhì)量作用動(dòng)力學(xué)。這種方法假設(shè)細(xì)胞內(nèi)的物種同質(zhì)性。圖 1 中概述的步驟描述了重組病毒系統(tǒng)基于 ODE 或 DAE 的反應(yīng)傳輸模型中通常包含的步驟。重點(diǎn)介紹了三種基因遞送和生產(chǎn)方法：(a) 通過(guò)質(zhì)粒轉(zhuǎn)染進(jìn)行基因遞送，(b) 通過(guò)重組病毒感染和受體介導(dǎo)的內(nèi)吞作用進(jìn)行基因遞送，以及 (c) 穩(wěn)定生產(chǎn)細(xì)胞系。請(qǐng)注意，并非所有步驟都與所有病毒系統(tǒng)相關(guān)。
對(duì)于用于描述圖 1 中概述的許多細(xì)胞尺度步驟的數(shù)學(xué)方法沒(méi)有達(dá)成共識(shí)。一些數(shù)學(xué)方法總結(jié)在表 1 和表 2 中。方法中的許多差異是由病毒或應(yīng)用的差異驅(qū)動(dòng)的，但是差異也是由于缺乏對(duì)工藝步驟中發(fā)生的精確機(jī)制的理解造成的，這通常源于實(shí)驗(yàn)限制，使得難以提取每個(gè)步驟中發(fā)生的復(fù)雜生物相互作用的顆粒動(dòng)力學(xué)細(xì)節(jié)。因此，細(xì)胞尺度模型中包含的步驟通常描述集中現(xiàn)象。
表 1. 細(xì)胞尺度病毒模型中使用的數(shù)學(xué)方法
表 2. 表 1 中用于描述細(xì)胞尺度建模數(shù)學(xué)方法的變量
例如，考慮組裝步驟。病毒組裝是一個(gè)包含許多子步驟的復(fù)雜過(guò)程：衣殼蛋白組裝，核酸被封裝在衣殼內(nèi)，以及，在某些情況下，病毒獲得一層膜外殼。對(duì)這些相互作用進(jìn)行建模是一個(gè)活躍的研究領(lǐng)域，并且存在詳細(xì)的機(jī)械和物理模型，可以針對(duì)許多病毒和 VLP 系統(tǒng)提供全面的描述。然而，如表1所示，病毒顆粒和VLP的組裝率通常在細(xì)胞尺度動(dòng)力學(xué)模型中使用Michaelis-Menten動(dòng)力學(xué)、限制底物動(dòng)力學(xué)或熱力學(xué)方法進(jìn)行近似模擬。在構(gòu)建集成的細(xì)胞尺度模型時(shí)，需要在細(xì)節(jié)和可計(jì)算性之間取得平衡。如果近似準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)了步驟的速率和化學(xué)計(jì)量，則模型結(jié)論應(yīng)該足以進(jìn)行群體規(guī)模的生產(chǎn)力和產(chǎn)品質(zhì)量評(píng)估。
即使步驟的高級(jí)數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)相同，方程的細(xì)節(jié)也可能不同。例如，多個(gè)小組通過(guò)跟蹤可用于將 mRNA 翻譯成蛋白質(zhì)的核糖體數(shù)量來(lái)模擬基因表達(dá)的轉(zhuǎn)錄調(diào)控。Binder等人和 Zitzmann 等人的模型包括當(dāng) mRNA 與核糖體結(jié)合時(shí)形成的翻譯復(fù)合物的 ODE。每個(gè)翻譯復(fù)合物代表一個(gè)多聚核糖體，并且在細(xì)胞內(nèi)可用的核糖體數(shù)量上設(shè)置了一個(gè)上限。Aunins等人也使用 ODE 來(lái)描述翻譯復(fù)合物的形成，但包括一個(gè)額外的 ODE 來(lái)跟蹤可用核糖體的數(shù)量。Lim等改為使用代數(shù)方法，其中根據(jù)核糖體的長(zhǎng)度將核糖體分配給各種 mRNA。
隨機(jī)建模
隨機(jī)效應(yīng)的傳播通常會(huì)導(dǎo)致病毒系統(tǒng)中細(xì)胞間的異質(zhì)性。在細(xì)胞尺度模型中包含隨機(jī)元素可以捕獲這種異質(zhì)性，從而對(duì)可能的結(jié)果范圍提供更可靠的評(píng)估。對(duì)于病毒系統(tǒng)，這些隨機(jī)效應(yīng)在低感染復(fù)數(shù) (MOI) 時(shí)變得更加重要。然而，即使在高 MOI 下，也經(jīng)常觀察到跨越多個(gè)數(shù)量級(jí)的細(xì)胞間生產(chǎn)力差異。野生型病毒隨機(jī)建模是一個(gè)活躍的發(fā)展領(lǐng)域，已經(jīng)針對(duì)人類(lèi)免疫缺陷病毒、流感、水皰性口炎病毒 (VSV) 、脊髓灰質(zhì)炎病毒等建立了模型。
也就是說(shuō)，這些隨機(jī)方法尚未廣泛應(yīng)用于重組系統(tǒng)。對(duì)于線性系統(tǒng)和在更多底物數(shù)量下接近熱力學(xué)極限運(yùn)行的系統(tǒng)，確定性和隨機(jī)方法應(yīng)該會(huì)給出類(lèi)似的結(jié)果。對(duì)于某些重組系統(tǒng)，例如具有多個(gè)基因組拷貝的單克隆穩(wěn)定細(xì)胞系，這些假設(shè)可能成立，并且確定性方法就足夠了。然而，對(duì)于反應(yīng)物數(shù)量較少或可變的重組系統(tǒng)，例如減毒病毒生產(chǎn)過(guò)程，這些假設(shè)可能無(wú)效，可以考慮隨機(jī)因素。
原文：C. T. Canova, P. K. Inguva, R. D. Braatz, Mechanistic modeling of viral particle production. Biotechnology and Bioengineering, 2022.
