本文節(jié)選自來自AGC Inc., 的研究人員發(fā)表的文章“CDMOs Play a Critical Role in the Biopharmaceutical Ecosystem”，由于水平有限，詳細內(nèi)容，請參考原文。
千禧年后，生物制藥行業(yè)取得了顯著進步。新型生物藥相繼研發(fā)，重磅藥物相繼問世。伴隨著生物制藥需求的增加，出現(xiàn)了一種稱為“合同開發(fā)和制造組織（CDMO）”的商業(yè)模式。 CDMO 受托開發(fā)和生產(chǎn)制藥公司的生產(chǎn)工藝。在這篇綜述中，我們通過分析半導體行業(yè)的代工業(yè)務(wù)，確定生物制藥 CDMO 的成功因素。此外，我們還將回顧單克隆抗體生產(chǎn)平臺和新技術(shù)，它們是生物制藥 CDMO 差異化戰(zhàn)略的關(guān)鍵方面。
簡介
生物制藥藥物或生物制品是使用生物技術(shù)生產(chǎn)的藥物的總稱。與化學生產(chǎn)的小分子藥物不同，生物制品是復雜的分子，例如用作藥物成分的蛋白質(zhì)或細胞。蛋白質(zhì)療法在 20 世紀是一個小眾市場，但隨著 21 世紀抗體藥物的出現(xiàn)，它發(fā)生了翻天覆地的變化。最終，蛋白質(zhì)療法主導了制藥行業(yè)新藥的銷售，導致范式轉(zhuǎn)變。 2012 年生物制品在前 100 名藥品總銷售額中的份額超過 16%，預計到 2026 年將達到 55%。全球處方藥中生物制品的銷售額繼續(xù)快速增長，2019 年至 2026 年的年均增長率為 9.6%。此外，已經(jīng)開發(fā)出新的方式，例如基因治療藥物，來治療未滿足的醫(yī)療需求。
在生物制藥行業(yè)取得顯著進步的同時，與生物制藥公司簽訂合同進行原料藥開發(fā)和生產(chǎn)的合同開發(fā)和制造組織 (CDMO) 也在同步發(fā)展。圖 1 顯示了制藥行業(yè)的生態(tài)系統(tǒng)，它是生物技術(shù)和制藥公司的藥物發(fā)現(xiàn)以及 CDMO 的藥物生產(chǎn)的橫向劃分模型。 2018年生物醫(yī)藥CDMO產(chǎn)業(yè)市場規(guī)模突破100億美元，加上抗體藥物的不斷發(fā)展，各種新型生物藥不斷涌現(xiàn)，擴大了生物醫(yī)藥CDMO市場。預計 2020 年至 2025 年年均增長率為 10.2%，高于小分子藥物市場（8.0%）。
圖 1. 制藥行業(yè)的橫向角色劃分。
在生物制藥行業(yè)之前，半導體行業(yè)在80年代就建立了橫向分工模式。半導體生態(tài)系統(tǒng)分為以下三個部分：無晶圓廠、為其他公司生產(chǎn)微芯片的代工廠和集成設(shè)備生產(chǎn)商 (IDM)。圖2是醫(yī)藥行業(yè)和半導體行業(yè)的橫向商業(yè)模式對比。在這個模型中，半導體公司和無晶圓廠公司的設(shè)計部門的職位分別對應(yīng)于制藥公司和藥物發(fā)現(xiàn)初創(chuàng)公司的藥物發(fā)現(xiàn)部門。盡管每個行業(yè)的產(chǎn)品各不相同，但兩個行業(yè)都承受著新產(chǎn)品和生產(chǎn)技術(shù)研發(fā)成本增加的負擔。半導體行業(yè)的發(fā)展和技術(shù)平臺的歷史為生物制藥 CDMO 行業(yè)的關(guān)鍵成功因素提供了見解。
圖 2. 半導體和制藥行業(yè)的比較。
半導體代工成長背景
半導體行業(yè)的歷史背景對晶圓代工廠的成長有著重大影響。在晶圓代工興起之前，無晶圓廠公司將生產(chǎn)外包給 IDM。然而，無晶圓廠的發(fā)展受制于生產(chǎn)能力和IDM缺乏必要的生產(chǎn)技術(shù)。 20世紀80年代，許多無晶圓廠公司隨著晶圓代工公司的成立，開始進軍半導體業(yè)務(wù)。這些無晶圓廠公司為半導體芯片的創(chuàng)新做出了重大貢獻。在 2000 年代，無晶圓廠公司和其他公司，如谷歌和亞馬遜，開始設(shè)計專用芯片，并將芯片生產(chǎn)外包給代工廠。由于對半導體生產(chǎn)的需求不斷增加，晶圓代工市場在 2018 年達到 736 億美元，到 2022 年將達到 1512 億美元。預計到 2025 年復合年增長率將達到 11.6%。
半導體代工廠的成功因素
代工廠的關(guān)鍵成功因素之一是及時確保高質(zhì)量和高性能半導體產(chǎn)品的供應(yīng)。隨著半導體市場的增長，代工廠需要大量投資，以確保其產(chǎn)能。盡管如此，IDM在生產(chǎn)設(shè)備方面也需要大量資金投入，但設(shè)備的開工率取決于其新產(chǎn)品的銷售情況。因此，運營比率的下降可能是一種管理風險。相比之下，由于晶圓代工廠可以同時接到IDM和無晶圓廠公司的代工訂單，因此可以保持生產(chǎn)設(shè)備的高運轉(zhuǎn)率。因此，無晶圓廠公司可以專注于設(shè)計，代工廠可以專注于確保生產(chǎn)工藝能力。目前，幾家實力雄厚的晶圓代工廠在半導體行業(yè)處于領(lǐng)先地位。然而，IDM、無晶圓廠和代工廠的共存對于半導體行業(yè)的發(fā)展將是必要的。
獲得新技術(shù)是另一個成功因素。微細加工是半導體生產(chǎn)過程中最關(guān)鍵的技術(shù)之一。在半導體行業(yè)，器件的小型化按照摩爾定律進行（半導體集成率在 18-24 個月內(nèi)翻一番）。這種微細加工的發(fā)展使得增加每單位面積的晶體管數(shù)量成為可能，顯著有助于提高運行速度和降低功耗。已經(jīng)發(fā)明了先進的工藝技術(shù)，例如極紫外 (EUV) 光，以克服使用紫外光的傳統(tǒng)曝光設(shè)備的微加工限制。近年來，一流的晶圓代工廠迅速引入這些微細加工技術(shù)，并發(fā)展出基于最新設(shè)計規(guī)則的芯片生產(chǎn)能力。因此，對具有高生產(chǎn)技術(shù)的代工廠的依賴正在增加。
生物制藥合同開發(fā)和制造組織（CDMO）的成長背景
制藥公司還需要將其投資和資源集中用于新藥發(fā)現(xiàn)。大型制藥公司的總研發(fā)成本（2006-2014 年）在 10-900 億美元之間，新藥上市數(shù)量往往與研發(fā)成本成正比。因此，制藥公司（相當于半導體行業(yè)的 IDM）越來越難以投資于工藝開發(fā)和生產(chǎn)，并開始依賴 CDMO（相當于半導體行業(yè)的代工廠）。此外，由于生物技術(shù)的發(fā)展，藥物發(fā)現(xiàn)生物技術(shù)（相當于半導體行業(yè)的無晶圓廠）開發(fā)了許多針對各種罕見疾病的創(chuàng)新模式。生物技術(shù)公司和中小型制藥公司越來越多地將生產(chǎn)外包，以避免投資生產(chǎn)設(shè)施的風險。
生物制品合同開發(fā)和制造組織的成功因素
通過比較半導體代工廠和生物制品合同業(yè)務(wù)，我們發(fā)現(xiàn)他們成功的幾個重要共同因素如下：
1）采用先進技術(shù)保障生產(chǎn)技術(shù)。
2) 確保及時的設(shè)備能力。
3) 根據(jù)客戶要求提供適當?shù)姆?wù)。
在半導體行業(yè)，隨著生產(chǎn)設(shè)備的發(fā)展，生產(chǎn)技術(shù)已經(jīng)標準化，使得半導體生產(chǎn)外包成為可能。因此，無晶圓廠公司與代工廠合作發(fā)展壯大。此外，隨著微細加工技術(shù)的發(fā)展，半導體生產(chǎn)技術(shù)取得了顯著進步，僅通過購買設(shè)備很難創(chuàng)造出產(chǎn)品。代工廠擁有先進的生產(chǎn)技術(shù)，結(jié)合了復雜的工藝和操作訣竅。在生物制藥行業(yè)，生物制品，特別是抗體藥物，的生產(chǎn)已經(jīng)標準化。這種標準化使得將生物制藥藥物的生產(chǎn)外包給 CDMO 變得更加容易。在此背景下，生物制藥CDMO的進一步發(fā)展將取決于其生產(chǎn)技術(shù)的進步。在下一節(jié)中，我們將回顧作為主流生物制品的抗體藥物的生產(chǎn)技術(shù)趨勢。我們還將討論下一代生物制品生產(chǎn)系統(tǒng)的潛力。
抗體藥物生產(chǎn)標準化技術(shù)助推生物制藥合同開發(fā)和制造組織業(yè)務(wù)
抗體是免疫系統(tǒng)用來識別和中和稱為抗原的異物的蛋白質(zhì)。利用結(jié)合各種靶分子的能力，許多抗體藥物已被開發(fā)并投放市場。抗體由兩條多肽鏈組成，一條重鏈（H）和一條輕鏈（L），每條多肽鏈又由兩個區(qū)域組成，一個恒定區(qū)（C）和一個可變區(qū)（V）?？勺儏^(qū)的互補決定區(qū) (CDR) 對于抗體與其預期靶標結(jié)合的能力至關(guān)重要。大多數(shù)抗體藥物是將小鼠單克隆抗體的CDR移植到人源抗體中構(gòu)建的人源化抗體，表明抗體藥物具有幾乎相同的理化性質(zhì)。因此，可以使抗體藥物的生產(chǎn)過程標準化?？贵w藥物生產(chǎn)平臺的一般流程由上游和下游工藝組成。上游工藝包括生產(chǎn)細胞系和在生物反應(yīng)器中培養(yǎng)細胞系的過程，下游工藝包括從培養(yǎng)基中純化產(chǎn)生的抗體成分、滅活病毒并將其作為藥物物質(zhì)灌裝的過程。大多數(shù)工藝是批次式的，并由制藥廠的良好生產(chǎn)規(guī)范 (GMP) 生產(chǎn)過程控制。由于抗體生產(chǎn)過程的標準化，導致生產(chǎn)設(shè)備、周邊輔助材料、原料系統(tǒng)的標準化。抗體生產(chǎn)的標準化使生物制藥公司更容易將其生產(chǎn)外包給生物制藥 CDMO。
如上一章所述，半導體行業(yè)的晶圓廠通過獲取新技術(shù)和積累半導體器件生產(chǎn)的可靠記錄，確立了半導體生產(chǎn)技術(shù)等于或優(yōu)于 IDM 的地位。我們相信生物制藥CDMO可以提供與制藥公司同等質(zhì)量的生產(chǎn)技術(shù)。為了在半導體行業(yè)建立與晶圓代工類似的地位，生物制藥 CDMO 獲取和開發(fā)獨特的生產(chǎn)技術(shù)將非常重要。在接下來的章節(jié)中，我們將回顧抗體藥物生產(chǎn)技術(shù)的最新趨勢，同時展示生物制藥 CDMO 先進技術(shù)發(fā)展的例子。
細胞系開發(fā)過程
各種細胞系已被用于生產(chǎn)抗體藥物，但當今最常用的細胞系是中國倉鼠卵巢 (CHO) 細胞。盡管 CHO 細胞除抗體藥物外還被用于生產(chǎn)各種蛋白質(zhì)治療藥物，但就高生產(chǎn)率、糖基化質(zhì)量和安全性而言，它們是抗體藥物最相容的生產(chǎn)細胞。下文描述了 CDMO 對 CHO 細胞進行研究和開發(fā)的示例。
為了大規(guī)模生產(chǎn)治療性蛋白質(zhì)，包括單克隆抗體 (mAb)，使用基于二氫葉酸還原酶 (DHFR) 的甲氨蝶呤 (MTX) 選擇建立重組中國倉鼠卵巢 (rCHO) 細胞。然而，它需要多輪 MTX 選擇，以進行逐步基因擴增，從而導致細胞系生成的時間線更長。 LONZA（瑞士）開發(fā)了CHO-GS（谷胱甘肽合成酶）系統(tǒng)來解決這個問題。在 CHO-GS 系統(tǒng)中，高產(chǎn)細胞系的選擇基于控制 GS 表達水平與其特異性抑制劑 l-甲硫氨酸亞砜亞胺 (MSX) 濃度之間的平衡。 CHO-GS 系統(tǒng)吸引了從風險投資公司到大型制藥公司的廣泛客戶，因為它只需要一輪 MSX 選擇。最近，LONZA 與輝瑞合作開發(fā)了一種通過同源重組位點特異性引入抗體基因的方法。與抗體基因隨機插入基因組的傳統(tǒng)方法相比，該方法制備的細胞可提供穩(wěn)定的抗體表達水平。 AGC Biologics（美國）還開發(fā)了一種 CHEF1 系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用 EF-1 α 啟動子顯著提高了重組蛋白的生產(chǎn)率。 AGC Biologics 進一步開發(fā)了一種具有更高抗體生產(chǎn)率的系統(tǒng)，其中選擇標記（二氫葉酸還原酶）基因的 DNA 密碼子被修飾，以抑制表達，以擴增細胞中引入的質(zhì)?；?。
作為最近的趨勢，值得注意的是，通過組學分析對代謝途徑進行綜合分析對于細胞系開發(fā)至關(guān)重要。例如，對典型CHO細胞親本株（CHO-K1、CHO-DXB11和CHO-DG44）的系統(tǒng)分析表明，抗體的糖鏈結(jié)構(gòu)差異是由于所涉及的各種基因表達水平的差異。組學分析也是優(yōu)化培養(yǎng)基成分的強大工具。Ali等人闡明了培養(yǎng)基中缺乏半胱氨酸是如何降低抗體生產(chǎn)率的。轉(zhuǎn)錄組和蛋白質(zhì)組的分析導致闡明了各種因素（例如內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激）影響抗體產(chǎn)生的機制。組學分析方法是提高生產(chǎn)的有效方法。此外，通過基因組編輯技術(shù)（例如 CRISPR/Cas9）提高 CHO 細胞抗體生產(chǎn)力的試驗正在增加。
培養(yǎng)和純化工藝
2000 年代初期，大規(guī)模生產(chǎn)暢銷藥物是生物制藥 CDMO 行業(yè)的主流。然而，近年來，罕見病等生物制品的管線增加，這有利于品種更廣、數(shù)量更少的生產(chǎn)方案。因此，對高度靈活的一次性反應(yīng)器的需求增加了。一次性系統(tǒng)是由塑料制成的可拋棄型設(shè)備，主要用于生物生產(chǎn)的上游工藝。因為每批生產(chǎn)都是用新的一次性設(shè)備準備的，所以不需要清潔和伴隨的驗證工作。因此，可以比不銹鋼生物反應(yīng)器更快地開始生產(chǎn)。事實證明，一次性反應(yīng)器和不銹鋼反應(yīng)器之間的產(chǎn)品質(zhì)量沒有差異。
高密度培養(yǎng)或連續(xù)培養(yǎng)方法作為上游工藝中降低資本成本和提高生產(chǎn)率的另一種技術(shù)引起了人們的關(guān)注。連續(xù)生產(chǎn)允許在小型設(shè)施中進行大量培養(yǎng)。此外，通過連續(xù)置換培養(yǎng)基，可以將乳酸或氨等代謝物的濃度保持在較低水平，從而延長細胞的壽命。連續(xù)培養(yǎng)可以提高產(chǎn)品質(zhì)量。與補料分批工藝相比，灌流工藝產(chǎn)生的雙特異性抗體聚體明顯減少。
通過細胞工程和培養(yǎng)工藝的優(yōu)化，抗體生產(chǎn)率已顯著提高至約 10 g/L 培養(yǎng)物。因此，下游工藝得到了優(yōu)化。抗體純化的第一步一般是使用Protein A 的親和層析，它與抗體的恒定區(qū)結(jié)合。該步驟需要大量昂貴的Protein A 填料，從而提高了生產(chǎn)成本。連續(xù)層析法因解決這一問題而受到關(guān)注。有研究開發(fā)了連續(xù)逆流切向?qū)游龇?(CCTC)，它可以用較少量的填料有效地純化抗體。在該方法中，Protein A填料循環(huán)流動，不斷吸附和解吸抗體；因此，所需的填料用量比批次法少約3倍，而CCTC法純化抗體的產(chǎn)品質(zhì)量（HCP、DNA、單分子量餾分）與批次法相當。盡管已經(jīng)報道了替代填料的開發(fā)，但它們是否可以在抗體藥物的生產(chǎn)中替代Protein A 填料仍不確定。
下一代生產(chǎn)工藝
端到端的連續(xù)生產(chǎn)工藝作為未來有利的生物制品生產(chǎn)系統(tǒng)而備受關(guān)注。圖 3 描述了使用 (I) 灌流生物反應(yīng)器、(II) 多柱層析捕獲、(III) 病毒滅活、(IV) 膜層析精純、(V) 濃縮和緩沖液置換以及（VI) 保存過程。連續(xù)工藝不需要為每個工藝步驟提取產(chǎn)品，這可以減少生產(chǎn)的總時間和操作員數(shù)量以及人為錯誤和污染的風險。此外，通過實時監(jiān)控質(zhì)量，可以實現(xiàn)高度可靠的質(zhì)量保證。一些成本模擬表明，抗體藥物的生產(chǎn)成本將通過持續(xù)生產(chǎn)而降低。雖然連續(xù)生產(chǎn)工藝生產(chǎn)各種小分子藥物，但生物制品的連續(xù)生產(chǎn)仍在開發(fā)中。已經(jīng)報道了實驗室規(guī)模的抗體藥物的完整連續(xù)生產(chǎn)工藝。使用該方法，成功連續(xù)培養(yǎng) 18 天，與批次法相比，產(chǎn)品質(zhì)量可以接受。
圖 3. 治療性單克隆抗體的端到端連續(xù)生產(chǎn)工藝過程示意圖。
盡管有上面討論的優(yōu)點，但迄今為止在實施連續(xù)生產(chǎn)方面的進展似乎比預期的要慢。這主要是因為連續(xù)工藝的開發(fā)和實施需要很長時間才能收回初始投資。Badman等人提出了一些有趣的想法，例如稅收和監(jiān)管激勵措施，以促進從批次工藝系統(tǒng)到連續(xù)系統(tǒng)的過渡。由于系統(tǒng)的高度復雜性，連續(xù)生產(chǎn)方法的使用也受到限制。盡管監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集 (SCADA) 等數(shù)字技術(shù)也得到了發(fā)展，但要在實際環(huán)境中實現(xiàn)生物制品的端到端連續(xù)生產(chǎn)，仍有改進的空間。過程分析技術(shù) (PAT) 已在批次或補料分批操作中得到發(fā)展。我們相信，PAT 與數(shù)字數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)相結(jié)合的進一步發(fā)展也將有助于向生物制藥行業(yè)的連續(xù)生產(chǎn)過渡。
結(jié)論
在生物制藥行業(yè)，在藥物發(fā)現(xiàn)和生產(chǎn)過程中都發(fā)生了許多技術(shù)創(chuàng)新。與此同時，醫(yī)藥行業(yè)的橫向分工模式也變得必不可少；生物制藥公司（和生物技術(shù)公司）更專注于藥物發(fā)現(xiàn)和開發(fā)，而 CDMO 更專注于工藝開發(fā)和生產(chǎn)。生物制藥 CDMO 可以向半導體行業(yè)學習，其中代工廠建立了類似于 IDM 的技術(shù)地位。 CDMO 加大技術(shù)開發(fā)投資和獲取新技術(shù)以保持競爭優(yōu)勢將更為關(guān)鍵。我們相信，通過持續(xù)支持生物制藥行業(yè)生產(chǎn)針對更多疾病的生物藥物，CDMO 將為健康生活做出重大貢獻。
原文：H.Kurata, T.Ishino, Y.Ohshima, et al., CDMOs Play a Critical Role in the Biopharmaceutical Ecosystem. Front. Bioeng. Biotechnol., 2022.
