端到端（從種子到單位劑量 - E-2-E）生產(chǎn)代表了大分子和小分子的下一代生物制藥生產(chǎn)工藝。它被監(jiān)管機(jī)構(gòu)認(rèn)可為一項(xiàng)關(guān)鍵的新興技術(shù)。FDA 已批準(zhǔn)了各種小分子產(chǎn)品，并最近發(fā)布了連續(xù)生產(chǎn)行業(yè)指南草案。國際協(xié)調(diào)委員會發(fā)布了 (ICH) Q13，該 Q13 已被歐洲藥品管理局 (EMA) 采用，以支持該技術(shù)并提供指導(dǎo)。公司可以增加靈活性并最大限度地發(fā)揮過程分析 ICH Q14 的價值，以增強(qiáng) E-2-E 生產(chǎn)。
值得注意的是，過程分析技術(shù) (PAT) 的監(jiān)管指南包括 ICH Q8(R2)、 ICH Q2(R2)、圖 1 以及 FDA 2004 起的“行業(yè)指南”。
FDA PAT 指南認(rèn)為過程分析技術(shù)是：
“一種通過及時測量（即在工藝過程中）原材料和中間材料以及工藝的關(guān)鍵質(zhì)量和性能屬性來設(shè)計(jì)、分析和控制生產(chǎn)的系統(tǒng)，其目標(biāo)是確保最終產(chǎn)品質(zhì)量。值得注意的是，過程分析技術(shù)中的分析一詞被廣泛視為包括以綜合方式進(jìn)行的化學(xué)、物理、微生物、數(shù)學(xué)和風(fēng)險分析。”
圖1. ICH指南鏈接概述：從規(guī)劃設(shè)計(jì)階段到商業(yè)生產(chǎn)的工藝線。
E-2-E 生產(chǎn)分析必須更加貼近工藝。因此，過程分析技術(shù)可以為 E-2-E 生產(chǎn)過程的設(shè)計(jì)、分析和控制增加顯著的價值。過程分析技術(shù)不涉及過程的合并或保留，可以在實(shí)時放行測試 (RTRT) 中做出決策。例如，在設(shè)計(jì)設(shè)備或建模單元操作時，過程分析技術(shù)測量用于確定停留時間分布 (RTD) ）是至關(guān)重要的。在工藝開發(fā)過程中，過程分析技術(shù)可用于確認(rèn)令人滿意的工藝操作、驗(yàn)證模型、通知廢物轉(zhuǎn)移 (DTW) 情況或執(zhí)行反饋/前饋控制。E-2-E 工藝的控制策略也可能受益于過程分析技術(shù)的使用。此外，過程分析技術(shù)可直接用于最終關(guān)鍵質(zhì)量屬性 (CQA) 確定，或作為包括關(guān)鍵工藝參數(shù) (CPP) 和關(guān)鍵材料屬性 (CMA) 的更復(fù)雜模型的輸入。
CQA = f[CPP1 +CPP2 +CPP3 +…, CMA1 +CMA2 +CMA3 +…]
在開發(fā)和實(shí)施商業(yè) E-2-E 生產(chǎn)線時，建議在所有三個階段（設(shè)計(jì)、分析和控制）使用過程分析技術(shù)，甚至比批次生產(chǎn)更強(qiáng)烈。過程分析技術(shù)的使用程度取決于公司和產(chǎn)品，反映了可感知的投資回報。
連續(xù)生產(chǎn)在工藝產(chǎn)量、工藝效率、設(shè)施利用率和工藝一致性方面比批次操作具有多個優(yōu)勢。這些優(yōu)勢為下一代生物生產(chǎn)設(shè)施的設(shè)計(jì)、建造和運(yùn)營提供了多種機(jī)會。
實(shí)施連續(xù)生物生產(chǎn)的潛在優(yōu)勢
更高的工藝產(chǎn)量
更高的工藝效率
靈活的設(shè)施 ? 穩(wěn)定的生產(chǎn)
提高產(chǎn)品質(zhì)量
工藝一致性
靈活響應(yīng)生產(chǎn)需求
減少對可比性的需求
減少生產(chǎn)占地
一次性技術(shù)
減少培養(yǎng)基體積
清潔更簡單
更好的產(chǎn)品理解
入線/在線監(jiān)測和控制 (RTRT)
設(shè)備可以承受長時間運(yùn)行
可適應(yīng) RTRT 的數(shù)字傳感器
經(jīng)驗(yàn)豐富的員工隊(duì)伍（可以管理 E-2-E 生產(chǎn)）
實(shí)施連續(xù)生物生產(chǎn)的挑戰(zhàn)
工藝復(fù)雜度
細(xì)胞截留
高細(xì)胞密度
混合
通氣
過程控制
更長的運(yùn)行時間
工藝可靠性和穩(wěn)定性
細(xì)胞系穩(wěn)定性
保持無菌
工藝可放大性（在連續(xù)灌流工藝中）
工藝放大
過程一致性和控制
工藝表征
規(guī)模縮小模型的復(fù)雜性（用于灌流工藝）
工藝優(yōu)化和表征（針對灌流工藝）
工藝驗(yàn)證
原材料特性和變異性
雜質(zhì)和去除（產(chǎn)品隨著時間的推移而降解）
病毒安全性和生物負(fù)荷
物料追溯
細(xì)胞系穩(wěn)定性和壽命
產(chǎn)品知識和結(jié)構(gòu)/功能關(guān)系
分析技術(shù)與控制策略
設(shè)計(jì)空間和步驟之間的潛在交互
評估生產(chǎn)變更及其對產(chǎn)品質(zhì)量的影響
生物生產(chǎn)是一個成熟的行業(yè)，生產(chǎn)有價值的藥物，用于治療危及生命的疾病，包括癌癥、自身免疫性疾病以及代謝和血液疾病。治療性蛋白質(zhì)，如干擾素、凝血因子、酶、疫苗和單克隆抗體 (mAb) ）由基因工程微生物、酵母和哺乳動物細(xì)胞生產(chǎn)，采用經(jīng)過驗(yàn)證的工藝，涉及多個單元操作，并采用經(jīng)過表征和優(yōu)化的工藝參數(shù)。
自生物生產(chǎn)工藝開發(fā)初期以來，人們對連續(xù)工藝產(chǎn)生了極大的興趣。帶有細(xì)胞截留和灌流的連續(xù)培養(yǎng)在 20 世紀(jì) 80 年代非常流行，因?yàn)樗梢赃_(dá)到高細(xì)胞密度，從而提高單位細(xì)胞培養(yǎng)基體積生產(chǎn)率，圖2；當(dāng)時使用的營養(yǎng)物質(zhì)不是很豐富，因此批次模式下可達(dá)到的細(xì)胞密度約為 1-2 x10^6 cells/mL。通過以每天 2-10 個生物反應(yīng)器體積的置換率灌流培養(yǎng)基，連續(xù)灌流操作允許生物反應(yīng)器中的細(xì)胞密度增加一個數(shù)量級。連續(xù)灌流還可以提高可用的不穩(wěn)定蛋白質(zhì)的質(zhì)量，例如酶和凝血因子。
圖2. 哺乳動物細(xì)胞培養(yǎng)培養(yǎng)基發(fā)展的演變。
更高的工藝產(chǎn)量
連續(xù)生物生產(chǎn)相對于批次生產(chǎn)的主要優(yōu)勢之一是實(shí)現(xiàn)更高的單位體積生產(chǎn)率。表 1 中列出了單克隆抗體生產(chǎn)的批次和連續(xù)式工藝的比較，圖 3。
更高的工藝效率
批次工藝的運(yùn)行時間很短，批次之間花費(fèi)大量時間用于終止、清潔、設(shè)備整修以及下一批工藝中間體的準(zhǔn)備和構(gòu)建（停機(jī)時間），這會影響循環(huán)時間和工廠利用效率。連續(xù)工藝可以長時間運(yùn)行，最大限度地減少停機(jī)對整體利用率的影響，圖 4 和圖 5。
提高產(chǎn)品質(zhì)量
連續(xù)工藝通過提高速度、減少和/或消除工藝過程中的停留時間或保留時間，為生物生產(chǎn)優(yōu)化提供了機(jī)會。減少細(xì)胞培養(yǎng)過程中的停留時間對于最大限度地減少不穩(wěn)定蛋白質(zhì)產(chǎn)品的降解非常有益。
靈活的設(shè)施
靈活設(shè)施是一種可以快速重新配置、以生產(chǎn)不同藥品的生產(chǎn)設(shè)施。靈活的工廠設(shè)施可以在相對較短的時間內(nèi)改變其生產(chǎn)的產(chǎn)品。因此，使用“靈活”一詞。靈活工廠的創(chuàng)建者經(jīng)過精心設(shè)計(jì)，使其能夠提供廣泛的操作和服務(wù)來生產(chǎn)原料藥和藥品。
圖3. 上游生產(chǎn)能力的快速發(fā)展和顯著的上升潛力。
使用旨在生產(chǎn)一系列藥品中的某些藥品的端到端設(shè)置。生產(chǎn)線將具有可重新配置的可互換設(shè)備/系統(tǒng)，圖 6。
表1. 單抗產(chǎn)品批次和連續(xù)(灌流)工藝的比較
圖4. 補(bǔ)料分批與連續(xù)生產(chǎn)工藝的比較。
圖5. 批次 (當(dāng)前工藝) vs. 連續(xù) (新平臺) 生產(chǎn)。
可放大的生產(chǎn)
E-2-E或連續(xù)生產(chǎn)是一種用于不間斷地生產(chǎn)、制備或工藝材料的流程生產(chǎn)方法。連續(xù)生產(chǎn)被稱為連續(xù)工藝或連續(xù)流工藝，因?yàn)檎谔幚淼牟牧希o論是干散裝還是流體）都在連續(xù)運(yùn)動。連續(xù)通常意味著每周 7 天、每天 24 小時運(yùn)行，很少進(jìn)行維護(hù)停機(jī)。
圖6. 集成式連續(xù)生物生產(chǎn)平臺(操作空間)。
放大這樣的工藝比放大批次工藝更復(fù)雜。通常，連續(xù)生產(chǎn)具有固定的設(shè)備和系統(tǒng)規(guī)模，并且在需要增加產(chǎn)量的情況下，可以規(guī)模擴(kuò)展（scale-out）。通過擴(kuò)展工藝，可以滿足對額外產(chǎn)品的需求，并簡化驗(yàn)證和批準(zhǔn)工藝。
風(fēng)險緩解和風(fēng)險管理
通過及時交付/放行和電子數(shù)據(jù)集成來緩解風(fēng)險和消除工藝瓶頸，對于實(shí)現(xiàn)連續(xù)生物生產(chǎn)至關(guān)重要。
更高滴度的單克隆抗體工藝以及更新的細(xì)胞和基因治療產(chǎn)品已將各種新技術(shù)引入生物制藥市場。雖然這些新技術(shù)推動了整個領(lǐng)域的發(fā)展，但從監(jiān)管、質(zhì)量和供應(yīng)鏈的角度來看，它們也給原材料管理帶來了一些新的挑戰(zhàn)。生產(chǎn)工藝創(chuàng)新可提高靈活性，同時降低藥品總體成本，有助于應(yīng)對一些市場挑戰(zhàn)。在改善上游到下游的單元運(yùn)營方面已經(jīng)取得了很大進(jìn)展。
圖7. 基于風(fēng)險的生產(chǎn)，以及ICH Q9如何與ICH Q8以及Q10協(xié)作。
表2. 經(jīng)批準(zhǔn)的、基于連續(xù)生物生產(chǎn)的生物藥品 (2012年年銷售總額達(dá)150億美元)。
然而，要實(shí)現(xiàn)功能良好的全集成連續(xù)生產(chǎn)，需要克服許多挑戰(zhàn)。典型的生物制藥生產(chǎn)會消耗數(shù)百種原材料，包括培養(yǎng)基、添加物、工藝化學(xué)品、過濾器、填料和賦形劑。在不增加庫存水平或不實(shí)施非傳統(tǒng)方法來接收放行的情況下，管理這些組件的流程并及時放行它們是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。使用這些材料，同時滿足所有質(zhì)量和法規(guī)要求并預(yù)測工藝變化是降低生產(chǎn)過程風(fēng)險的關(guān)鍵。一般來說，建議使用 ICH Q9、Q8 和 Q10 來消除和/或降低風(fēng)險并保持原料藥-藥品的安全性、有效性和質(zhì)量（圖 7）。
表3. 2015-2021年，F(xiàn)DA批準(zhǔn)的、使用連續(xù)生產(chǎn)的藥物。
盡管已經(jīng)使用連續(xù)細(xì)胞培養(yǎng)工藝開發(fā)了多種產(chǎn)品，但運(yùn)行灌流操作以及確保其可靠性、可放大性和可生產(chǎn)性的復(fù)雜性阻礙了其被制藥行業(yè)廣泛接受。到 20 世紀(jì) 90 年代初，批次操作成為生物生產(chǎn)的首選方法。三個因素在這一舉措中發(fā)揮了作用：
1、批次操作簡單
2、藥企聚焦單克隆抗體
3. 補(bǔ)液開發(fā)和培養(yǎng)基富集方面的進(jìn)展，圖 2
單克隆抗體是相對穩(wěn)定的蛋白質(zhì)，其質(zhì)量不受停留時間的影響。通過在具有特殊補(bǔ)液溶液和培養(yǎng)基的補(bǔ)料分批中使用優(yōu)化的補(bǔ)液策略，細(xì)胞密度和生產(chǎn)率提高了一個數(shù)量級以上。所有這些因素結(jié)合在一起，確立了補(bǔ)料分批操作作為選擇平臺，而連續(xù)工藝仍然是特殊分子的唯一選擇。
連續(xù)工藝是生物生產(chǎn)的重要組成部分，目前市場上的產(chǎn)品數(shù)量已超過 90 種（表 2 和表 3）。生物藥大約有30多種，包括替代酶、凝血因子、單克隆抗體等。其中一些產(chǎn)品每年產(chǎn)生超過 10 億美元的收入，其中強(qiáng)生 (J&J) 的 Remicade 2012 年銷售額達(dá)到約 US$6.8B。
雖然平臺技術(shù)通常使用補(bǔ)料分批是首選平臺，但提高生產(chǎn)率和降低生產(chǎn)成本促使公司考慮替代生產(chǎn)技術(shù)。連續(xù)工藝與批次工藝相比具有許多優(yōu)勢，并且已在其它行業(yè)成功實(shí)施。正如所討論的，在生物生產(chǎn)中使用連續(xù)工藝是從培養(yǎng)開始的，將來將其應(yīng)用于所有生產(chǎn)單元操作是可行的。由于生物工藝工程、自動化和工藝優(yōu)化的最新進(jìn)展，與連續(xù)工藝實(shí)施相關(guān)的許多問題已經(jīng)得到解決。
連續(xù)生物生產(chǎn)的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)
表 4 總結(jié)了連續(xù)生物制藥生產(chǎn)的多方面優(yōu)勢。連續(xù)生物工藝平臺與不銹鋼和一次性批次工藝在臨床和商業(yè)規(guī)模上的模型比較表明，連續(xù)操作可以提高一次性技術(shù)所帶來的節(jié)省。長期生產(chǎn)成本的降低可以使追求生物仿制藥在經(jīng)濟(jì)上對制藥公司更具吸引力。
除了負(fù)擔(dān)能力之外，連續(xù)生產(chǎn)還可以提高藥品的可及性。生產(chǎn)質(zhì)量失敗可能導(dǎo)致藥品短缺，連續(xù)生產(chǎn)可以提供質(zhì)量穩(wěn)定的產(chǎn)品。按需生產(chǎn)（即插即用或即取即用）潛在更高質(zhì)量藥品的能力可以避免生產(chǎn)過剩和延誤。
表 4 展示了批次生產(chǎn)工藝與連續(xù)生產(chǎn)工藝的比較。
表4. 批次和連續(xù)藥物生產(chǎn)的比較。
推動創(chuàng)新和卓越運(yùn)營
過去十年，創(chuàng)新生物制藥行業(yè)生產(chǎn)和銷售的產(chǎn)品性質(zhì)發(fā)生了重大轉(zhuǎn)變。當(dāng)今的全球生物制藥組合反映出治療競爭的加劇、大分子藥物、先進(jìn)治療藥物產(chǎn)品的普及、個性化或靶向產(chǎn)品數(shù)量的增加以及許多孤兒和罕見疾病治療方法的增加。這些下一代趨勢（圖 8）催生了生產(chǎn)量極其有限、生產(chǎn)要求高度特定和基因型特定產(chǎn)品的生物制藥產(chǎn)品。
圖8. 下一代工藝將需要跨越學(xué)科和時間的進(jìn)化之旅。
整體產(chǎn)品組合的根本性轉(zhuǎn)變以及對持續(xù)提高生產(chǎn)效率和有效性的關(guān)注正在刺激支持先進(jìn)生物制藥生產(chǎn)所需的技術(shù)和工藝的發(fā)展。生產(chǎn)技術(shù)的創(chuàng)新有助于提高經(jīng)濟(jì)性、靈活性和質(zhì)量，同時有可能直接和間接使患者受益。生物制藥生產(chǎn)商通常在以下領(lǐng)域進(jìn)行投資：
連續(xù)生產(chǎn)以提高可放大性并加快上市時間，同時降低資本和運(yùn)營成本，并提高質(zhì)量
新的工藝分析工具可提高工藝穩(wěn)健性、加速商業(yè)化生產(chǎn)規(guī)模并推動更有效地利用資源
一次性系統(tǒng)可提高靈活性并縮短生產(chǎn)周期，同時降低資本投資和能源需求
替代下游工藝技術(shù)可提高產(chǎn)量，同時降低成本，綠色化學(xué)可減少浪費(fèi)，新的疫苗和治療生產(chǎn)方法可提高產(chǎn)能、可放大性和靈活性
圖9. 工藝設(shè)備 – 系統(tǒng)創(chuàng)新和技術(shù)進(jìn)步時間線。
圖10. 連續(xù)緩沖液制備系統(tǒng)。
此外，新型產(chǎn)品即將上市，有助于提高藥物有效性并支持患者依從性，例如反映藥物遞送系統(tǒng)和藥物器械組合產(chǎn)品改進(jìn)的產(chǎn)品。這些產(chǎn)品需要生物制藥公司及其供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)采用先進(jìn)的生產(chǎn)技術(shù)，因?yàn)樯a(chǎn)過程本身對于藥物的有效性變得越來越重要。生物制藥產(chǎn)品組合的變化和先進(jìn)生產(chǎn)技術(shù)的興起對生物制藥公司內(nèi)部和外部產(chǎn)生了影響。因此，自動化、設(shè)備設(shè)計(jì)、傳感器技術(shù)和設(shè)施設(shè)計(jì)的供應(yīng)商已加緊支持藥物生物生產(chǎn)領(lǐng)域，以配合醫(yī)學(xué)創(chuàng)新，圖 9。
緩沖液制備的進(jìn)展
緩沖器生產(chǎn)和制備方面的進(jìn)步，無論是節(jié)省空間、節(jié)省時間還是節(jié)省成本，該系統(tǒng)都將支持連續(xù)生產(chǎn)，圖 10。
連接的緩沖液管理系統(tǒng)在使用時通過在線稀釋提供所需的緩沖液，以釋放工藝占地面積并簡化工作流程，并消除緩沖液制備工藝車間的要求。
這種靈活的自動化系統(tǒng)可滿足從中試規(guī)模到臨床規(guī)模生產(chǎn)（高達(dá) 1200 lhr-1）的緩沖液需求，并可在目標(biāo)規(guī)格內(nèi)提供多達(dá) 20 倍濃縮物的多達(dá)六種不同配方。
混合連續(xù)（半連續(xù)）生物工藝 (HCB) 平臺
商業(yè)生產(chǎn)中灌流的實(shí)際使用更為廣泛，但生物工藝生產(chǎn)商越來越不愿公開分享其工藝的詳細(xì)信息。需要指出的是，Genzyme、Bayer、Janssen、Merck-Serono、Novartis 和 Eli Lilly等生產(chǎn)商使用灌流或連續(xù)工藝元件生產(chǎn)約 19 種上市的重組蛋白和單克隆抗體 (mAb) 產(chǎn)品，這些產(chǎn)品主要是年收入總計(jì)約 200 億美元的“重磅炸彈”產(chǎn)品。
原文：R.Dream, End-to-End Biomanufacturing: Challenges and Opportunities in Implementation. American Pharmaceutical Review, 2023.
