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细胞培养基开发和优化的关键作用

发布时间:2022-02-24 10:46:37 阅读:13802次 来源:百度学术

  细胞培养基仍然是基于生物制剂的疗法制造的关键组成部分。因此,细胞培养基的开发和优化仍然是生物制药行业的重点。分析能力的提高为细胞培养基、它们支持的细胞以及最终生物制品的结果之间的关系提供了新的见解。这种更深入的洞察力提供了更多机会来更快、更经济高效地创造产品,并取得更大的治疗成功。

  在寻求简化生物治疗过程开发时,培养基开发和优化至关重要。分析细胞如何消耗培养基成分可以提供有关整个生产过程的健康和生产力的宝贵信息。关键培养基成分的分析——例如氨基酸、维生素和细胞生长产生的代谢物——在工艺开发的所有阶段都是有益的,包括细胞系开发、培养基开发和工艺优化。此信息不仅提供有关培养基成分和性能的见解,还提供有关克隆选择、最佳收获时间、潜在产品质量问题、纯化策略等方面的见解。

  生物治疗制造媒体的多样性

  生物疗法是一个广义的术语,包括更传统的基于蛋白质的生物制剂,如单克隆抗体,以及更新的疗法,包括细胞和基因疗法。这些生物疗法代表了不同的医学模式,也可以解决不同的治疗适应症。他们还使用不同的治疗载体,因此需要单独的制造实践。例如,对于抗体等基于蛋白质的生物制剂,最终产品不是细胞,而是细胞产生的蛋白质。对于细胞疗法,细胞是治疗剂,而对于基于病毒载体的基因疗法,病毒载体是关键成分。

  生产这些不同的疗法,需要根据具体应用使用不同的细胞。由于各种细胞具有不同的要求,因此必须设计用于培养它们的培养基以实现每种细胞类型的最佳生长和/或生产力。当细胞培养基的成分与细胞的要求不匹配时,生产效率和产品质量属性可能会受到影响。因此,必须针对每种细胞类型和细胞克隆开发和优化培养基。

  在本出版物中,我们将探讨三种生物制剂的不同介质要求和优化策略:基于蛋白质的生物制剂、细胞疗法和基因疗法。

细胞治疗培养基

基于蛋白质的生物制剂培养基

  几十年来,生物生产培养基一直处于开发和优化之中。中国仓鼠卵巢 (CHO) 细胞是商业化生产蛋白质治疗药物(如单克隆抗体 (mAb))的最受欢迎选择。其他细胞系,如 HEK293 和 Vero,在治疗领域也发挥着重要作用,它们通常用于生产非 mAb 产品,如球状蛋白、病毒治疗剂和疫苗。

  传统上,生物生产培养基的精制方法是首先去除血清,然后去除动物成分和其他不确定成分,如水解产物,最后开发化学成分确定的配方。我们对细胞与细胞培养环境之间关系的了解不断加深,从而极大地提高了细胞生产力、生长和活力。例如,在某些情况下,mAb 滴度已从约 1g/L 增加到大于 10g/L。此外,我们现在知道,糖基化模式、聚集、电荷变异和稳定性等 mAb 产品质量属性会受到培养基成分的影响。因此,媒体开发和优化至关重要,并且可以对商业化产品的可制造性产生巨大影响。

  典型的生物生产培养基优化工作涉及通过分析用过的培养基和监测补充或减少单个成分对培养所需结果的影响的多层次优化。由于大量可能的培养基成分和更多可能的浓度依赖性组合,优化可能是一项复杂且耗时的体验。实验设计 (DOE) 可用于减少工作量,但仍需要对每种可能的组合进行分析。

  细胞治疗培养基

  有多种细胞类型用于细胞疗法生产。由于每种细胞类型都有影响其生长、活力和功能的独特要求,而且由于细胞本身就是治疗药物,因此有必要仔细考虑培养基成分。例如,从培养基配方中去除血清是一个特别值得关注的问题,因为与用于临床或商业生产的培养基中的动物源性成分相关的风险增加。在培养基中使用任何动物衍生产品,包括血清,都会增加污染、供应链不稳定和可变性的风险。此外,还有可能引入外源因子,包括可能存在于最终产品细胞中的病毒或朊病毒。然而,开发不含血清的培养基或优化培养基以去除或减少血清是复杂的,需要广泛的知识、时间和资源才能完成。由于与基于蛋白质的生物制剂相比,细胞和基因疗法的时间表经常受到限制,这使得这项任务更具挑战性。

  与使用克隆细胞系的基于蛋白质的生物制剂制造不同,使用原代细胞和干细胞的细胞疗法提出了独特的挑战,特别是在自体环境中。离体细胞扩增、分化和功能激活的程度可能因患者而异,其中起始细胞有限且通常健康状况不佳。由于细胞培养基配方决定了细胞特性(即生长动力学、健康状况和功能特性),因此人们对代谢组学重新产生了兴趣,以更好地了解各种培养基添加剂(如葡萄糖、氨基酸、维生素和二肽)对关键细胞的影响。影响治疗效果的质量属性(CQAs)。

  用于基因治疗的病毒载体生产培养基

  基因疗法通过基因改造来治疗疾病,通常采用基因工程病毒载体的形式,用于将基因有效载荷传递给细胞。正在开发非病毒方法;然而,病毒载体仍然是最流行的方法。

  高效的病毒载体生产是基因疗法制造成功的关键因素,目前正在推动满足对病毒载体的高需求。因此,该行业必须从小规模商业生产转变为大规模商业生产,提高病毒滴度生产,同时仍保持关键质量属性。病毒载体的复杂性比重组蛋白复杂得多,这给上游和下游的生物制造带来了挑战,包括可扩展性、生产力和整体缺乏稳健性。为了开发这些问题的长期解决方案,制造商正在寻求优化生产细胞和它们生长的培养基。

  可以使用培养基分析研究来了解细胞代谢和培养基成分(如氨基酸和葡萄糖)对滴度水平的影响,这是提高生产力的关键。理想情况下,选择的培养基应提供必要的营养,以促进高生产率、一致性和质量,并能够支持扩大到更大的制造平台。

  媒体分析以实现开发和优化

  这些治疗制造过程的共同点是需要深入分析培养基对培养细胞的影响,从而影响最终产品。虽然每个可能都有不同的工艺挑战、生产力目标和制造要求,但开发和优化专为该应用设计的介质的需求是普遍的。

  在每种情况下,在检查培养基成分之间的关系、这些成分的消费方式、代谢物的产生方式以及对生长和生产力的总体影响时,产品质量都至关重要。虽然用过的媒体分析数据对于推动媒体开发和优化向前发展至关重要,但要及时获得这些数据可能既困难又昂贵。通常,工艺开发小组在他们的实验室中没有分析工具或资源来进行所需的深入分析。这意味着将样品送到现场或非现场实验室进行分析。外包可能需要数天到数周才能获得结果,而且成本可能很高。这导致 PD 小组不得不就可以送去分析的样本的数量和频率做出艰难的决定。不可避免地,

  更好的解决方案是在线媒体分析。实时分析还通过监控和维护关键质量属性来支持过程分析技术 (PAT) 计划,以确保产品质量和批次间的一致性。等到文化运行结束以获取用过的媒体分析结果并不会告知操作员日常流程的细微差别。实时运行此分析可加快流程开发并开启实时影响更改的可能性,而不必等待下一次运行来实施更改。

  使用微生物反应器系统时产生的大量样本也会对分析资源造成压力。用于培养基开发的按比例缩小的生物反应器模型的开发是一项突破,因为它们允许在很短的时间内同时测试许多不同的培养条件。然而,产生的样本数量很大,而且这些微生物反应器的体积很小,因此造成了另一个瓶颈并限制了每天运行样本的能力。

  为了解决获得在线介质分析的挑战,已经开发了微流体分析技术以允许在生物反应器旁边进行测量。一种这样的设备是结合了毛细管电泳和高压质谱的 REBEL 分析仪。与经典分析方法相比,像 REBEL 这样的分析仪通过提供近乎瞬时的在线读数以及在小尺寸内具有易于操作的界面,具有多种优势。CQAs 的近实时监测对治疗效果、安全性、产品质量和批次间一致性有直接影响。

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