從不銹鋼生物反應器到固定床生物反應器的創新顯示了上游優化的演變。
優化細胞培養反應的需求推動了生物反應器設計的創新。細胞培養過程必須穩健且可放大，而且經濟。審視固定床生物反應器 (FBB) 有助于了解它們對工藝開發和生物藥生產規模放大的影響。
FBB vs. STR
Univercells Technologies 高級營銷和產品經理 Alex Chatel 解釋說，回顧用于生物工藝的生物反應器的歷史，從廣義上講，第一批生物反應器是從化學工業發展而來的。這些早期的生物反應器是大型不銹鋼攪拌罐 (STR) 生物反應器，專為生物制品的工業生產而設計。
“雖然它們提供不同的大小和規模，但它們缺乏靈活性并且需要大量的清潔制度（以及相關的質量保證和控制活動）。為了適應更大的靈活性、減少運營和資本支出以及降低商業化風險，開發了新型一次性 STR，”Chatel 說。
一次性 STR 在每批運行后廢棄，無需清潔制度，從而減少了對硬管道、清潔設施和其他相關人員的需求。Chatel 指出，雖然是一種改進，但 STR 設計本身本質上是不可線性放大的，并且不太適合處理精細的細胞或工藝，尤其是在規模上。他說，這種限制導致復雜且耗時的放大研究。
Chatel 解釋說，在 STR 中，細胞懸浮在液體培養基中，并通過葉輪不斷混合。然而，在一次性 FBB 中，細胞被“包裹”在固體但多孔的基質中，并且細胞的密度要高得多。與 STR 不同，細胞不會在FBB的生物反應器周圍移動，而是葉輪在整個固定床基質中循環含有營養物質的培養基。
“生物質固定化有幾個優點，例如為細胞生長和敏感產品提供低剪切環境，以及消除灌流過程對細胞截留裝置的需求，”Chatel 說。他繼續解釋說，第一代 FBB 由隨機填充的床矩陣組成。根據 Chatel 的說法，這種結構可能存在問題，因為它為細胞錨定和生長提供了一個不均勻的環境，從而導致生產力和產品質量的變化。然而，較新的 FBB 提供了具有均勻三維環境的結構化固定床，確保均勻的細胞分布和生長。這些較新的 FBB 同樣適用于血清和無血清條件下的貼壁細胞和懸浮細胞。
最后，結構化 FBB 在設計上具有可放大性，并提供比傳統 STR 更高的吞吐量，這一優勢可實現經濟高效的生產。“在 Univercells Technologies 進行的一項研究中，在 [FBB]（scale-X nitro 600，Univercells Technologies，具有 600 m2的生長表面和 60 L 工作體積）中生產 AAV-2 [腺相關病毒-2]，在生產率上等同于 3,600 L 的 STR 產能，與 STR 工藝相比，商品成本 (CoG) 降低了 24%，”Chatel 說。
Pall 的 iCELLis 生物反應器全球產品經理 Andrew Laskowski 強調了 FBB 是緊湊型上游生產技術，已針對貼壁細胞培養進行了優化的概念。這些生物反應器的主要特征是固定化表面，細胞可以在其中粘附和增殖。FBB 主要用于生產病毒載體或病毒疫苗，Laskowski 評論道。
“這些產品也可以使用傳統的不銹鋼或一次性攪拌生物反應器在懸浮細胞中生產，但懸浮工藝需要額外的開發時間來馴化懸浮細胞系，而且產品滴度通常低于貼壁細胞工藝。因此，FBB 使公司能夠以更高效的流程更快地將產品推進至臨床，”Laskowski 觀察到。
順應工作流程
由于 FBB 主要用于生產病毒載體、病毒疫苗和其他由貼壁細胞表達的基于細胞的產品，這些生物反應器通過簡化無菌培養基添加、細胞添加和感染/轉染來簡化大規模工作流程，Laskowski 指出. “細胞被固定在固定床的表面，使 FBB 能夠充當天然的細胞截留裝置，促進灌流的輕松實施，”他說。
Laskowski 還指出，FBB 有助于簡化下游純化工藝，因為固定床可作為渾濁生物分子的天然尺寸排阻過濾器，從而減少進一步下游澄清的需要。
Chatel 補充說，一些結構化 FBB（例如 scale-X 系列生物反應器，Univercells Technologies）也可以進行細胞收獲，這意味著它們可用于生成更大規模系統的接種液。“因此，它們在生物生產過程中發揮著核心作用，因為上游技術的選擇會顯著影響生產過程的其余部分，”他說。
FBB 為整個生物生產過程帶來了特定的優勢。例如，它們提供了一個完全封閉的自動化細胞培養系統，并且在占地面積小的情況下包含用于細胞附著的大表面積，Laskowski 解釋道。此外，FBB 與分析技術相結合，例如 pH 傳感器、溶氧傳感器、溫度傳感器，以及（對于 iCELLis 生物反應器，Pall）用于測量細胞密度的生物質傳感器。
“與傳統的 2D 平面生產方法相比，固定床生物反應器的這些特性可降低勞動力和運營成本、工藝占地和設施利用率，降低因開放式處理造成的污染風險，并提高工藝保證、一致性和穩健性，”Laskowski 斷言。
Chatel 說，結構化 FBB 也得到了高度強化，這意味著對于同等的生產吞吐量，工作體積比 STR 小得多。他解釋說，由于細胞團固定在固定床內，單位體積的細胞密度急劇增加，從而實現了這一結果。
此外，細胞生長支持基質可以充當過濾器，幫助從細胞碎片和其它工藝雜質中預先澄清收獲物料。然而，最重要的是，FBB 為細胞生長提供了一個低剪切、均質的微環境，這通常會導致更高的生產力（已觀察到兩到四倍的提高）。“因此，與等效的 STR 工藝相比，由此產生的收獲不僅更集中于產品和更高質量，而且體積大大減少，從而簡化了下游工藝，”Chatel 說。
應對規模放大
Chatel 解釋說，生物生產工藝的放大通常是分步進行的，關鍵工藝參數和產品質量屬性在越來越大的規模上得到確認。“對于基于 STR 的工藝，實驗室和最終規模之間的體積變化可能是 100 到 1,000 倍。擴大規模的活動通常是經驗性的、耗時的，并且可能導致在達到最終規模和達到目標生產率之間進行權衡”他說。
然而，當使用 FBB 進行放大時，體積的變化不會超過幾十升。“固有的可放大生物反應器設計也顯著簡化了過程，從而加速并降低了放大的風險，”Chatel 補充道。
同時，Laskowski 指出，FBB 是目前可用于培養貼壁細胞的最具放大性的技術。他解釋說，與橫向規模擴展而不是縱向規模放大的 2D 扁平培養器皿不同，FBB 有許多不同的尺寸可供選擇（例如，iCELLis 生物反應器，Pall，尺寸從 0.5 m2到 500 m2不等）。“這些不同規模的性能得以保持，即通過增加容器的直徑但保持固定床的幾何形狀和細胞培養基通過固定床的線速度。與 2D 扁平器皿相反，隨著 FBB 批次大小的增加，操作員的數量和工藝占地保持相對不變，為使用 FBB 的生產商提供規模經濟的優勢，”Laskowski 說。
在工藝開發方面，FBB 有一些影響。正如 Laskowski 指出的那樣，FBB 需要一些額外的前期資本投資來購買工藝開發規模的硬件和自動化系統。他估計投資成本約為 100,000 美元。他說，在最初的資本投資之后，每批次的原材料成本與類似規模的扁平培養器皿相當。
然而，使用 FBB 進行工藝開發具有顯著優勢。Laskowski 指出，可以使用提供的分析工具更好地優化細胞生長和生產的培養條件。“生物反應器是完全自動化的，”他說，“讓科學家有時間從事其它項目。”
最后，Laskowski 補充說，FBB 中優化的工藝可以更輕松地放大以生產臨床或商業批次，從而使 FBB 用戶能夠更快地實現重要的里程碑。“例如，正如他們在 2019 年 ASGCT 的一次演講中所披露的那樣，諾華的基因療法使用 iCELLis 生物反應器在不到 38 個月的時間內將其基因治療產品 Zolgensma 商業化，”Laskowski 說。
與此同時，Chatel 解釋說，細胞可以很好地適應結構化 FBB 中的保護環境，這意味著從較小規模的實驗室系統或其它生物反應器進行的初始工藝轉移簡單有效，具有同等性能，無需進行工藝優化的額外步驟。因此，他強調說，簡化了從臺式工藝到臨床和商業生產的轉移。他特別提及了一項研究，其中使用懸浮人胚腎 293 (HEK293) 細胞系在 2-L STR 中生產腺病毒產物的工藝被轉移到臺式系統（scale-X hydro， 2.4 m2，Univercells Technologies）。該過程在不到九個月的時間內擴大到商業生產（scale-X nitro，200 m2，Univercells Technologies），同時增加了產品滴度。
因此，FBB 實際上在幫助優化整體生物生產方面發揮著雙重作用。它們在上游傳遞體積和工藝開發優勢，同時還生產在細胞收獲之前經過初始過濾的目標產品。因此，可以在生產生命周期的早期看到對下游工藝的影響。
