一次性生物反應器的過(guò)去、現在和展望
近年來(lái)，一次性技術(shù)因其污染風(fēng)險少、清潔和驗證成本低等特點(diǎn)在生物制藥行業(yè)中得到了廣泛應用。一次性技術(shù)不僅為生物制藥企業(yè)帶來(lái)創(chuàng )新設備，幫助制藥企業(yè)大大縮短了建設和生產(chǎn)時(shí)間，更為其帶來(lái)較大的靈活性。本文將圍繞一次性生物反應器的過(guò)去、現在和未來(lái)展開(kāi)討論。
生物反應器的發(fā)展沿革
隨著(zhù)細胞培養技術(shù)的發(fā)展和應用，大規模培養技術(shù)越來(lái)越受到重視，而該技術(shù)的最主要設備就是生物反應器（Bioreactor）。
早期生物反應器的設計理念主要是建立在微生物發(fā)酵用攪拌式生物反應器基礎上的。攪拌式生物反應器是開(kāi)發(fā)較早，也是在研發(fā)和生產(chǎn)中應用最為廣泛的一類(lèi)生物反應器。到80年代以后，為克服攪拌式生物反應器對動(dòng)物細胞產(chǎn)生的剪切力問(wèn)題，許多低剪切力的生物反應器被設計出來(lái)，例如籠式攪拌生物反應器、固定床生物反應器、中空纖維生物反應器、流化床生物反應器、氣升式生物反應器、波浪式生物反應器等。
制藥一次性使用系統可以溯源至20世紀40年代末，從那時(shí)起開(kāi)始用PVC塑料袋替代玻璃瓶收集血漿，極大地提高了無(wú)菌性和安全性，且成本低廉。隨后一次性塑料袋逐步用于藥包材、以及培養液和緩沖液的儲運等。在一次性生物反應器（Single-Use Bioreactor）方面，1999年波浪式一次性生物反應器誕生，2004年推出攪拌式一次性生物反應器，從2008年起相繼出現10-15mL可放大微型一次性生物反應器，以及最大到2000L甚至4000L規模的各種體積一次性生物反應器，至此一次性生物反應器已經(jīng)應用在生物制藥行業(yè)從研發(fā)到生產(chǎn)的各個(gè)階段。
發(fā)展至今，一次性生物反應器結合連續培養工藝，已經(jīng)成為生物制藥工藝的發(fā)展方向之一。
一次性生物反應器的應用
目前，一次性反應器已被成功的應用于哺乳動(dòng)物細胞、昆蟲(chóng)細胞培養，以及微生物發(fā)酵，所涉及的藥品類(lèi)型有抗體、疫苗、重組蛋白、細胞治療、重組血液制品等，所涉及應用階段涵蓋研發(fā)、臨床和大規模商業(yè)化生產(chǎn)。據統計，全球有超過(guò)25000個(gè)波浪式一次性生物反應器工藝袋用于GMP條件下的種子擴增；有超過(guò)1500個(gè)單位使用一次性攪拌式生物反應器進(jìn)行藥品生產(chǎn)。
一次性生物反應器擁有豐富的產(chǎn)品線(xiàn)和良好的放大性，不僅可以完成批次培養、補料分批（流加）培養、灌流培養，還可以利用微型反應器進(jìn)行高通量篩選實(shí)驗。
一次性生物反應器的控制系統和過(guò)程分析技術(shù)（PAT）
生物反應器使用的控制系統主要是可編程邏輯控制器（PLC）、單片機和工程控制計算機。前兩種因其成本較低、針對性較強而在一次性反應器中廣泛使用。
一次性反應器，還可以連接其他過(guò)程分析設備，確保最終產(chǎn)品的質(zhì)量，對培養工藝過(guò)程中的物料和工藝的關(guān)鍵屬性進(jìn)行檢測以進(jìn)行設計、分析和控制。
過(guò)程分析技術(shù)簡(jiǎn)稱(chēng)PAT（Process Analysis Technology）。FDA在2004年對過(guò)程分析技術(shù)發(fā)布的指導性文件中對PAT的定義為：以確保最終產(chǎn)品質(zhì)量為目標，通過(guò)即時(shí)測量原料、過(guò)程中物料和工藝過(guò)程本身的關(guān)鍵質(zhì)量和性能屬性來(lái)實(shí)現設計、分析和控制生產(chǎn)步驟的系統。
PAT的目標是基于對工藝的理解，通過(guò)對生產(chǎn)過(guò)程中原料或半成品的關(guān)鍵工藝參數(Critical Process Parameters)的監測、分析和控制，優(yōu)化參數，實(shí)現重復穩定的控制，從而保證能夠持續穩定生產(chǎn)出質(zhì)量如一的產(chǎn)品。
PAT系統主要由數據采集與監視控制系統SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition）和分析方法軟件如DOE、MVDA，以及在位和在線(xiàn)傳感器組成，一些新的儀器如過(guò)程質(zhì)譜、拉曼光譜、紅外光譜、電容傳感器等也被用在系統之中。
PAT系統應用于生物制藥生產(chǎn)的整個(gè)過(guò)程，包括上游反應器細胞培養過(guò)程的生物分析參數在線(xiàn)監測分析，以及培養基開(kāi)發(fā)和配方優(yōu)化；也包括下游目標蛋白和核心緩沖液組分的在線(xiàn)監測、合理布置緩沖液配制和儲存罐，等等。
常用的細胞培養在線(xiàn)分析設備能夠檢測細胞密度、細胞活力、細胞尺寸、葡萄糖、乳酸、谷氨酰胺、IgG、離子（鉀、鈉、鈣、氨等）、尾氣和滲透壓等細胞培養過(guò)程中的部分甚至絕大部分參數。
一次性生物反應器的優(yōu)勢
應該說(shuō)制藥一次性系統是伴隨科技進(jìn)步、新藥研發(fā)加快、法規要求提高、以及商業(yè)模式發(fā)展而發(fā)生和發(fā)展的，一次性生物反應器的優(yōu)勢主要體現在以下幾個(gè)方面。
（1）前期投入少，建設快，工藝靈活性高
與采用不銹鋼生物反應器系統相比，采用一次性生物反應器系統工廠(chǎng)建設時(shí)間短，前期投入少，工藝靈活性高，滿(mǎn)足了生物制藥發(fā)展的節奏和需求。一方面藥品研發(fā)周期長(cháng)、投入高、成功率低的特點(diǎn)促使企業(yè)盡可能減少早期固定資產(chǎn)投資，一次性系統恰恰符合這個(gè)需求。另一方面，藥品研發(fā)和報批如同賽跑，采用一次性系統建設周期比不銹鋼系統縮短一年以上，有利于企業(yè)在新藥報批和上市進(jìn)程中占得有利的市場(chǎng)競爭地位。
（2）污染和交叉污染風(fēng)險低
與不銹鋼生物反應器系統相比，所有一次性系統設備均經(jīng)過(guò)清潔滅菌和驗證，可以直接使用，無(wú)需CIP（在位清潔）、SIP（在位滅菌）和驗證流程、節省時(shí)間、減少設備占用空間、減少人力、減少注射用水使用量。在生產(chǎn)不同品種時(shí)，不存在解決清潔以避免交叉污染的問(wèn)題，甚至很容易移動(dòng)到另外一個(gè)生產(chǎn)空間。生產(chǎn)出來(lái)的中間體不需要另外更換容器，不僅方便，也減少污染的可能性。
（3）從小到大，適于研發(fā)
一次性系統非常適合同時(shí)多個(gè)品種和工藝的研發(fā)，以及小公司、小規模的研發(fā)和生產(chǎn)。
一次性生物反應器在研發(fā)時(shí)的優(yōu)勢是非常明顯的。使用微型一次性生物反應器開(kāi)發(fā)工藝，具有極好的放大延展性。根據一份默沙東的研究報告，使用250mL一次性生物反應器培養細胞，與放大到2500L甚至15000L的各種大體積生物反應器比較，在細胞密度、活力以及表達等指標方面相差無(wú)幾。
AspenBrook咨詢(xún)公司2015年全球細胞培養和發(fā)酵市場(chǎng)調查報告顯示，有接近50%的用戶(hù)擁有1L以下的微型或袖珍生物反應器，因為它能提供真實(shí)的反應器環(huán)境以及良好的工藝放大延展性，因此在研發(fā)中比搖瓶有明顯的優(yōu)勢。
（4）有利于MAH模式和技術(shù)轉移
MAH（Marketing Authorization Holder），藥品上市許可持有人制度是指上市許可和生產(chǎn)許可分離的管理制度。受托生產(chǎn)單位為滿(mǎn)足不同客戶(hù)、不同品種的委托生產(chǎn)需求，需要建立不同的生產(chǎn)線(xiàn)，增加大量固定資產(chǎn)投入和驗證成本。采用一次性工藝設備既能有效避免受托企業(yè)生產(chǎn)中的交叉污染，也有利于以藥品研發(fā)為主要業(yè)務(wù)的上市許可人更方便的掌控生產(chǎn)過(guò)程的GMP管理和產(chǎn)品質(zhì)量。采用一次性系統也更有利于藥品研發(fā)單位的技術(shù)轉移。
一次性生物反應器的發(fā)展歷程
最早的一次性攪拌式生物反應器的設計和耗材都不是特別成熟，主要實(shí)現不銹鋼反應器的基本功能。用一個(gè)可重復使用的不銹鋼外支架容器和一次性生物容器，工作體積可達1000L，與控制系統整合在一起，通氣系統可提供有效的氧傳遞。
隨著(zhù)一次性技術(shù)的發(fā)展和用戶(hù)使用過(guò)程中的反饋，供應商對一次性反應器的硬件、反應袋和過(guò)程監控進(jìn)行升級，增加了一次性反應器的穩定性和實(shí)用性。
