客人列2021年11月10日

生物疗法连续生产中基于模型的控制:技术使能者

作者:Anurag S. Rathore, Saxena Nikita, Garima Thakur

Biotercnology实验室istock - 177979818

生物治疗行业的学术和工业研究小组对连续制造表现出极大的兴趣。1,2这得到了促进连续生物处理技术的快速发展的支持(图1)。一个仍然存在挑战的领域是过程控制。在连续加工过程中,需要自动控制技术和过程分析工具来监控关键的质量属性,并实施实时控制决策来处理偏差。3-5在这个由两部分组成的系列文章中,我们将说明如何在各种单元操作中有效地实现基于模型的控制,以提供集成的连续控制。

图1:不同单元操作的各种启用技术。点击图片放大。

图2:模型开发概述

基于模型的控制的先决条件

在任何工艺生命周期中,知识的生成、监控和控制对于处理过程中的不确定性和饲料的可变性都是至关重要的。基于模型的控制可以非常有效地管理这些挑战。7.过程模型基本上是关键质量属性(cqa)、关键工艺参数(CPPs)和原材料属性之间的关联(图2)。然而,由于底层物理化学过程的复杂性,对生物技术单元操作进行建模是具有挑战性的。由于模型遵循不同的动态路径,通常会开发过度简化的模型(由于多个假设)或高度复杂的模型。有必要考虑过程非线性、不确定性、延迟、交互作用、不可预测性和不可靠的胞内/胞间变量测量的影响。结合实时测量,基于模型的方法可以作为软传感器,作为有效的过程监控工具。在这里,适当地应用在线传感器和过程分析工具以及不同单元操作和软件单元之间的通信是至关重要的。

此外,工艺模型可用于确定该过程的最佳操作条件。然而,多目标优化可以计算广泛,成功取决于模型的质量。此外,基于模型的方法作为数据挖掘工具的应用需要大型数据存储库和广泛的通信来访问来自任何地方的数据。

不同单元操作的基于模型的方法

上游生物反应器:生物反应器是生物处理的首要操作,所研究的产品就是在这里生产的。首先要了解细胞的生长速度,细胞的死亡速度和细胞的溶解速度是至关重要的。在过去的几十年里,研究人员为这个单元操作提出了各种各样的过程模型,包括基于质量平衡的机械模型7,8到基于神经网络的统计模型。9,10然而,它通常是开发具有高预测效率的精心生物反应器模型以及完全解释过程现象的能力,通常是一种艰巨的任务。已经证明基于模型的控制器用于实现高产品浓度11.以及控制溶解氧。12、13另一个挑战是重复运行模型所需的高计算时间。然而,随着光谱(质量/介电/拉曼/近红外/傅立叶变换红外)、染料基方法、荧光激活细胞分选和过滤生物传感器方面的创新,了解细胞功能变得更加容易。14、15随着连续处理的实现,基于模型的生物反应器控制将变得普遍。

连续拍摄色谱法:工艺色谱是捕获目标蛋白和去除与变异密切相关的集合体的关键下游单元操作。由于多个色谱柱的复杂集成设置和管理滴度变化和质量属性而不成为下游工艺的瓶颈,在连续模式下执行该操作可能是具有挑战性的。16、17一个潜在的控制解决方案是通过同时集成多个色谱柱、入口、出口和阀门来安排色谱步骤。这涉及到使用周期性的多柱切换方法,使色谱步骤能够在色谱柱之间连续切换。一些商业连续色谱系统,如Cadence BioSMB (Pall Life Sciences,美国)、Akta PCC 75 (GE Life Sciences,瑞典)、BioSC Lab (Novasep Inc.,法国)和contchrom 's (ChromaCon AG,瑞士)多柱逆流溶剂梯度纯化(MCSGP)系统,都基于这种方法。这一单元操作的一个独特挑战来自于蛋白A树脂,这一步骤实际上的选择,恰好是整个过程中最昂贵的树脂,也是下游加工成本的最大贡献者。18、19因此,需要通过加载到动态结合能力(DBC)来优化用于最大使用的树脂使用。20.为了预测DBC和突破曲线,提出了基于一般速率模型(GRMs)的机理模型,用于设计和优化多柱色谱操作。此外,还采用了多种方法监测柱健康和污垢。16日21DBC对饲料效价的依赖增加了额外的复杂性,因为饲料效价在灌注过程中以及柱停留时间和流速都有显著变化。16日22

连续抛光色谱法与捕获色谱(在过程中收集整个洗脱峰)相反,抛光色谱需要精确的洗脱收集点,因为该色谱柱是管理基于大小的不均一性(聚集)和基于电荷的不均一性(酸性和碱性变体)的主要步骤。由于在加工过程中饲料成分会有变化,因此在连续加工过程中,对洗脱池的实时控制是一个主要的挑战。将每个洗脱池的CQA配置文件与指定的基准匹配需要敏感的决策技能。1、5,23日,24日由于柱性能随使用而下降、滴度和饲料质量的变化或长时间间隔内的设备错误等现象,实现实时池决策非常困难。25日,26日基于GRM的机械模型已被用于基于实时模型的汇集控制。27日、28日在某些情况下,集成多个抛光色谱步骤已被提出。例如,阴离子交换后阳离子交换或阳离子交换后疏水相互作用色谱已经被证明是有活性的。29.

持续病毒失活:病毒失活包括病毒变性,这会污染产品。30.用于病毒失活的最常见的方法是在蛋白质A色谱后进行低pH保持。31、32该过程具有挑战性,因为病毒的性质可能因应用程序的不同而不同,而且相同的驻留时间可能并不适用于所有应用程序。如果pH值调整不正确,cqa会受到不利影响。30.因此,在每个循环中保持适当的保持时间和pH值是至关重要的。用于连续运行的各种技术包括使用管式/螺旋流反应器,32 - 35一个自动化多船系统,36或者一个额外的色谱柱。37,38在连续过程中基于模型的病毒失活控制还有待证实。

连续沉淀:沉淀法是生物治疗制剂生产中一种简单、经济的分离方法,是色谱法的替代品。39、40操作以批处理方式进行,或通过沉淀杂质41或者通过沉淀产物。42、43两种方法都有自己的优点和缺点。在批料模式中,将材料放置在保持罐中,其中加入反应物用于沉淀,除去固体。44然而,在连续模式下,需要对反应物的添加和反应的进展进行一致的监测。45最近发表的关于混合和反应过程的实时控制的报告可以阐明人们可以采取的控制连续沉淀的方法。46、47

连续过滤:全球的监管机构都要求生物治疗产品满足严格的配方要求。作为质量目标产品概况的一部分,需要仔细监测cqa,如蛋白质和赋形剂浓度。48岁,49常采用切向流膜超滤;它包括多个超滤(UF)步骤,将产品浓缩到指定的最终浓度,以及一个diafilestep (DF)步骤,以交换工艺缓冲液与最终配方缓冲液,以赋予产品的稳定性和渗透平衡。50-52

在操作过程中,赋形剂浓度漂移造成了控制的复杂性。在高浓度超滤过程中,静电相互作用往往会引起静电效应。随着高浓度皮下药物配方的日益普及,克服这一挑战是极其重要的。建议的一个有效的基于模型的控制是操纵DF缓冲区的组成。46基于泊松-玻尔兹曼或能恩斯特-普朗克方程,提出了带电粒子通过选择性渗透膜的质量传输的多种机理模型,用于模拟高浓度超滤中赋形剂的漂移。46岁的53-56但是,需要广泛的数据和专业知识来校准模型参数。该过程模型具有高度特异性的,随着膜型,模块形状/尺寸,流速,压力,压力和饲料的性质,需要重新校准模型参数。年度此外,该模型没有考虑过程的不确定性和偏差。因此,结合机械模型的过程分析工具是一个较好的解决方案。

作为传统间歇式切向流动过滤(TFF)的一种替代方法,单道切向流动过滤(SPTFF)越来越受到人们的青睐。SPTFF是由多个tff串联而成的组合,是一种由单道长流路组成的连续操作模式。它具有低剪切应力,消除了过程中再循环罐,产生更短的过程时间,并提供了集成连续训练和高容量浓缩因子的能力。对于SPTFF组件的单个膜,通过模拟渗透通量随时间的变化率来优化工艺。61除了设备提供的大量好处外,控制和监控是繁重的。最近的研究建议采用一种方法来控制连续超滤在进料体积或浓度扰动时的输出浓度。61该方法还考虑了不同单元操作的不同循环时间。

结论

建模和专家系统的应用是促进从批处理到连续生物处理的关键。新型的基于模型的控制策略有助于稳定过程运行,提高效率。此外,他们支持过程集成、控制策略开发和法规要求,从而促进实现产品质量的一致性。然而,由于生物过程的复杂性,将不同的模型集成到监测和控制应用中往往具有挑战性。本文讨论了最近开发的使生物工艺单元连续运行的技术。在本系列的下一部分中,我们将讨论连续处理环境中的过程集成和控制。

参考文献

  1. Konstantinov,Konstantin B和Charles L Cooney。“连续生物处理的白皮书。2014年5月20日至21日持续制造研讨会。“作者:李莹莹,王莹,王莹,王莹,王莹,王莹,王莹,王莹,王莹,王莹104,3(2015):813-20。DOI:10.1002 / JPS.24268
  2. Rathore,Anurag S.,连续加工生产生物制药。制备生物化学和生物技术,45,8(2015),836-849。DOI:10.1080 / 10826068.2014.985834。
  3. Rathore, Anurag S,和Winkle H,“生物制药的设计质量”,Nat Biotechnol, vol. 27, 1(2009),第26-34页
  4. Rathore, Anurag S., et al.“生物制药产品的过程分析技术(PAT)”,分析与生物分析化学398,1(2010),137-154。
  5. 《生物制药的过程分析技术(PAT)》,生物技术杂志,6,4(2011),369。
  6. Kroll, P., et al.“生物制药过程生命周期中的基于模型的方法”Pharm Res 34,(2017) 2596-2613。https://doi.org/10.1007/S11095-017-2308-Y.
  7. Kumar,S V Sunil等人。“具有输入多重性的生物反应器的非线性控制 - 实验工作”。生物过程和生物系统工程卷。28,1(2005):45-53。DOI:10.1007 / S00449-005-0014-3
  8. 王海英,王荣克。生物过程监测和计算机控制:当前PAT计划的关键根源。生物技术与生物工程vol. 95,2(2006): 226-261。doi: 10.1002 / bit.21087
  9. Sivakumaran,N等人。“使用反复网络鉴定和控制生物反应器,”仪器科技,Vol。34,6(2006),PP。635-651,2006。
  10. 陈志强,“基于模型的酵母菌发酵生物反应器的优化设计人工神经网络控制”,化学工程学报,第127卷,1-3(2007),第95-109页
  11. 陈志强,张晓东,等。“基于模型预测方法的非线性间歇加料发酵过程优化控制”,控制工程学报19(2)(2007)。
  12. 戈麦斯,J。和Menawat,A。S。“生物反应器中溶解氧的精确控制 - 基于模型的几何算法”。化学。Eng。SCI。55,1(2000),67-78。
  13. Nayak, R.和Gomes, J.(2009)。序列自适应网络:用于l -蛋氨酸生产前馈控制的神经网络集成。化学。Eng。中国科学(d辑:地球科学)64(10):2401-2412。
  14. 高通量下一代测序技术在生物信息学领域培育了新的尖端计算技术
  15. 张兆瑞,“高通量蛋白质组学”。分析化学年度回顾(帕洛阿尔托,加利福尼亚州)第7卷(2014):427-54。doi: 10.1146 / annurev - anchem - 071213 - 020216
  16. 《色谱系统中的方法》。美国专利号US20120091063A1, GE Healthcare biosciences AB. (2012)
  17. CMC Biotech工作组。“A-MAB:生物过程开发的案例研究”。在卡斯斯,埃米德维尔(http://casss.org/associations/9165/files/A-Mab_Case_Study_Version_2-1.pdf.(2009)。
  18. “基于荧光的PAT控制对蛋白质a色谱树脂污染的实现”,《化学技术与生物技术杂志》,92,11(2017),2799-2807。
  19. “蛋白质A树脂的再利用:污染与经济”,《生物危害国际》,28,3(2015)。
  20. “蛋白A色谱法用于抗体纯化”。色谱学报,848,1(2007),40-47。
  21. Chmielowski,R. A等人。“与细胞培养滴度和杂质无关的连续色谱法的定义和动态控制”色谱法A,1526,(2017),58-69。
  22. GE Healthcare。(2005)。Mabselect综合研究关于配体毒性,泄漏,浸出配体的去除,以及消毒。
  23. Flatman,S.等人。“纯化单克隆抗体的过程分析”。“色谱”杂志B,848,1(2007),79-87。
  24. 《糖基化生物制药质量属性的可接受变化》,《自然生物技术》,29,4(2011),310-312。
  25. Rathore, Anurag S.等,“过程分析技术(PAT)在生物处理中的案例研究和应用:使用在线高效液相色谱(HPLC)对过程色谱进行实时池化决策”,《生物技术与生物工程》,1002(2011),306-316。
  26. Tiwari, Anamika“使用高效液相色谱作为过程分析技术在过程色谱中的Enabler”,分析化学90,13(2018),7824-7829,DOI: 10.1021/acs.analchem.8b00897
  27. 库马尔,V,拉索尔,阿努拉格。(1)单克隆抗体离子交换层析技术的研究进展(2017)
  28. Shekhawat Lalitha。“CFD在生物处理中的应用:在生物治疗药物生产过程中使用圆盘堆叠离心机分离哺乳动物细胞”。[j] .中国生物医学工程学报,2018,31(4):427 - 434。
  29. 陈志强,陈志强,陈志强,等。蛋白质色谱技术的发展与应用。约翰·威利父子公司,2020年
  30. Shukla, A. A., & Aranha, H.(2015)。用于生物制药下游工艺的病毒清除。生物制药,3(2),127-138。https://doi.org/10.4155/pbp.14.62
  31. 舒克拉等。单克隆抗体的下游加工——平台方法的应用。色谱学报,848,1(2007),28-39。https://doi.org/10.1016/j.jchromb.2006.09.026
  32. Klutz, S.等,“在低pH值下抗体制造中的病毒持续失活”。化学工程与加工:过程强化,102(2016),88-101。doi: 10.1016 / j.cep.2016.01.002。
  33. “下一代生物加工的连续在线病毒灭活”,《生物技术杂志》,14,2(2018),1700718。https://doi.org/10.1002/biot.201700718
  34. Kateja, Nikhil等,“用于持续病毒灭活的新型反应器配置”,《生化工程杂志》,167(2021),107885。https://doi.org/10.1016/j.bej.2020.107885
  35. 低pH值病毒失活的新型连续流反应器的设计。生物工程学报,2017,36(3):457 - 461。https://doi.org/10.1002/bit.26497
  36. Schofield,M.,&Johnson,D,“连续低pH病毒失活:挑战和实用解决方案”基因工程和生物技术新闻,38,15(2018),S13-S15。https://doi.org/10.1089/gen.38.15.12
  37. Senčar,J.等人。“基于包装床的连续病毒失活的狭窄停留时间培养反应器”新生物技术,55(2020),98-107。https://doi.org/10.1016/j.nbt.2019.10.006
  38. “利用新型蛋白A洗涤液灭活病毒”,《生物技术进展》,31,2(2014),406-413。https://doi.org/10.1002/btpr.2024
  39. “工程参数对蛋白质沉淀、回收和纯化的影响,见:Ayazi Shamlou, P.(主编)。固体-液体悬浮液的处理,Butterworth - Heinemann(1993),第118-158页。
  40. Capito,F.等人,具有耐盐共聚物的半选择性蛋白质沉淀的可行性研究,用于工业纯化治疗抗体。Biotechnol。生物。(2013),110,2915-2927。
  41. 等。蛋白质沉淀:非特异性和特异性,在:Kaul, R. H., Mattiasson, B. (Eds.)。蛋白质的分离和纯化,陈志伟,2003,页225-276。
  42. 王建民,等。在抗体的非蛋白A纯化方案中沉淀过程衍生杂质。Biopharm Int. 2009, supl。, 1 - 6。
  43. kuczewski m等。“一种单克隆抗体生产的一次性净化方法。C6人体细胞系“Biotechnol。J. 6(2011),56-65。
  44. Hammerschmidt,N.等人。“来自CHO细胞培养上清液中的IgG在管状反应器中连续沉淀”。Biotechnol。J.,10(2015),1196-1205。
  45. Kateja, Nikhil等,“使用新型螺旋流倒置反应器(CFIR)从澄清细胞培养上清中连续沉淀工艺相关杂质”,《生物技术杂志》,11,10(2016),1320-1331。https://doi.org/10.1002/biot.201600271
  46. Hebbi, Vishwanath等,“肽制造的过程分析技术实施:重组致死毒素中和因子(rLTNF)串联体的裂解反应作为案例研究”,《分析化学》,92,8 (2020),5676-5681
  47. Hebbi, V.等,“使用近红外光谱技术对蛋白聚乙二醇化的过程分析技术应用:G-CSF作为案例研究。生物技术杂志",325(2021),303-311。https://doi.org/10.1016/j.jbiotec.2020.10.006
  48. 单克隆抗体的理化稳定性:综述”。中国生物医学工程学报,19 (3),457 - 461
  49. “生物制剂的配方和可制造性”。生物技术进展20(2009),708-714
  50. 超/渗滤条件对人免疫球蛋白G制剂中目前聚集物的影响”。膜科学学报274(2006),108-115。
  51. Shultz,J.E.等人。“通过设计适用于使用超滤和渗滤的药物配方的质量”,通过生物制药产品开发设计的质量。Springer,(2015)PP 191-210
  52. 范雷,“膜生物处理技术”。膜科学学报,(2007),16-50。
  53. 苗芳等,“治疗性抗体超滤/过滤过程中辅助剂浓度的理论分析”,生物技术进展,25 (2009)964-972
  54. 钢铁,A。和Arias,J。“达到龙南效应在渗滤优化对高浓度UFDF应用的优化”,BioProcess Int,12(2014)50-54。
  55. Stoner, M.R, et al. "蛋白质-溶质相互作用影响超滤/过滤操作的结果"。医药科学学报93 (2004),2332-2342
  56. 预测单克隆抗体的最终超滤/超滤步骤的过滤溶液组成”。中国生物工程学报,2011,33 (4):344 - 346
  57. “高浓缩蛋白质溶液超滤行为的理论分析”,《膜科学》,494(2015),216-223。
  58. 等。变切向流过滤。谷歌的专利(2014)
  59. 张建军,张建军,等。“低黏度单克隆抗体溶液的高浓度切向流超滤”,膜科学学报,29(6)(2016)113-126。
  60. 单克隆抗体:在生产、配方、输送和最终药物稳定性方面的挑战。瑞斯2015年出版。
  61. Thakur Garima和Rathore Anurag s,“用于连续制造单克隆抗体的单通道切向流超滤建模和优化”,分离和纯化技术,第276卷(2021年),119341,https://doi.org/10.1016/j.seppur.2021.119341。

关于作者:

Anurag S. Rathore博士是印度德里印度理工学院化学工程系的讲座教授。他还是生物制药技术卓越中心的协调员,目前担任印度理工学院德里分校的企业关系系主任。他曾担任Amgen Inc.和Pharmacia Corp.的管理职位。他的兴趣领域包括工艺开发、扩大规模、技术转移、工艺验证、生物仿制药、连续加工、工艺分析技术和设计质量。他在这些领域发表了500多篇论文和演讲。他目前担任制备生物化学和生物技术和关联编辑器化工学报和生物技术.他拥有耶鲁大学化学工程博士学位。

Saxena Nikita是德里印度理工学院Anurag Rathore教授手下的研究助理。她是过程控制方面的专家,目前致力于生物制药过程的自动化和数字化,用于生物制药的连续生产。她的兴趣领域包括过程集成,基于模型的控制,统计过程控制,以及过程监控和控制的多元数据分析技术的实施。她发表了20多篇有关各种过程控制的文章和一本书,并在生物制药领域申请了两项专利。

Garima Thakur是印度理工学院生物处理实验室的研究员,在Anurag Rathore教授手下工作。她在生物制药连续下游生产的PAT申请领域工作,在该领域撰写了10多篇论文和4项专利申请。她的工作重点是克服生物制药行业持续运营的独特挑战,特别是使用实时控制工具处理过程偏差。她曾致力于开发新型PAT工具,包括数据驱动的AI/ML解决方案和新型光谱工具,用于改善下游连续生产过程中单元操作的控制。