随着细胞治疗行业的持续增长,它必须面对的挑战是,创造的产品不仅安全有效,而且负担得起。目前,批准的产品(40 - 20万美元)的价格对大多数患者来说太高了,主要是因为劳动力成本,占细胞疗法生产产品成本的50%左右。

完全自动化的细胞治疗制造流程可以显著减少人工干预和人为错误,支持稳健的流程,提高产品质量,加快产品交付,并降低成本。在这篇文章中,我们将讨论如何使用新的生物反应器和传感器技术实现自动化细胞治疗制造过程。

生物反应器

生物反应器是一种容器,它允许仔细控制参数,如pH值,溶解氧和温度,以确保细胞是优化的细胞生长。生物反应器应该在足够大的规模培养细胞,以解决细胞疗法的需要,可以提供108 - 10细胞/剂量。

1944年,de Becze和Liebmann创造了第一个用于压缩酵母生产的生物反应器。第一个生物反应器的设计是大型不锈钢罐,其底部连接着可以引入空气的管道。随后的设计引入了有利于混合和气泡分散的叶轮。最终,设计被修改以满足食品和生物制药行业的要求。例如,设计开始结合防腐功能和实时监控。

今天,各种类型的具有特殊功能的生物反应器在市场上都可以买到。通常用于细胞制造的生物反应器包括摇床、搅拌槽、填充床和旋转壁容器生物反应器。

生物处理中最常用的生物反应器是搅拌槽式生物反应器,它可以缩放到大体积(最大体积为20000 L)的细胞培养物。然而,在搅拌槽生物反应器中,细胞培养均质使用一个叶轮,如此强劲的转动可以影响生物过程。例如,紊流和大剪切力已经被发现诱导了不需要的、自发的干细胞分化。

为了减小生物反应器中剪切力的影响,研究人员开发了摇床式生物反应器。它使用波状运动,以确保低剪切应力和实现有效的营养扩散。研究人员发现,低切应力对维持高细胞质量至关重要。

另一个生物反应器对于培养敏感的原代细胞株具有类似的优势,但通常体积较小(<10 L)是旋转壁血管生物反应器。顾名思义,细胞在血管内培养,通过旋转产生自由落体状态。然而,该系统需要一个复杂的控制系统,以创建精确的旋转速度,以诱导一个自由下落的状态,不断增长的细胞种群。对于摇床和旋转壁容器生物反应器来说,可扩展性都是一个挑战。

上述生物反应器适用于非贴壁细胞的培养,如用于癌症免疫治疗的免疫细胞,但贴壁干细胞则需要微载体。然而,在生物处理的后期阶段需要完全去除可溶解的微载体,这可能会导致技术挑战和监管困难。为了避免这些问题,填充床生物反应器被设计用于可扩展的贴壁细胞培养。例如,这种生物反应器已经被用于培养肌肉细胞在合成肉的应用。

在填料床生物反应器中,细胞被播种在固定床上,该固定床由中空管组成,其表面有固定的支架、微载体或多孔纤维。新鲜的培养基可以在系统内不断循环,以提供氧气和营养物质。由于表面积大,可以达到高密度细胞培养和成本效益。文化媒体卷可以更小,操作可以更少麻烦。然而,高细胞密度和难以有效地将分离补品引入床,使细胞收获具有挑战性。

开发自动化平台

尽管到目前为止讨论的生物反应器类型具有可扩展性和低剪切应力等优点,但它们都缺乏能够降低劳动力成本、降低污染风险和增强良好制造规范遵从性的自动化。同样缺乏的是可以利用机器人技术的自动化。如果机器人技术能够与模块化生物反应器集成,就有可能加速并降低细胞制造的成本。

Miltenyi研究的CliniMACS
Miltenyi Biotec声称其CliniMACS Prodigy是一个功能封闭和自动化的系统,可用于制造各种类型的细胞。该系统设计用于使用由袋、流体路径、离心室、柱和温度控制元件组成的一次性管组完成细胞富集或耗尽、离心和培养。

自动化系统的一个例子是Miltenyi Biotec的CliniMACS Prodigy。它允许用户在一个完全封闭和交钥匙的方式中执行细胞激活、转导和收获。另一个例子是龙沙的Cocoon,这是一个模块化细胞疗法制造平台。自动化生物反应器的技术不仅是单个公司的追求,也受到Autostem等行业联盟的追求。Autostem是一个由工程师、再生医学科学家和高科技公司组成的多学科组织。

“细胞治疗自动化的最大需求之一是自体制造,”世纪治疗公司的首席技术官Gregory Russotti博士说。世纪治疗公司是一家生物技术公司,开发从诱导多能干细胞中提取的自然杀伤细胞和t细胞疗法。“由于每个患者在自体移植环境中都需要他或她自己的批次,因此没有办法扩大流程,以更大的单个批次为不同的患者生产多个剂量。因此,需要更好的扩展方法,以便更有效地处理并行批。

Lonza茧
龙沙开发了Cocoon平台,用于患者规模的细胞治疗制造。它由自动化的、灵活的、功能封闭的胶囊组成。(图示为单个胶囊。)Cocoon的定制磁带包含介质、试剂和其他消耗品,用于单元操作,如分离、激活、转导/转染、扩展和收获。

“一种方法是自动化流程,以减少劳动力需求。自动化系统可以配置为同时处理多个批次,从而提高处理效率,降低商品成本。

“为自体过程设计自动化系统的挑战之一是,不同的细胞疗法开发者使用不同的过程;因此,自动化方法需要针对每个单独的过程进行定制。随着该领域的成熟,细胞疗法开发者可能会集中在一些流程步骤上,这可能为标准化自动化系统提供机会。”

戈尔韦爱尔兰国立大学的细胞疗法教授Frank Barry博士补充说,自动化这些平台可以帮助减少污染的风险。巴里指出:“在组织衍生细胞产品的加工过程中,有两个污染源——组织本身和操作者。”他补充说,大多数污染事件都可以追溯到操作人员的行为,比如那些涉及洁净室环境破坏的事件。由于操作人员造成的污染事件可以通过使用自动化机器人来减少,这种机器人允许“免提”程序,并可以进行消毒。

自动化生物反应器系统通常是为小规模过程设计的,例如为个性化癌症免疫治疗生成免疫细胞。这种系统的优点是单个患者的细胞可以在模块化生物反应器中制造。小型、模块化和自动化的生物反应器可以安装在医院,而不是远程电池制造工厂。这可以减少由于细胞的双重运输而造成的物流复杂性,并最大限度地减少由于长时间低温保存而造成的细胞死亡。

Russotti建议:“在尝试进入临床时,不应该在第一阶段研究不需要的技术或流程规模上过度投资。”“小规模的更简单的系统通常能让你更快地为临床研究做好准备。

“然而,你应该提前考虑商业规模需要是什么,并就如何改变平台(即生物反应器类型)和扩大工艺规模制定战略,以便在需要的时候拥有一个商业可行的工艺。采用这种方法不可避免地需要对过程进行更改,而这些更改必须经过仔细的计划,以将可比性失败的机会降到最低。”

在生物反应器中使用传感器提高质量控制

在生物反应器中安装传感器,以监测关键参数,如pH值、温度和溶解氧,以进行质量控制。最常用的传感器之一是基于探针的电化学传感器,它可以通过检测化学反应引起的电势变化来生产,成本低廉。一般来说,基于探头的传感器可以进行广泛的测量并快速传递读数。然而,电流传感器通常是大的和有侵略性的设备。此外,它们是脆弱的,易受电子干扰。

为了减少侵入性和提高安装灵活性,开发了光学化学传感器系统,可以检测由于分析物浓度的变化而引起的光致发光强度和吸收等光学特性的变化。这些系统包括光源、指示染料、光纤和光探测器。一次性传感器贴片甚至可以放置在生物反应器外,以减少污染的风险。

其他用于质量控制的生物反应器传感器包括光谱传感器。他们评估涉及分子键和电磁波的相互作用,以测量关键变量,如生物量和细胞碎片的丰度。光谱传感器是非侵入性的,可以同时测量多个变量,接近瞬时信号传输。然而,这些传感器的测量可能会受到散射光的影响。为了避免这个问题,传感器被用于玻璃反应器中。

细胞培养的自动化监控

不幸的是,大多数传感器技术都是基于探头的,与自动化、封闭系统和一次性生物反应器不兼容。此外,除了光谱传感器外,大多数传感器都是为了测量单一参数而设计的。多重侵入式传感器的使用需要重复暴露生物反应器的内容到环境中,增加了污染的风险。

然而,结合自主传感器技术和无线数据传输技术的胶囊技术可以实时监测多个参数。在胶囊技术中,无线传感器(或称“胶囊”)在加入细胞培养中之前进行了预消毒和校准,在细胞培养中它们可以自由漂浮。还可以通过在生物反应器内部署多个胶囊来提高测量的准确性和分辨率。

单元加工过程的自动化监控将降低成本,提高效率,并提高对良好制造规范的依从性。戈尔韦爱尔兰国立大学再生医学教授玛丽·墨菲博士表示,自动监控可以让技术人员远程控制过程。也就是说,在设施内部发生的过程可以通过位于该设施外部的计算机接口进行控制。

结论

细胞培养是细胞制造中最消耗资源的步骤之一,它严重依赖生物反应器进行可扩展的细胞生产。幸运的是,生物反应器自从被发明用于压缩酵母发酵以来,已经取得了长足的进步。他们现在拥有诸如摇摆运动技术的特点,可以在提高细胞活力的同时最小化剪切应力。

然而,我们可以预见,对基于细胞的治疗产品的需求将会增加,我们将需要自动化细胞培养和传感技术。这样做将使我们能够减少对人力的依赖,更多地依靠健全的流程,从而使我们能够更快、更安全、更经济地为患者提供创新的基于细胞的治疗。