單克隆抗體 (mAb) 自幾十年前問世以來，已經重塑了生物制藥和靶向治療市場，其開發策略的不斷改進產生了一個充滿希望的未來。簡單來說，單克隆抗體是具有高特異性的免疫球蛋白，具有高特異性，選擇性地靶向單個抗原表位，從而允許對特定疾病進行靶向治療，大大減少副作用并提高療效。治療性單克隆抗體的工業生產經歷了顯著的增長擴張，且隨著越來越多的產品實現商業化，很多此前認為的問題和挑戰已經得到解決，所以當前的主要目標已經轉變為如何進一步強化和優化生產工藝，以降低成本，提高經濟效益。

生物工藝優化由于其復雜性以及潛在的高成本性質，可能是一項艱巨的任務，由于這些原因，許多生物制藥公司會避免在這方面花費太多時間或金錢。盡管理論上有更好的替代方案和優化機會，但低效的批次工藝仍然主導著市場?？紤]到在生產過程的每個階段必須考慮的眾多工藝參數，這在某種程度上是可以理解的。

生產治療性單克隆抗體的哺乳動物細胞在懸浮培養中生長，需在保持90%以上活力的同時，實現非常高的細胞密度。為了實現這一目標，必須構建一種穩健且高產的單克隆抗體細胞系。為此，首先使用一個具有現有選擇系統的工業哺乳動物細胞系以專為特異性單抗設計的表達質粒轉染。然后將轉染的細胞在選擇培養基中培養，并在數周內擴增。在此過程中，鑒定并選擇產量最高的無性系進行進一步擴增。一旦理想的克隆經過數周的反復選擇和擴增，小體積的細胞被放置在低溫保存管中，形成一個主細胞庫。單個管從這個主細胞庫中取出，用于創建工作細胞庫。低溫保存的細胞通常首先接種在小體積搖瓶中進行批次培養。一旦在搖瓶中達到較高的細胞密度，細胞傳代到一個小的種子生物反應器中并再次培養到高密度。這一過程在越來越大的種子生物反應器中迭代重復，直到最終進入最后的生產生物反應器，其體積通常為數百甚至數千升。當最終培養物低于期望的活力閾值后，通過離心和過濾去除細胞和固體碎片，并保存回收的料液用于下游處理，即mAb純化。

該行業已經實施了許多改進措施，以提高細胞密度和活力，以及單克隆抗體滴度和質量。例如，過渡到無血清培養基，以通過消除培養基組成的可變性，從而提高培養的可重復性，以及開發細胞過程的預測數學建模，以節省優化培養條件所需的大量時間和資源。本文將簡要介紹在上游工藝中，可能實現強化的一些路徑。

一次性生物反應器以及提高工藝監測和控制

生物反應器的使用為產單抗哺乳動物細胞培養提供了諸多優勢，但是各種生物反應器的尺寸、結構和功能非常不同。在最近的發展中，許多生物反應器制造公司正在將重點轉向一次性生物反應器，而不是可重復使用的不銹鋼生物反應器。在大規模工業環境中，一次性生物反應器很有吸引力，因為它們大大降低了污染的風險。對于不銹鋼生物反應器，必須在兩次培養之間進行大量的清潔和消毒工作，以避免污染。一次性生物反應器到貨時已預滅菌，并可在使用后進行拋棄處理，減少了清潔和消毒所需的時間和資源，并消除了下一次培養中污染的風險。在生物反應器的管路和端口中使用一次性無菌連接器也是在接種、取樣和培養補液期間保持無菌性的必要內容。當然，另一方面，限于一次性生物反應器的體積限制，對于超大型生產規模，不銹鋼生物反應器仍是唯一的選擇。

外圍技術用于實時在線監測和控制重要的過程參數，如pH值、氣體級聯強度、溶解的O2、溫度和攪拌速度，隨著用戶友好和行業標準軟件的開發，保持穩健且自動化的過程控制變得越來越容易。生物反應器設計以及過程控制和監測技術的不斷改進將允許單克隆抗體產品的強化及可重復性生產。

多寧DuoBioX? Pro一次性生物反應器采用底部攪拌式罐體設計，可實現從50 L-2,000 L規模生物工藝的連續放大，結合多寧完全自主研發制造的3D一次性細胞培養袋，具有良好的生物相容性優點，其靈活的管路設計，滿足各類復雜的上游工藝過程；其獨特的攪拌通氣一體組合設計，不僅能降低剪切，同時又保證了優異的傳質和混勻性能，放大前后工藝一致性好，可廣泛應用于生物制藥工藝研發到GMP生產等各個階段。

培養模式：補液分批、灌流 vs. 批次培養

在工業環境中，批次培養由于其簡單性和悠久的成功歷史，無疑是最廣泛用于單克隆抗體生產的方法。然而，補液分批培養原則上可通過提供關鍵營養物質以防止耗竭來改進培養，但這增加了培養體積。連續培養采用類似的策略，但去除等量的添加體積，以避免增加工作體積和稀釋培養，然而，這導致在補液時總活細胞數減少。灌流培養技術在此基礎上進行了改進，過濾掉營養耗竭的培養基和部分細胞碎片，同時截留所有細胞。

這些技術的實施在理論上是非常明智的，但實際納入工業生產過程需要大量的開發以及優化時間和成本。然而，補液分批和灌流技術的長期可持續性和前景已經促使一些能夠承擔高額前期成本和技術轉移的大型生物技術公司將其更多的工藝從傳統方法中轉移出來。

組學表征

細胞系的全面表征是優化培養的關鍵因素。通過優化工藝參數，更好地適應它們的生長和生產力需求，對其組成和行為特征進行更深入的了解是必要的第一步。代謝組學廣泛地描述了細胞中作為底物、中間體或代謝過程產物的小分子的大規模定量，這些小分子共同構成了代謝組學。液相色譜-質譜 (LC-MS) 是代謝組學中應用最廣泛的方法，其它技術包括核磁共振 (NMR) 和氣相色譜-質譜 (GC-MS) 等。

蛋白質組學類似地描述了由細胞培養產生的蛋白質的大規模鑒定和定量。由于蛋白質的表達有多種目的，蛋白質組學可以用來表征功能和結構蛋白質組。凝膠電泳和SDS-PAGE是常用的蛋白質表達譜分析方法，質譜法與色譜法串聯使用用于蛋白質的分離和結構表征。

基因組學和轉錄組學需要通過PCR、DNA微陣列、下一代測序和RNA測序等手段繪制和表征細胞的DNA和轉錄RNA，這有助于進一步了解特定細胞系在關鍵生長和代謝階段的基因組和功能轉錄組。脂質組學描述了通過質譜或核磁共振對特定脂質的色譜分離和隨后的鑒定和定量。像蛋白質一樣，脂質不僅對結構組成(即磷脂膜)有重要貢獻，而且對細胞代謝也有重要貢獻。所有這些“組學”技術，可用于在成功和失敗培養的不同階段開發細胞特征的綜合信息。

培養基設計和補液策略優化

培養基的作用是為培養細胞提供關鍵營養物質和大分子的唯一外源支持，因此其組成對mAb生產的優化和成功至關重要。維生素、氨基酸、緩沖鹽、脂質和微量金屬的相對濃度會對培養細胞的生產力和活力產生重大影響，許多細胞系對任何成分的偏差都非常敏感。研究發現，用不含血清的化學限定培養基替代含血清的培養基，通過消除血清批次間成分差異的重要來源，極大地提高了培養的可重復性，這對于維持穩健的生物工藝尤為重要。然而，考慮到沒有兩個細胞系具有相同的營養需求，優化單克隆抗體生產的一個重要步驟是確定培養基組成，以滿足任何給定工業相關細胞系的特定生長和生產力要求。

這種優化可以通過對培養基成分和細胞代謝物的動態消耗和生產的實驗觀察以及前文描述的“組學”數據相結合來實現。對不同條件下培養代謝行為的顯著變化的識別，可以闡明關鍵營養物質的過?；蛉狈?，這兩種情況都可能導致生長抑制、生產力低下以及有毒代謝物 (如乳酸和氨) 的累積。研究表明，僅通過優化培養基就能精確滿足細胞維持和增殖、單克隆抗體產生和能量代謝的營養需求，從而顯著提高單克隆抗體生產細胞系的單位體積生產力。

多寧細胞培養基產品研發團隊根據mAb的生產工藝特點，重點研究培養基配方機理、CHO細胞代謝機制及培養基穩定性，并通過CHO細胞代謝模型分析合理的實驗設計，成功設計開發了Media C系列和DN feed系列培養基產品。該套產品可滿足不同類型CHO細胞（CHOK1、CHOS、DG44等）的生長、代謝和表達需求。Media C系列和DN feed系列結合了高性能和高品質的兩大優點，其卓越性已在多個臨床后期和商業化項目證實。

多寧MediaC系列無血清培養基即DN feed系列補液培養基

實驗設計方法

細胞內的生化過程已經被廣泛繪制，以更好地了解它們的需求和行為，研究人員也能夠應用數學方程來描述它們的動態關系。這是生物工藝開發和優化中最重要和發展最快的領域之一。簡而言之，DOE是一種優化策略，它使用應用統計學來生成一系列不同的實驗條件，從而以高度可控的方式對多個工藝參數進行綜合測試。系統地評估每個參數及其對工藝反應的影響，如單克隆抗體產量或細胞密度，以最大限度地提高生產力，并使可變性最小化。一種稱為析因設計的技術用于確定在實驗運行期間要改變哪些因素以及將測試多少個水平，例如低、中、高。每個實驗或運行，涉及到一個獨特的組合因素水平的應用，稱為處理。例如在一項3^3因子設計中，三個因素分別在三個不同的水平上進行測試，雖然該設計有27種可能的治療方法，但研究只進行了10次試驗，這是一個分數因子設計的例子，其中從全因子設計中選擇處理的子集，以強調最可能具有最大影響的變量的重要性，同時最小化時間和成本。篩選實驗可以用來確定重要因素，以重點進行分數因子設計。

多寧生物DuoBioX? Explore是一款設計領先、性能優異、功能齊全并且易于操作的細胞培養反應器系統，適用于生物制藥行業細胞培養工藝的開發研究。用戶只需要一臺電腦就能同時控制1至8臺玻璃罐相互獨立或平行組合運行，這將極大加速工藝開發進程。DuoBioX? Explore多聯平行反應器內嵌DoE功能，提供多種DoE方法選擇，功能涵蓋篩選和優化，試驗設計一鍵分配至衛星罐，可實現無縫對接，結果分析可視化圖形輸出，確定最優范圍，是上游工藝條件優化和表征研究的最佳搭檔。

DuoBioX? Explore 多聯平行生物反應器系統

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A.S.Ali, R.Raju, R.Kshirsagar, et al., Multi-Omics Study on the Impact of Cysteine Feed Level on Cell Viability and mAb Production in a CHO Bioprocess. Biotechnology Journal, 2019.

F.Li,N.Vijayasankaran,A.Shen, et al., Cell culture processes for monoclonal antibody production. mAbs, 2010.

S.F.Abu-Absi, L.Yang, P.Thompson, et al, Defining process design space for monoclonal antibody cell culture. Biotechnology and Bioengineering, 2010.