細胞培養工藝中的產物質量判斷主要根據其提供目標生物活性的能力，同時最大限度地減少造成任何生物危害的風險。在大多數情況下，以生物學分析甚至動物實驗的形式直接檢測生物活性并不容易，相反，會檢查一些易于測量的物理特征和化學結構特征來評估產物質量。

產物的質量不是一成不變的，有可能隨著時間而改變。這種質量的可變性可能在細胞培養過程的不同階段通過產物合成而變化。它也可能發生在產物收獲過程中，甚至在蛋白質被純化并儲存在制劑溶液中之后。根據化學或物理變化的性質，產物質量變化可能以快速或緩慢的動力學方式發生。因此，質量不僅應在藥物底物和制劑后的產品上進行衡量。對于在緩慢動力學中變化的變量，質量也在儲存條件下進行評估。例如，經過純化和制劑的蛋白質長時間儲存后，可能會出現顏色，或者溶液可能因聚集而變得混濁。這種質量變化只能隨著時間的推移進行評估。

一般來說，產品必須不含某些已知的污染物，或能夠將其控制在一定水平以下。例如，以嚙齒動物細胞生產的蛋白質治療產品即使經過純化也可能攜帶一些宿主細胞成分。在產物純化過程中未被去除的宿主蛋白質、DNA污染物和最終產品中存在的內源性病毒必須保持在可接受的水平以下，以盡量減少這些污染物對患者造成的風險。

蛋白質的結構異構體經常出現在由細胞培養生產的蛋白質中，比如蛋白質分子序列中的氨基酸與編碼序列對應的氨基酸不同。即使沒有已知的結構異構體的不利影響，異構體也必須保持在被認為是低風險的某一水平以下。

蛋白質的聚糖結構也總是表現出異質性。在聚糖結構影響蛋白質生物活性的情況下，具有所需或不需要結構的聚糖的含量必須保持在一定范圍內。即使在聚糖結構不直接影響蛋白質生物活性的情況下，也必須指定聚糖的異質性程度，并且在不同時間或不同生產地點生產的不同批次的產品都必須符合相同的規格。

結構特征和生物活性

細胞培養產物的結構通常都很復雜，如蛋白質、病毒和細胞本身。評估它們的質量并不容易。用作疫苗的病毒的質量取決于其引發免疫原性反應的能力。對于基因治療，產物病毒的質量取決于其感染靶細胞和表達載荷基因的能力。不同的治療性蛋白質發揮其生物學作用的機制非常不同。有些結合并中和或去除目標分子，而另一些則與目標細胞結合并引發殺傷細胞的殺傷力。在工藝過程中直接評估此類生物學功能通常是不可行的。相反，需要利用作用模式的機制知識，根據對生物功能至關重要的結構特征來開發產品質量指標。例如，對于流感病毒，除了病毒顆粒計數外，血凝素水平也可以作為質量指標。在基因治療中，轉基因拷貝與病毒顆粒的比率可用作質量衡量標準。在涉及抗體依賴性細胞介導的細胞毒性（ADCC）活性的治療性 IgG 生產中，巖藻糖基化聚糖被用作質量衡量標準。因此，了解所涉及產物的作用模式對于使用結構屬性作為質量指標非常重要。

糖基化特性

附著在糖蛋白上的聚糖在結構上是異質的。這可以在血液循環中的糖蛋白以及細胞培養物中產生的治療性蛋白質中看到。一些蛋白質的聚糖結構在蛋白質的治療功效中起著至關重要的作用。例如，許多溶酶體酶的聚糖上存在的 6-磷酸甘露糖對于介導蛋白質與細胞質膜上的 6-磷酸甘露糖受體結合以進行攝取至關重要，這是將酶靶向溶酶體所必需的步驟。因此，這些酶的聚糖上 6-磷酸甘露糖的豐度水平對于治療溶酶體貯積病至關重要。在某些情況下，聚糖結構不會直接影響蛋白質的生物學活性，但會影響其藥代動力學行為，例如，促紅細胞生成素和其它一些蛋白質上更高含量的唾液酸會增加這些蛋白質的循環半衰期，如果沒有唾液酸，暴露的半乳糖會與肝細胞表面的脫唾液酸糖蛋白受體結合，導致內化和降解。

一個蛋白質在其序列中可能有多個糖基化位點。給定位點上的聚糖結構是不均勻的。相反，它由許多不同的結構組成。這種異質性是其在高爾基體中的生物合成反應的結果。在不同的生產過程中，或在不同的生產條件或細胞系下，聚糖的特性也可能有所不同。這種可變性對其臨床療效的影響取決于蛋白質的作用方式。對一些蛋白質來說，這是非常重要的，而對其它一些蛋白質來說，它可能會影響血液循環半衰期，但不會影響生物活性。然而，從監管的角度來看，產品的聚糖分布特性必須在規定的范圍內。因此，將聚糖分布限制在可接受的范圍內對于產品的質量控制至關重要。更好地理解產品的作用方式可以幫助定義產品可接受的異質性范圍。

蛋白質結構異構體

在選擇給定產品的生產細胞系之前，應驗證整合到基因組中的產品基因的所有拷貝的DNA序列，以確保轉基因的完整性。因此，預期蛋白質的一級序列和二級、三級、甚至四級結構將是一致的。然而，天然蛋白質和重組蛋白質中確實存在蛋白質的結構異構體。這是由于翻譯錯誤、不完整的翻譯后酶加工、分泌后細胞外酶促或化學反應等導致的。在更高的結構水平上，蛋白質分子可能形成二聚體或寡聚體，并且可能打亂二硫鍵，甚至形成大的聚集體和沉淀。在一級序列水平上，序列異構體包括蛋白質中不正確的氨基酸摻入和氨基酸的化學修飾。

許多生產細胞系具有產品基因的多個拷貝。利用高通量DNA測序技術，對候選生產細胞系基因組中多個轉基因拷貝的DNA序列進行驗證，以確保其完整性。一旦選擇了細胞系，轉基因的拷貝隨后發生突變的可能性非常低。然而，在罕見的情況下，這些拷貝中的一個發生錯義突變，即導致蛋白質中氨基酸改變的突變，將不可避免地導致一小部分突變蛋白質分子的存在。

一些常見的結構異構體包括氨基酸錯配、電荷異構體以及更高階結構的變化。許多蛋白質的C端有賴氨酸殘基。這些賴氨酸殘基在細胞內被羧肽酶裂解。然而，裂解通常是不完整的。C端未裂解賴氨酸經常出現在循環中的天然蛋白質以及重組蛋白的生產中。工業補料分批培養通常采用高葡萄糖濃度。因此，分泌的產物蛋白質分子長期暴露在高葡萄糖濃度下。糖基化是指糖與氨基酸側鏈上的氨基的結合，這種現象很常見。糖基化也見于人體循環中的蛋白質中。

一些氨基酸修飾導致蛋白質凈電荷的變化。這些電荷異構體可能是酸性物質，在陰離子交換層析柱中比“正?！碑a物蛋白質洗脫得更快，或者是堿性物質，在陽離子交換柱中洗脫得更快。帶酸性電荷的異構體也可能由糖基化模式的變化引起，例如唾液酸或硫酸鹽含量的增加。

工藝控制和產物質量

蛋白質中聚糖特性的異質性主要是細胞內生物合成事件的結果。當細胞活性較低時，蛋白質分泌到培養液后，細胞釋放的酶會降解聚糖，尤其是唾液酸被唾液酸酶去除。蛋白質結構變化大多發生在蛋白質翻譯之后，源于細胞內的事件或者是在蛋白質分泌到培養基后的培養液中。蛋白質加工酶可由細胞通過分泌或由于細胞裂解而釋放。細胞外蛋白水解裂解已被證明會導致因子VIII的降解。一些更高階的蛋白質結構變化，如聚集、蛋氨酸的氧化以及天冬酰胺的脫酰胺，甚至可能發生在產物回收過程中。

對產品質量的日益重視要求我們更好地了解細胞內事件如何影響糖基化特性，以及細胞外培養環境如何影響蛋白質異構體的發生。理想情況下，這應該提高我們控制工藝條件的能力，并提供一致的生產力和產品質量。工藝技術的發展越來越注重用于在線監測和控制的過程分析技術 (PAT)，而與PAT攜手并進的是質量源于設計 (QbD)。

QbD的目的是發展對工藝過程的理解，識別對產品質量影響最大的過程變量。這將有助于制定控制這些變量的策略，并將產品質量屬性限制在可接受的范圍內。為了實現QbD，需要了解定義產品質量的屬性，并理解過程變量和質量屬性之間的關系。最初，可能依賴于過程變量和質量屬性相關的經驗數據。隨著時間的推移，機制模型對于開發預測控制策略變得至關重要。在這樣的工作中，質量和生產力是不可分離的。對生產力和質量方面的培養環境的機制理解被納入過程模型，后者將過程輸入轉化為維持生產力和產品質量的必要控制行動。此外，基于基因組學、蛋白質組學和代謝組學的整體分析方法的進步，與系統方法相結合，將促進PAT和QbD在細胞培養生物工藝中的實施。

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F.Meuwly, U.Weber, T.Ziegler, et al., Conversion of a CHO cell culture process from perfusion to fed-batch technology without altering product quality. Journal of Biotechnology, 2006.

M.J.Gramer, Product Quality Considerations for Mammalian Cell Culture Process Development and Manufacturing. Mammalian Cell Cultures for Biologics Manufacturing, 2013.