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案例应用丨规整式固定床生物反应器在上游生产中的优势
发布日期：2024-11-25
生物反应器作为一种经过精心设计的实验与生产设备，在生物科学研究与工业生产领域扮演着举足轻重的角色，优化细胞培养反应的需求正在不断推动生物反应器的设计创新。本期将通过讲解固定床生物反应器 (FBR，Fixed Bed Reactor)来了解它对工艺开发和生物药生产规模放大的影响。
FBR为细胞生长和敏感产品提供低剪切环境
与搅拌式反应器 (STR， Stirred-tank Reactor)相比，在 STR 中，细胞悬浮在液体培养基中，并通过搅拌不断混匀，剪切力较大；在 FBR中，细胞贴附生长在固体但多孔的基质中，细胞不会在FBR中移动，而是通过搅拌在整个固定床基质中循环含有营养物质的培养基，从而使细胞获得营养物质，剪切力低。
FBR 免除灌流生产工艺中对细胞截留装置的需求
当 FBR 主要用于生产病毒载体、病毒疫苗和其他由贴壁细胞表达的产品时，由于细胞被固定在固定床的表面及内部三维空间内，固定床可充当天然的细胞截留装置，从而促进灌流的轻松实施；细胞生长支持基质可以充当过滤器，帮助从细胞碎片和其它工艺杂质中预先澄清收获物料，减少进一步下游澄清的需要，简化大规模生产的工作流程。
FBR与传统2D培养的比较
传统的 2D 平面生产方法，无法精确控制pH、DO等过程参数，占地面积大，劳动密集型，耗材（包括人员防护、环境维护）成本高。
FBR提供了一个完全封闭的自动化细胞培养系统，自动化程度高，减少人工干预，可降低劳动力和运营成本、工艺占地和设施利用率，降低因开放式处理造成的污染风险，提高工艺一致性和稳定性。
使用 FBR 进行工艺开发具有显著优势，可以使用设备提供的分析工具更好地优化细胞生长和生产的培养条件。
规整式FBR的细胞分布更均匀
填充式FBR由随机填充的床矩阵组成，这种结构可能存在问题，因为它为细胞锚定和生长提供了一个不均匀的环境，无法在培养过程中取样，会导致生产力和产品质量的变化。规整式 FBR 提供了具有均匀三维环境的规整式固定床，确保均匀的细胞分布和生长，细胞取样具备代表性（例如，同腾新创CEL-G® Culture Ad60）。
表1. 填充式FBR按不同密度接种时HEK293T细胞分布数据
图1. 规整式FBR(CEL-G® Culture Ad60)培养HEK293T的细胞分布数据
图2. 规整式FBR(CEL-G® Culture Ad60)培养HEK293T的取样条细胞分布数据
规整式FBR 为细胞生长提供了一个低剪切、均质的微环境，这通常会得到更高的生产力（已观察到在生产AAV和LV的应用中有2倍以上的产量提高）。
规整式FBR的可放大性
生产工艺的放大通常是分步进行的，关键工艺参数和产品质量属性在越来越大的规模上得到确认。对于基于 STR 的工艺，实验室和最终规模之间的体积变化可能是 100 到 1,000 倍。扩大规模的活动通常是经验性的、耗时的，可能需要在达到最终规模和达到目标生产率之间进行权衡。
当使用规整式FBR 进行放大时，因细胞固定在固定床内，单位体积的细胞密度急剧增加，意味着对于同等的生产规模，FBR 工作体积比 STR 小得多。所以使用FBR 进行放大时，体积的变化不会超过几十升。
规整式FBR 是目前可用于培养贴壁细胞的最具放大性的技术。与横向规模扩展而不是纵向规模放大的 2D 扁平培养器皿不同，FBR 有许多不同的尺寸可供选择（例如，同腾新创CEL-G® Culture Ad60及Ad600系列生物反应器，规格从 1 m2-600m2不等）。它通过增加容器的直径但保持固定床的几何形状和细胞培养基通过固定床的线速度，使得不同规模的固定床反应器设备性能得以保持。这意味着从较小的研发规模到商业化大规模生产，生物反应器进行的初始工艺转移简单有效，具有同等性能，无需进行工艺优化的额外步骤。从而简化了从研发工艺到临床和商业生产的转移及放大过程，加速并降低了放大的风险。
FBR可回收工艺的开发
一些规整式FBR（例如，同腾新创CEL-G® Culture Ad60）也可以进行细胞收获，这意味着它们可用于生成更大规模系统的接种液，以及具备在细胞治疗中进行细胞生产的潜力。
规整式FBR 在上游工艺开发、工艺放大具有更大的优势。它有利于细胞均匀的贴附和生长；它在较小的培养空间内能提供较大的细胞生长面积、剪切力低，可以线性放大，且对下游工艺有积极影响。在FBR 中优化的工艺可以更轻松地放大至生产临床或商业批次，从而使 FBR 用户能够更快地实现重要的里程碑。
图3. 同腾新创CEL-G® Culture Ad60和Ad600 FBR
同腾新创自主研发的CEL-G® Culture Ad60系列及Ad600系列固定床生物反应器，是一款规整式固定床生物反应器，主要用于贴壁细胞的培养及产物收集，适用于病毒疫苗，细胞治疗，基因治疗，外泌体生产，抗体生产等行业。其独特的瀑布流设计能完成高效的气质传递、为细胞生长提供低剪切力的3D培养环境。各种规格的固定床结构均具有相同的瀑布式流体条件，涵盖了工艺参数开发、中试临床验证、大规模商业化生产多个环节，在整体工艺上实现了无缝稳定的规模放大。
1、Mirasol, F. Exploring the Impact of Fixed-Bed Bioreactors in Upstream Processing. BioPharm International 2023, 36 (4), 18–21
2、L. Yan, A. Adcock, J. J. Broglie and R. Edmonson, "Three-Dimensional Cell Culture Systems and Their Applications in Drug Discovery and Cell-Based Biosensors," Assay Drug Dev Technol, vol. 2, no. 12, pp. 207-2018, 2014.
3、Lesch, H.P., Valonen, P., and Karhinen, M. (2021). Evaluation of the single-use fixed bed bioreactors in scalable virus production. Biotechnol. J. 16, 2000020. https://doi. org/10.1002/biot.202000020.
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