细胞和基因治疗大规模生产面临的困难

本文节选自《The Difficulties of Manufacturing Cell and Gene Therapies At Scale》，详细内容，请参考原文。

从大规模生产“一刀切”（one-size-for-all）的重磅药到小规模工艺的个性化治疗，生物制药行业在过去十年经历了一场革命。其中最突出的“里程碑”是先进治疗药物(ATMP)的开发。这些“研究密集型”的疗法中，已有1000多种正在临床试验当中，且有望进入商业化生产。细胞和基因疗法(自体和异体基因疗法)针对许多不治之症，包括自身免疫失调和癌症。根据CRB为其报告“Horizons：Celland Gene Therapy”收集的调查数据 (图1)，尽管ATMP的潜力令人兴奋，但开发商和制造商面临着相当大的困难。其中包括：

• 缺乏满足当前和未来需求的GMP生产能力

• 自动化和优化工艺的需要

• 将开放式和手工操作扩展为商业生产所需的自动化、封闭式工艺的斗争

• 需要从贴壁细胞培养过渡到悬浮细胞培养，以最大限度地扩大可放大性

• 缺乏管理和操作新工艺设备的熟练度和可用的专门知识

图1：平均商业化生产挑战

我们的调查数据收集自近150家行业领导者，反映出了制造商需要设计和建造灵活的设施，以适应未来的工艺改进和新技术，且需要以每2到5年的周期持续优化。这种不断演进的优化将使生物制药商能够为规模放大或扩大GMP商业生产做好准备，以满足未来的需求。

图2:(上) 从事内部生产、外包或两者结合的受访者百分比；(下)使用合同制造组织(CMO)或合同开发和制造组织(CDMO)的受访者指出了这样做的驱动因素。

需要更高的商业化GMP产能

近四分之三的受访者正在与合同制造组织(CMO)或合同开发和制造组织(CDMO)合作，以克服这些障碍，并将缺乏GMP生产能力作为外包的主要原因，这点并不奇怪 (图2)。然而，CMO也同样经历着影响着行业其它领域的产能危机，导致等待时间最长可达两年。为了满足日益增长的需求，CMO/ CDMO在投资新工厂时也需要考虑灵活性。

我们的研究发现，缺乏熟练和可用的劳动力是另一个重要因素，这是可以理解的，因为ATMP领域在过去十年经历了高度的技术发展。在过去60年里，我们看到这种现象在每一个高科技产业的诞生过程中重复出现，包括20世纪70、80年代的重组DNA技术。新行业的早期进入者倾向于聘用博士级别的员工，ATMP就是这样，因为公司试图将实验室规模的技术转化至商业化环境。把产品从工作台上搬到洁净室需要高技能、高训练的人员。CDMO可以提供这种专业知识，但它们也面临着建立熟练劳动力的任务。

图3：(上) 工艺自动化和封闭单元处理系统被认为是对受访者影响最大的技术进步。(下) 置于B级环境的A级生物安全柜是最常用的洁净室系统。

工艺自动化和封闭单元处理系统的潜在影响

调查的受访者表示，对无菌生产的需求正在推动最具影响力的技术进步。大多数公司将工艺自动化(72%)和封闭单元处理系统(68%)列为影响其生产决策的最重要的技术进步(图3)。

工艺自动化是受访者的一个关键考虑因素，因为完整细胞处理和基因修饰是技术敏感性工艺，有很高的失败风险。因为细胞疗法需静脉注射，且不能最终除菌，所以在生产过程中需要进行的完整细胞处理必须在无菌条件下进行，以防止产品之间的交叉污染以及生产环境中的培养污染。任何轻微的工艺更改或人为错误都可能危及整个批次。

对受访者来说同样重要的是采用封闭的细胞处理系统，这有许多优点。减少工艺中的“接触点”可以减少或消除污染风险。它还可潜在地减少洁净室需求。虽然C级洁净室中的封闭细胞处理系统目前占洁净室环境的25%，但我们预计这一数字在几年内将增加到近75%。封闭且自动化工艺可以提高速度、质量控制、设计灵活性以及获得监管批准的路径。

设计灵活的ATMP工厂也可能是问题，这取决于要进行的治疗类型。例如，自体治疗工厂的设计必须考虑到“监护链”和“身份识别”，因为这类产品是针对个别患者的“静脉到静脉”治疗。在这种情况下，质量控制实验室比其它类型的治疗占用更多的空间，因为每一批都必须进行检测，即使批次很小。当自体细胞治疗的产量必须增加时，工艺必须扩展（scale-out），而不是放大（scale-up），即增加更多的工艺单元。相比之下，异体治疗批次所需的质量检测空间更小，而且可以按体积放大，因其包含许多剂量，用于治疗大量患者。灵活的设计将考虑到自动化和未来的技术发展，因此生物制造商可以消除昂贵的改造或扩大工厂占地的需求。

我们预计，随着制造商从贴壁培养转向悬浮培养，生物工艺也将发生变化(图3)。考虑到有限的生产选择和依赖于贴壁的细胞培养的人工操作，这是一个重要的考虑因素。悬浮培养允许在工艺开发的早期实现自动化，并可以消除贴壁培养的体积限制。这些平台是异体细胞治疗所需要的，其有助于提高这些产品的产量。

根据调查参与者的说法(图3)，与目前的手动灌装技术相比，机器人灌装有望促进规模放大。隔离器的使用还有助于将需要高度分级的高占地空间缩小为房间内的一个盒子。如果不可能采用完全封闭的系统，隔离器是一种无菌工艺的替代方案，它们可以避免使用A级生物安全柜，在采用较低等级的房间分级时，降低操作成本。ATMP隔离器与传统的大型灌装作业中使用的隔离器不同。更紧凑的定制版本符合封闭式工艺的最终目标。然而，ATMP隔离器需要大量的资本投资，而且可能比一些定制设计更昂贵。

图4：调查参与者被要求对他们在迈向商业化生产中面临的最大挑战进行排序(1=最关键，7 =最不关键)。到目前为止，排在第一位的因素是工艺开发和优化。

工艺开发和优化是最大的挑战

在从临床到商业生产的过程中，技术在过去10年里取得了快速的进步。很容易理解为什么工艺开发和优化是受访者最关心的问题(图4)。

用于研究和临床试验的小规模生产的细胞处理设备可能采用开放式连接，需要A级环境，加上B级环境的加热、通风和空调(HVAC)的保护。这一方法本身并不适于每年处理数以千计的剂量，因此，突显了过渡到能够在C级或更低环境中运作的封闭式细胞处理系统的重要性。这个领域的变化速度给了生物制造商仅仅几年的时间，来学习和采用当前的创新技术。要从开放且手动的临床生产工艺扩展到商业化生产，就需要以高昂的成本大幅增加人员数量和占地面积。

调查参与者指出，在向商业化生产过渡时，吸引有技能和可用的劳动力是一个重大挑战。采用新技术需要大量的专业知识和设备，而生物制造商仍在努力了解和完善这些知识和设备。例如，在现有的基因修饰平台中，自体和异体基因修饰细胞疗法的制造商主要依靠病毒载体(分别占79%和74%)。目前，将更改的遗传物质传递到细胞的第一代递送工具仍比最近的创新技术更受欢迎，包括信使RNA(mRNA) (35%)和基因编辑技术，如成簇的规律间隔的短回文重复序列 (CRISPR) (28%)。尽管受访者对于他们是否会切换到另一个ATMP平台有很高的不确定性，但19%的受访者预计会切换，15%的受访者表示这将在未来三年内发生(图5)。尽管有丰富的病毒载体经验，最近的创新平台要求员工拥有不同的技能，并使用不同的工艺，这些工艺需要时间来开发和实施，以获得一致的结果。

在这份报告中，CRB的专家深入研究了ATMP领域所面临的一系列重要问题，发现这是一个对未来充满乐观的行业，但同时也在应对资源和风险这两大痛点。下面是我们将探讨的一些问题。

图5：(a) 调查参与者报告他们是否预期在未来转向另一种基因修饰技术。(b)回答“是”的人表示他们预计多久会转换，以及(c)使用哪种技术。(TALEN是转录激活剂样效应核酸酶；CRISPR是成簇的规律间隔的短回文重复序列；mRNA是信使RNA；Cas-Clover是Demeetra AgBio的商标。)

多种模式：生物制造商和CMO都面临着同样的灵活性需求，以灵活地应对市场上不断变化的需求。CMO必须响应不断变化的客户需求。将ATMP生产工作引入内部的生物制造商通常拥有复杂的产品管线，需要灵活性来并行开发不同的模式。超过一半的受访者表示，他们希望在未来两年内采用多模式解决方案，这表明灵活性、可放大性、运营效率和上市速度是最大的驱动因素。

工厂优化：近80%的受访者将工艺开发和优化列为细胞和基因治疗平台三大商业化生产挑战之一(图4)。大多数受访者还指出，在主要运营问题中，他们在工艺和监管方面的考虑存在可变性或不确定性。超过三分之一的受访者表示，他们对工厂的可实现产量感到担忧或焦虑。

项目交付：三分之二的受访者会考虑项目交付的“交钥匙”或“端到端”方法，将项目从设计转移到运营。但是，当被问及采用交钥匙方式进行项目交付的障碍时，近三分之一的受访者表示，市场上缺乏对端到端产品的组织意识。其它阻碍因素包括采购过程受到限制，以及大家普遍认为单一来源的方案会造成过度风险。

对工艺和工厂设计的灵活性进行规划

考虑到受访者在考虑商业化规模的内部生产时所面临的挑战，将重点放在封闭、自动化和自适应的设计上是非常必要的。场地和工厂布局的灵活性对于考虑新兴设备创新以及为未来的ATMP产品腾出空间至关重要。

理想情况下，这种前瞻性的商业设计方法将允许生物制造商战略性地采用突破性技术和新的自动化解决方案。因此，开发者将拥有塑造细胞和基因治疗未来所需的控制和灵活性。

原文：A.Bream, B.Salzmann,The Difficulties of Manufacturing Cell and Gene Therapies At Scale. BioProcess International, 2021.