基于合成生物学的生物药生产：经验教训

高通量分子生物学和 DNA 测序的兴起，以及计算模型的日益精细化，使合成生物学领域成为可能，其中精密基因工程被用于“编程”细菌细胞，就像我们对计算机编程一样来执行不同的功能。2014年，我们的联合创始人 Jim Collins 和 Tim Lu 是世界公认的合成生物学专家，他们向Atlas Ventures 提出成立第一家将合成生物学原理应用于生物治疗药物创造和开发的公司的想法。我们的想法是，这种方法将使我们能够使用基于我们的候选药物（我们称之为合成生物）的全新方法来满足重要的医疗需求。8年内， Synlogic 向FDA 提交了5个 IND ，实现了350 多名患者给药，并建立了一条专注于代谢和免疫疾病的临床阶段管线。这包括在一个项目中实现概念证明（苯丙酮尿症或PKU），以及在另一个项目中实现机制证明（高氧尿症或HOX）。从一开始，我们就知道，作为先驱者，生产将带来挑战，也是成功的关键因素。

迄今为止，我们的候选药物使用了相同的“起始菌株”或底物，这是一种经过充分研究的益生菌，称为E. coli Nissle 1917。作为活的潜在生物治疗药物，这提出了独特的挑战。与许多生物技术公司一样，尤其是那些推进创新治疗方法的公司，我们评估了将生产外包给在生产基于合成生物学的药物方面拥有专业知识的第三方的好处。我们在项目开发的早期就开始了讨论，并评估了我们所有的选择，以确定最佳途径，提供对基于合成生物学的药物开发至关重要的质量和精度水平。

生产合成生物制品的挑战

取得平衡

使用E.Coli Nissle (ECN) 具有优势，这体现在 100 多年临床研究中验证的可靠安全数据的历史上。然而，当生产 ECN 作为合成生物时，一个挑战是需要在增加细胞密度和诱导目的酶之间取得平衡。过度关注其中一个参数可能会对另一个参数产生不利影响。虽然培养细胞的技术非常有效，但细胞需要保持存活，并能够保持高活性，这对于它们在疾病靶向中的正常功能至关重要。用于蛋白质生产的发酵细菌很常见，但保持高细胞活性的专业知识既必不可少又很少见。

内部生产 vs. 外包

为了帮助应对这些挑战，我们联系了具有专业知识的合同开发和制造组织(CDMO)。虽然许多 CDMO 将发酵技术用于工业目的，但这些技术不符合良好生产规范 (GMP) 标准和 FDA 生产生物治疗药物的合规指南。许多还没有在同一工厂内同时具备发酵和冻干（冷冻干燥）能力。有这些能力的公司，通常也只具有与发酵规模不相符的有限冻干能力。在数量有限的、可从事活细菌操作的CDMO 中，大多数都具有较长的交货时间和高成本，尤其是在与COVID-19 大流行相关的生产需求之后。

考虑生产中的新方法

协同定位

鉴于可用的第三方支持选项有限，Synlogic 对生产进行了投资，以满足我们在每个开发阶段的需求，并保持对产品可行性的警惕关注。我们的药物包括必须保持代谢活跃的细胞；随着时间的推移，它们会死亡，除非它们被制成稳定的粉末。为了最大限度地缩短我们的工艺时间，我们决定将发酵和下游工艺以及冻干放在一起，以防止细胞死亡并保持高药物活力。我们还实施了冻干步骤，以延长我们疗法的保质期，并允许以口服粉末形式，呈现对患者更友好的形式。

自动化

在质量控制环境中涉及发酵罐、冻干机和分析仪器的操作中，自动化对于提高工艺效率以及降低生产成本至关重要。例如，E.Coli Nissle 的发酵罐必须运行 16 到 22 小时。如果没有自动化功能，这个过程将需要生产操作员全天候在现场。自动化技术在帮助我们满足产品生命周期每个阶段的需求和质量控制(QC) 要求方面也发挥着核心作用。

我们的 ambr 15 和 ambr 250 高通量自动化生物反应器或发酵罐用于工艺开发、工艺优化和规模缩小模型。使用这些系统，我们可以在短时间内以更小的体积测试不同的条件和工艺参数，这为我们提供了一条更快的途径来实现既定的工艺，同时降低了每次实验的成本。我们还有另一款高通量自动分析仪，可对发酵代谢物进行筛选和分析。有了这个生产系统，我们可以更好地了解保持细胞健康、生长和活性所需的条件。该技术还使我们能够更快、更自信地做出决策，并可能缩短周期时间。

一次性技术

我们还在整个工厂中实施了一系列一次性技术以及定制工艺，以应对生产生物治疗药物的特定挑战。一次性技术通过最大限度地减少所需的清洁以及降低交叉污染的风险，使我们能够更快地在项目之间切换。它还减少了工厂占地面积，从而减少了必要的前期资本投资。我们还建立了一个洁净室，其中包含通过气压级联、产品操作隔离和清洁要求降低微生物污染和产品交叉污染风险的程序和布局。

混合生产模式的好处

任何新技术或治疗方法的主要挑战之一是能够根据需要快速放大生产规模，从早期研究到商业化。认识到我们在规模放大方面的需求以及在考虑内部能力和CDMO 参与方面面临的挑战，我们很快认识到混合方法的潜在好处。

我们的物理洁净室提供 CDMO 可以处理的服务菜单，包括库存控制、仓储、环境监测和其它支持领域。同时，我们在Synlogic 建立了一个内部基础架构，能够基于可用资源和我们自己经验丰富的、受过GMP 培训的员工来满足产品需求。我们的内部能力包括工艺开发、分析开发、制剂、cGMP生产、包装和贴标、质量控制和质量保证。在混合模型中，我们可以在需要时灵活地将一些所需的检测和分析外包给实验室/CRO。该设施还旨在满足我们的工艺需求，能够随着我们的开发项目的推进而轻松扩大规模并进一步扩展。

建议

在规划生产战略时，生物技术公司在同一工厂中同时建立研究和CMC 工艺开发可能是有利的，从而可以更有效地交流技术专长。一般来说，将项目推进临床开发的公司通常可以在所需规模较为适中时，在内部处理与 1 期或 2 期临床试验相关的生产需求。

重要的是，公司考虑在可行的情况下投资自动化工艺，并认识到规模放大可能需要更大的设备，并且对原材料和耗材的需求可能呈指数级增长，其中许多可能需要较长的采购时间。及早规划对于解决潜在的供应链问题和避免瓶颈至关重要。在开发过程的早期考虑与监管机构和其他利益相关者合作通常也是有利的。随着公司进入后期临床开发阶段，监管机构联系人和顾问的早期投入可以支持更平稳的过渡。

无论公司决定建立内部生产能力、外包给CDMO 还是建立混合模型，计划在每个阶段实现生产目标都需要显著水平的创新和灵活性。团队必须准备好应对新的挑战，并在整个产品生命周期中做出快速、深思熟虑的决策才能取得成功。这些需求在合成生物学等新兴研究领域可能更为重要，这些领域可能需要开发全新的、以前未尝试过的战略和技术，以保持生产的正常进行。

本文节选、翻译自Synlogic, Inc. 首席运营官Antoine Awad发表的文章“Manufacturing Biotherapeutics Based On Synthetic Biology: Lessons Learned”，由于水平有限，详细内容，请参考原文。

原文：A.Awad, Manufacturing Biotherapeutics Based On Synthetic Biology: Lessons Learned. Bioprocess Online, 2022.

来源：生物制品圈 2023-04-18

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