高通量生物工艺开发案例研究

Christopher Kistler、 Jennifer Pollard、

Lee Sin Ng 和 Mathieu Streefland, Ph.D

高通量的scale-down方法已成为工艺开发的关键组成部分。这些方法能够提供广泛的工艺设计空间，并最大限度地减少资源和材料消耗。通过高性能的实验设计（DOE）方法，生物工艺开发人员对工艺有了更深刻的理解，并且能找到更合适的细胞培养条件。

全自动的ambr ® 250系统仅需极少的人工操作，使实验过程得到良好控制。在线检测和远程监控提供了额外的数据和必要的干预能力。

高通量技术已成为细胞培养工艺开发方法的常规环节，因为它可以降低整体成本，缩短开发周期，提高实验效率。

ambr ® 250系统如图1所示，由无菌工作站内的24个独立操作的生物反应器组成，最大工作体积为250mL。该平台可以允许4条进液管路通过完全独立的补料泵连接到每个生物反应器。这种设置可以控制复杂的补料策略。通过机械臂可以进行自动取样和小体积加液。

平台上有温控样品储存单元，温度范围为-20°C至环境温度。ambr ® 250系统已被用于细胞培养和微生物发酵的工艺和培养基开发。250mL规模的性能与研发阶、中试阶段或商业化规模的性能相当。

作为上游细胞培养工艺的一部分，TAP Biosystems （Sartorius Stedim Biotech Group的一部分）的ambr ® 250自动生物反应器系统被用于评估叶轮功率输入对细胞培养性能的影响。

在系统平台上的24个生物反应器中，有10个专用于实验，评估不同的功率输入。与标准工艺相比，这个范围从减少五倍到增加两倍。

然后将ambr ® 250的结果与在3L玻璃生物反应器中运行的标准工艺进行比较。这样的生物反应器在工艺开发中很常见。

投资高通量细胞培养技术的一个关键考虑因素是建立数据以确保生物反应器间的可比性。重要的是，通过台盼蓝检测的活细胞密度在运行标准工艺的五个ambr ® 250生物反应器重复之间高度一致（图2A）。基于此，活细胞密度分布在标准工艺和提高的功率输入工艺之间没有明显的差异。

与3L玻璃生物反应器中的标准工艺相比，这两个工艺优势明显。有意思的是，低功率输入工艺早期与标准工艺具有较好的可比性，但不能支持第11天后的细胞密度（图2B）。

补料消耗曲线是细胞培养工艺开发过程中监测和控制的一个重要变量。在此过程中，使用离线分析仪监测葡萄糖浓度，ambr ® 250自动机械臂采集生物反应器样品。通过ambr ® 250内置泵及液面下的补料管线将营养物添加到培养物中。

每个不同工艺的葡萄糖水平在第11天之前是相似的（图2C）。此时，由于细胞活率下降，低功率输入条件下的葡萄糖消耗减少。

使用ambr ® 250时，发现在比标准工艺低的功率输入下运行对细胞培养性能具有负面影响。这可能是由于混合、营养输送受损或由于较低的氧传递而导致气泡剪切增加。无论是单独还是关联的，这些因素可能是ambr ® 250平台未来试验的主题。

另外，发现在较高功率输入下运行对细胞培养没有负面影响，表明细胞对额外的基于搅拌的剪切不敏感。最后，ambr ® 250产生的培养环境与3L玻璃生物反应器产生的培养环境相当。