端到端连续生物工艺：对单克隆抗体设施设计、商品成本和开发成本的影响
本文节选自“End-to-end continuous bioprocessing: impact on facility design, cost of goods and cost of development for monoclonal antibodies”，由于水平有限，详细内容，请参考原文。
本文介绍了一种系统方法来评估连续工艺的商业案例，该方法可以在单克隆抗体(mAb) 的生产和开发成本之间进行权衡。研究构建了一个决策工具，将商品成本(COG) 与开发模型的成本以及针对批次、混合和端到端连续工艺量身定制的新设备尺寸方程相结合。COG 分析预测，与需要多个并行连续链的1-3吨(~±10%)年需求量相比，年需求量为100-500 kg (~35%)时，一次性连续设施（使用每个生物反应器专用的DSP 链确定大小）比不锈钢批次设施节省更多的商业化COG。仅在100 kg/年时，一次性批次设施可与连续选项在COG上竞争。对于批次和连续设施提供类似 COG 的场景，分析确定了达到不同 COG 节省所需的操作窗口，以及灌流速率、单位体积生产力以及培养基成本的阈值。在考虑项目生命周期成本时，分析表明，虽然端到端连续设施可能难以在开发成本上具有较高竞争力，但考虑到覆盖药物开发和商业活动的总支出费用时，它们比不锈钢批次设施更具成本效益。
简介
近年来，作为生物制药行业传统批次工艺的竞争者，连续工艺已成为人们重新关注的主题。这可以归因于连续生产的多种好处，包括与传统批次工艺相比更高的生产力和设备利用率，这可以转化为降低的设施占地面积、资本支出和生产成本以及采用一次性技术的能力。此外，技术差距正在被新的解决方案所克服，这些解决方案使得为端到端连续生物工艺开发配置变得更加容易。然而，关于连续工艺的采用是否会简化药物开发过程中的工艺开发和验证工作还是会增加此类工作量，仍存在争议。据估计，工艺开发和临床生产贡献了高达17% 的总研发成本，这意味着每个获得市场成功的产品将产生数亿美元的支出。因此，在考虑切换到新技术平台时，能够探索生产成本节约和对工艺开发工作的影响之间的平衡是很重要的。本文介绍了一种决策工具，用于评估端到端和混合一次性连续生物工艺的商业案例，该工具可体现适用于mAb 生产和开发成本的权衡。
行业正在辩论和评估不同程度的连续技术的采用。在上游工艺(USP) 方面，主要是通过引入用于灌流培养的外置细胞截留设备（例如ATF技术）来实现的，这些设备克服了早期技术的局限性，并允许实现相比批次方法更高的细胞培养生产力和更“小”的生产流程。在下游工艺(DSP) 方面，最近开发了专用于生物工艺的连续单元操作。这包括多柱层析、单程切向流过滤(SPTFF) 和连续病毒灭活。有了这个连续单元操作的工具箱，行业已经建立了部分集成的连续工艺，以提高DSP 生产力和设备利用率。这些工艺通常包括与连续捕获层析连接的灌流细胞培养，或者与连续DSP 链连接的补料分批细胞培养。目前，已经在更加“端到端”的连续工艺方面取得了进展，这些工艺通常使用灌流细胞培养、多柱捕获和中间体层析步骤以及流穿精纯。Arnold等人整合了连续病毒灭活和 SPTFF 操作，以帮助在其完全集成的连续工艺中实现连续液流，并最大限度地减少所使用的缓冲罐尺寸和数量。
鉴于连续工艺的前景广阔，许多研究都专门探讨了它所提供的成本节约。通常，会比较在商业化生产规模条件下，与生产相关的批次和连续工艺成本。此类研究表明，连续设施通常可以将商业化商品成本(COG) 降低 10-30%。据报道，资本投资估算的成本降低幅度更大，在 40-50% 之间。这主要归因于生产链规模的缩小以及在这些较小规模上实施一次性技术的能力。Pollock等人还在临床生产设施中证明了这些 COG 的节省。除了生产成本之外，一些研究还进一步检查了现金流，并显示净现值 (NPV) 的增加和净现值 (NPC) 的节省大约为数亿美元。
由于与生物制药领域的传统批次工艺（在过去几十年中经历了很大的发展）相比，连续工艺仍处于起步阶段，因此可能需要更大的开发努力和成本来建立连续工艺。连续设施可以提供的生产成本的潜在节约尚未与它们可能产生的更高的工艺开发成本进行权衡。此外，随着新技术的出现，端到端连续工艺的定义也在不断发展，此类工艺的设计需要仔细考虑尺寸。本文提出了一种决策工具，包括用于估算生产成本的商品成本模型以及用于估算不同技术平台的工艺开发和临床生产成本的开发成本模型。工具还包含专门针对连续工艺固有特征开发的质量平衡和尺寸模型。有了这些属性，就可以将这种综合决策工具应用于解决以下一系列的问题：与传统不锈钢或一次性批次设施相比，端到端连续设施是否能节省生产成本？生产成本节约的程度是否因规模、公司情景或采用连续生产的程度而异？应在连续设施内优化哪些成本关键参数以确保达到目标成本节约阈值？开发和验证连续工艺的额外工作是否超过了生产成本的潜在节约？这些是需要考虑的重点，以便行业可以就将精力集中在哪里做出明智的决定，从而建立有价值和有竞争力的连续工艺。
详细方法和结果分析，请参考原文。
图1. 本研究中使用的决策工具的结构。CMC 的成本（CCMC-Total）包括与整个药物开发周期的工艺开发、验证和制造活动相关的成本，从临床前试验到提交监管审查许可申请。在本研究中，与商业生产方案相关的COG 通常在一年内计算，除非另有说明。
图2. 图表展示了以下项的流程图、工艺流程和时间表：(a)SS/SU-Batch、(b) SU-EE 和 (c) SU-Hybrid。初步回收 =离心后深层过滤，ProA = ProteinA 层析，VI = 低 pH 病毒灭活，精纯 =阳离子和阴离子交换层析，VRF = 除病毒过滤，UFDF = 超滤/洗滤以及 ILC/ILD = 在线浓缩和在线洗滤。最终浓缩和洗滤步骤上的数字代表随时间生产的QC 批次的数量。当使用灌流细胞培养时，QC批次和放行检测与细胞培养同时进行。
图3. 在 100 kg/年至3000 kg/年的商业规模的四种批次和连续设施类型的基本案例的（a）类别基础和（b）工艺阶段基础上的COG 细分。在这里，假设设施利用率最大化，因此所使用的每个补料分批和灌流反应器每年分别生产约20 批和 10 批。(a) 中的嵌入表指示了每个批次和连续设施的关键设施特征，也可以应用于(b)。在 (a) 中，类别细分包括劳动力、质量控制、耗材、试剂和间接成本。在 (b) 中，工艺阶段细分涵盖了 USP、DSP和 QC 总成本。一个“并行链”被归类为由一个 DSP 链支持的一组USP 反应器。对于连续设施，假设每个灌流生物反应器需要一个专用的DSP 链，并且当超过可用的最大一次性生物反应器尺寸时安装平行链。在该图中：补料分批细胞培养滴度 =5 g/L ，灌流单位体积生产力 = 3 g/L/d。SS-Batch = 不锈钢批次设备，SU-Batch= 一次性批次设备，SU-EE = 一次性端到端连续设备，SU-Hybrid = 一次性混合设备（具有批次和连续单元操作）。
图4. 每个成本类别对在基本案例中建模的总 COG 值的贡献：(a) 100 kg/年的SS-Batch，(b) 100 kg/年的 SU-EE，(c)3000 kg/年的 SS-Batch，(d) 3000 kg/年的SU-EE。CIP/SIP 是指在单元操作和储罐的清洁循环中所需的酸、碱、WFI 和蒸汽。SU-EE 的CIP/SIP 成本不到 1%，因此不可见。
图5. SU-EE 和批次设施之间 COG 百分比差异的敏感性分析。(a)仅改变 SU-EE 的工艺参数时，SU-EE 和SU-Batch 在 100 kg/年时的 COG 百分比差异。(b) 仅改变SU-EE 的工艺参数时，SU-EE 和SS-Batch 在 3000 kg/年时的 COG 百分比差异。(c) 当 SU-EE 和 SU-Batch 的工艺参数发生变化时，SU-EE和 SU-Batch 在100kg/年时的COG 百分比差异。(d) 当 SU-EE 和SS-Batch 的工艺参数发生变化时，SU-EE 和 SS-Batch 在3000 kg/年时的 COG 百分比差异。(e) 在(a) – (d) 中建模的最佳和最坏情况情景中使用的参数值，以及最初在图 3 中建模的基本情况中使用的值。(a) – (d) 中的红色箭头) 显示在相应生产规模下 SU-EE 和批次设施之间的基本情况百分比差异。
图6. 等高线图矩阵显示了 SU-EE 和批次设施之间的COG 百分比差异对不同培养基成本和年需求情景下的单位体积生产力与灌流速率的不同组合的敏感性。虚线显示了SU-EE 提供目标 COG 节约超过 20% 的区域。将100 kg/年的 SU-EE 与 SU-Batch 进行比较，将3000 kg/年的 SU-EE 与 SS-Batch 进行比较。最佳、基本和最差灌流培养基成本的值分别为10 美元/L、19 美元/L和 29 美元/L。在所有情况下，补料分批细胞培养滴度 = 5 g/L，补料分批培养基成本 = 33$/L。
图7. 比较本研究中建模的所有公司规模和设施类型的工艺开发和生产成本。(a) 确保市场成功的 CMC 开发和生产活动成本（CCMC-Total）。(b) 项目生命周期支出费用，以确保市场成功并为市场供应10 年（CLifecycle）。(c) 针对大公司的敏感性分析，以证明连续设施的不同水平的 CCMC-MFG节省或 CCMC-PD的变化如何影响 SU-EE/SU-Hybrid和 SS-Batch 之间的 CCMC-Total百分比差异。(d) 针对大公司的敏感性分析，以证明不同水平的总COG 节省 (CCMC-MFG+ CCOMM-MFG) 或连续设施的 CCMC-PD变化如何影响 SU-EE/SU-Hybrid和 SS-Batch之间的 CLifecycle 百分比差异。(c) 和(d) 中的虚线显示了与 SS-Batch 设施相比，目标成本节约超过 40% 的区域。CCMC-Total= 与整个药物开发周期的工艺开发、验证和生产活动相关的成本，从临床前试验到提交监管审查许可申请。CCMC-MFG= 与 CMC 活动相关的商品总成本，用于生产（预）临床试验和 PPQ 批次的材料。CCMC-PD= 从临床前试验到提交监管审查许可申请的 CMC 工艺开发总成本。CCOMM-MFG = 10 年商业化生产期间的商品总成本，当生产 200 kg/年时。CLifecycle= 一个项目为确保产品成功推出并为市场供应 10 年的总支出费用。此图中显示的所有百分比差异均相对于 SS-Batch。
总结
本文展示了一种集成式药物开发(CMC)和生产(COG)经济学工具的开发，以支持对实施单克隆抗体生产的连续工艺的商业案例进行系统分析。该工具结合了新的设计方程，这些方程是专门开发的，可用于在各种公司场景中，对一次性连续工艺 (混合和端到端)以及批次工艺(不锈钢和一次性)之间的COG进行比较。此外，在连续和批次工艺之间，还产生了用于比较CMC开发和生产活动成本的相关性。这使得确定在商业和临床规模的COG中看到的任何节省是否会被连续工艺可能产生的较高工艺开发成本所超过成为可能。分析强调，当仅需要单个USP和DSP链的较低商业需求时，连续工厂可以节省COG成本。在更大的规模条件下，当并行连续链的实施和培养基成本主导COG时，连续生产的成本效益会降低。连续工艺的商业案例将取决于是否只考虑了CMC的观点，还是贯穿药物开发和商业活动的整个项目生命周期的支出成本。该工具预测，尽管连续工艺的CMC成本在考虑新技术时可能高于批次工艺，但如果考虑整个生命周期的支出成本，连续工艺可能与最佳的批次工艺一样或更有竞争力。一旦建立了面向未来的平台化连续工艺，简化了工艺开发、规模放大和优化，预计这将使连续设施比批次更具吸引力。
原文：H.Mahal, H.Branton, S.S.Farid, End-to-end continuous bioprocessing: impact on facility design, cost of goods and cost of development for monoclonal antibodies. Biotechnology & Bioengineering, 2021, https://doi.org/10.1002/bit.27774.
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