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淺析基因治療行業(yè)產(chǎn)能需求與生產(chǎn)工藝挑戰(zhàn)

 

近年來(lái)，依賴(lài)于基因載體的基因療法和基因修飾的細(xì)胞療法正在成為新型治療手段而被廣泛研究?；蛑委熤感薷娜说幕蛞灾委熁蛑斡膊〉募夹g(shù)，具體指的是將一種新的或經(jīng)過(guò)改造的基因?qū)塍w內(nèi)有助于治療某種疾病，例如對(duì)致病基因的替換或者失活?；蛑委熆煞譃?span style="box-sizing: border-box; outline: 0px; text-decoration: underline;">體內(nèi)基因治療（將攜帶治療性基因的病毒或者非病毒載體直接遞送到患者體內(nèi)，如AAV和溶瘤病毒）和體外基因治療（將患者的細(xì)胞在體外進(jìn)行遺傳修飾后回輸，如CAR-T免疫細(xì)胞治療）。
 

根據(jù)ASGCT 2022 Q4報(bào)告顯示，截至2022年末，全球累計(jì)有2,053個(gè)基因治療管線(xiàn)（包括基因治療及基因修飾的細(xì)胞治療），其中284個(gè)項(xiàng)目處于II期及之后，6個(gè)項(xiàng)目處于上市前注冊(cè)階段（NDA）。2022年，3款A(yù)AV基因治療產(chǎn)品上市，分別是PTC公司開(kāi)發(fā)的治療AADC缺乏癥的Upstaza，BioMarin公司開(kāi)發(fā)的治療A型血友病的ROCTAVIAN，以及CSL Behring & uniQure共同開(kāi)發(fā)的治療B型血友病的HEMGENIX。大量臨床中后期的基因治療產(chǎn)品，逐步加速上市的AAV基因治療管線(xiàn)，共同催生了業(yè)界對(duì)大規(guī)?；蛑委煯a(chǎn)能的需求。

 

 

隨著基因治療行業(yè)的發(fā)展，對(duì)產(chǎn)能的討論一直不絕于耳，本文淺析基因治療行業(yè)的產(chǎn)能需求思考與生產(chǎn)工藝挑戰(zhàn)。

 

 

基于AAV的基因治療產(chǎn)品究竟需要什么樣的產(chǎn)能需求

產(chǎn)能需求來(lái)自臨床需求，目前的AAV基因治療產(chǎn)品主要適應(yīng)癥包括眼科疾病、耳科疾病、血友病、肌肉骨骼疾病、心血管疾病、神經(jīng)系統(tǒng)疾病、代謝疾病等。根據(jù)適應(yīng)癥的不同，AAV的臨床用藥方式迥異，但多以臟器原位注射（如視網(wǎng)膜下注射、腦內(nèi)注射等）和系統(tǒng)注射（如靜脈注射、腦脊液注射）為代表。
 

 

在不同的注射方式中，AAV的臨床用量差異較大，根據(jù)Pfizer公司的一份報(bào)告顯示：

 

1、為局部注射而生產(chǎn)的 AAV，例如在眼科適應(yīng)癥中，只需要大約每劑約10¹¹的病毒顆粒 (vg)，例如，Luxturna的劑量是每只眼睛1.5×10¹¹vg；

2、為腦內(nèi)注射的而準(zhǔn)備的AAV載體則需要約10¹²的病毒顆粒(vg)；

3、為全身遞送而生產(chǎn)的 AAV，估計(jì)需要每劑10¹⁴-10¹⁵的病毒顆粒(vg)，例如，對(duì)于Zolgensma，9公斤的患者需要10¹⁵病毒量，而治療杜氏肌營(yíng)養(yǎng)不良癥 (DMD)的患者可能需要4×10¹⁵病毒量。

 

 

根據(jù)臨床用量來(lái)計(jì)算生產(chǎn)需求，九游會(huì)j9可以得知。對(duì)于眼科等局部病毒遞送的適應(yīng)癥而言，只需生產(chǎn)10¹⁶-10¹⁷vg病毒即可滿(mǎn)足10,000名患者接受基因治療療法；但是，對(duì)于大量的需要全身遞送載體的基因治療適應(yīng)癥，如血友。蛐枰10¹⁹-10²⁰的病毒才能夠滿(mǎn)足10,000名患者接受基因治療療法，這對(duì)于目前的AAV基因治療產(chǎn)能而言是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。

 

根據(jù)CELL & GENE THERAPY INSIGHTS最近的一份綜述分析，假設(shè)10,000名治療杜氏肌營(yíng)養(yǎng)不良癥（DMD）患者接受AAV基因治療療法，按照目前的生產(chǎn)產(chǎn)率計(jì)算，該患者群體所需要的AAV總量大概需要80個(gè)3,000L一次性生物反應(yīng)器，以每年20批次的效率來(lái)產(chǎn)出，大致相當(dāng)于目前全球總產(chǎn)能的三倍。這凸顯了目前基因治療載體產(chǎn)能的嚴(yán)重不足，McKinsey于2022年的一份報(bào)告顯示，全球病毒載體CDMO都在近幾年投入重金擴(kuò)大產(chǎn)能。
 

▲圖片來(lái)源：McKinsey官網(wǎng)

 

解決產(chǎn)能困境的方式主要包括臨床用量的降低和AAV生產(chǎn)能力的提升，前者的解決方案依托對(duì)AAV遞送效率的提升和研究，下文重點(diǎn)分析如何通過(guò)先進(jìn)工藝開(kāi)發(fā)提高AAV產(chǎn)量，滿(mǎn)足未被滿(mǎn)足的臨床需求。
 

 

AAV基因治療產(chǎn)品GMP生產(chǎn)的工藝開(kāi)發(fā)要點(diǎn)

 

AAV的生產(chǎn)工藝主要包括上游細(xì)胞培養(yǎng)（以經(jīng)典的三質(zhì)粒轉(zhuǎn)染哺乳動(dòng)物細(xì)胞生產(chǎn)體系為例）和下游病毒純化工藝，提高上游產(chǎn)量和下游得率是AAV生產(chǎn)工藝開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)。

 

1 優(yōu)化細(xì)胞培養(yǎng)方式，主要分為懸浮培養(yǎng)和貼壁培養(yǎng)

 

兩類(lèi)方式有著各自的優(yōu)缺點(diǎn)：懸浮培養(yǎng)的無(wú)菌控制簡(jiǎn)單，放大難度中等，放大規(guī)模大；微載體培養(yǎng)的無(wú)菌控制簡(jiǎn)單，放大規(guī)模也大，但是其放大難度高；細(xì)胞工廠培養(yǎng)放大難度低，但難以無(wú)菌控制和放大規(guī)模有限；滾瓶培養(yǎng)與細(xì)胞工廠培養(yǎng)特點(diǎn)類(lèi)似；固定床培養(yǎng)無(wú)論是無(wú)菌控制，還是放大難度和規(guī)模都處于中等程度。

 

早期AAV產(chǎn)品的病毒載體培養(yǎng)方式采用貼壁培養(yǎng)為主（如細(xì)胞工廠），隨著技術(shù)進(jìn)步和工藝提升，基于無(wú)血清、HEK293細(xì)胞的大規(guī)模懸浮培養(yǎng)技術(shù)，憑借可放大性好、靈活性高的優(yōu)勢(shì)成為AAV大規(guī)模GMP生產(chǎn)的關(guān)鍵工藝。此類(lèi)生產(chǎn)中，提升單細(xì)胞產(chǎn)量是AAV生產(chǎn)的關(guān)鍵，工藝開(kāi)發(fā)者需要通過(guò)建立轉(zhuǎn)染方案、優(yōu)化培養(yǎng)條件、控制細(xì)胞密度及聚集體，以實(shí)現(xiàn)細(xì)胞穩(wěn)健生長(zhǎng)、較高病毒滴度及較高實(shí)心率的達(dá)成。

 

 

2 優(yōu)化下游收獲和純化工藝

 

如果所生產(chǎn)載體都表達(dá)在細(xì)胞外，則生產(chǎn)工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，生產(chǎn)人員只需要收集細(xì)胞培養(yǎng)上清，配合下游純化手段獲得載體。然而，大部分基因治療載體同時(shí)存在于胞內(nèi)和胞外，因而要獲得大量病毒，就必然涉及細(xì)胞裂解過(guò)程。病毒收獲工藝復(fù)雜，其中涉及細(xì)胞與上清的分離，因此，優(yōu)化病毒收獲時(shí)間、裂解條件等，對(duì)于提升病毒得率同樣重要。

 

在獲得病毒混合液之后，生產(chǎn)人員還需要借助過(guò)濾、濃縮、層析三個(gè)環(huán)節(jié)完成病毒的下游純化。過(guò)濾分成切向流過(guò)濾、深層過(guò)濾和表面過(guò)濾，目的是為了去除細(xì)胞、細(xì)胞碎片和沉淀聚集物。濃縮的目的是回收病毒載體，同時(shí)去除培養(yǎng)基中的鹽類(lèi)。層析技術(shù)則常通過(guò)離子交換層析、尺寸排阻層析等方式完成。

 

在層析精純工藝中需要考慮電導(dǎo)優(yōu)化，載體片段長(zhǎng)度，洗脫條件等。在運(yùn)用分子篩復(fù)合模式層析時(shí)，特別注意分子篩的孔徑大。ū曄犢拙獨(dú)錳囟ǖ鞍捉脅饈裕，提前用已有的病毒對(duì)孔徑進(jìn)行分析，否則病毒容易卡在分子篩中，造成產(chǎn)品損失。三種工藝需要相互配合，來(lái)確保病毒載體的純度與數(shù)量。

 

3 基因治療產(chǎn)品的大規(guī)模生產(chǎn)更加注重“質(zhì)量源于設(shè)計(jì)”（“QbD”）的工藝開(kāi)發(fā)理念

 

大規(guī)模生產(chǎn)成本高、周期長(zhǎng)、難度大，對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量控制同樣有很大挑戰(zhàn)，基于質(zhì)量源于設(shè)計(jì)的理念開(kāi)發(fā)生產(chǎn)工藝尤為重要。通過(guò)預(yù)先危害分析（PHA）風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估篩選關(guān)鍵質(zhì)量屬性（CQA），工藝開(kāi)發(fā)人員即可快速鎖定關(guān)鍵參數(shù)開(kāi)展優(yōu)化工作。參數(shù)多種多樣，包括病毒顆粒數(shù)、基因組滴度、殘留核酸酶、殘留質(zhì)粒、宿主蛋白殘留等，參數(shù)的好壞會(huì)直接影響產(chǎn)品在臨床試驗(yàn)過(guò)程中的安全性與有效性。
 

▲圖片來(lái)源：Kumar Sumit, et al., 2012

 

 

2,000L超大規(guī)模一次性工藝的基因治療載體生產(chǎn)體系如何打造落地

 

目前，基于中小體系（50L-200L）懸浮細(xì)胞培養(yǎng)的AAV病毒載體生產(chǎn)已相對(duì)成熟，但面向未來(lái)基因治療產(chǎn)品商業(yè)化的多樣需求、大規(guī)模需求，藥物開(kāi)發(fā)者應(yīng)考慮保證高產(chǎn)量和高可靠度的病毒載體大規(guī)模GMP生產(chǎn)體系，500L、1,000L、2,000L的生產(chǎn)體系正當(dāng)時(shí)。

 

一次性使用系統(tǒng)因其污染風(fēng)險(xiǎn)少、清潔驗(yàn)證成本低、工藝轉(zhuǎn)化和靈活性高等特點(diǎn)，在生物制藥行業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用， 幫助制藥企業(yè)大大縮短生產(chǎn)時(shí)間，提高了藥物研發(fā)速度。作為生物技術(shù)生產(chǎn)的核心，一次性生物反應(yīng)器自然成為使用的焦點(diǎn)。

 

九游會(huì)j9生物基于歷史項(xiàng)目研發(fā)、生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，在即將開(kāi)幕的和元生物臨港產(chǎn)業(yè)基地布局全面的GMP級(jí)懸浮工藝大規(guī)模生產(chǎn)平臺(tái)，可提供經(jīng)濟(jì)、高效、規(guī)模化的整體解決方案：

 

• · 基因載體生產(chǎn)平臺(tái)按照FDA、EUGMP、CGMP和BSL-2的法規(guī)要求進(jìn)行設(shè)計(jì)、對(duì)人流、物流、產(chǎn)品流、廢棄物流進(jìn)行單向流的設(shè)計(jì)，最大限度降低不同產(chǎn)品間的交叉污染、混淆和差錯(cuò)的風(fēng)險(xiǎn)；
•  
• · 智能化生產(chǎn)體系采用SKADA控制系統(tǒng)，能夠提供數(shù)據(jù)控制、分析、監(jiān)控的流程自動(dòng)化，為更高產(chǎn)率的載體生產(chǎn)和控制提供全面保障；
•  
• · 九游會(huì)j9生物在產(chǎn)線(xiàn)的全面性設(shè)計(jì)上，與行業(yè)主流供應(yīng)商合作分別推出了基于Sartorius、Thermo Fisher、Cytiva的全面、多樣化解決方案，從培養(yǎng)基和緩沖液的不同規(guī)模配置體積、上下游不同處理能力的設(shè)備和設(shè)施、在產(chǎn)能的設(shè)計(jì)上實(shí)現(xiàn)20L-2,000L的生產(chǎn)。

 

 

 

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和創(chuàng)新紀(jì)元

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九游會(huì)j9智造精準(zhǔn)醫(yī)療產(chǎn)業(yè)基地開(kāi)業(yè)盛典

2023年4月21日

中國(guó)·上海

 

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