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灌流细胞培养

灌流,或上游连续生物工艺,自1980年代以来一直被行业所采用,以最大限度地提高设施利用率,增强工艺灵活性并降低成本。创新的技术、精密的控制逻辑系统、细胞培养添加物和一次性使用装置的开发极大地简化了灌流方案的实施,使其成为工艺强化和连续工艺的“基石”。

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长期灌流

灌流细胞培养利用细胞截留装置和连续的培养基置换,在较长的时间(通常是几周)内实现并维持更高的细胞密度和活性。细胞截留装置将细胞截留在生物反应器内,同时加入新鲜的培养基,并不断地去除目的产物、废物和营养耗竭的培养基。新鲜培养基补加的速率与从生物反应器中去除产物和耗竭培养基的速率相同。中空纤维膜过滤器是最可靠、也是最常用的膜类型。长时间灌流只是灌流的一种应用,与更短时间的灌流应用(如HPH)形式相比,后者专注于在几天内实现补料分批工艺的强化。此外,灌流也可用于强化种子扩增过程,以减少步骤数,实现更快的整体生产时间。 

开发于1980年代的早期灌流技术,经常会负面地影响细胞健康,且规模放大过程相当复杂,所以尽管其有很大的优势,但并未被行业普遍采用,加上细胞系工程、培养基组成和生物反应器设计的发展使批次和补料分批细胞培养的产物滴度成倍增加,在一段时间内减少了对灌流细胞培养方法的需求。 

而近年来,为降低成本和操作规模,以提高设备产能、吞吐量和产率,人们开始寻求替代性生产策略,这使行业对灌流技术及其优势重新产生了兴趣。而技术创新,如使用新型交替式切向流过滤技术的XCell ATF®,有助于解决历史挑战,并将生产模式转向灌流,已成为现代化上游工艺的关键平台。 

相比补料分批,灌流可使VCD和产量均提高10倍

灌流可在补料分批13 x 106 cells/mL VCD的基础上达到 100-130  x 106 cells/mL VCD。在17天的运行中,灌流培养的细胞活性维持在90%以上,而在补料分批中,活性从第9 天开始下降,至第14-15天时约为70%。灌流培养获得的更高的VCD和活性可转化为更高的总产物产量。灌流工艺可获得约 30-35 g的产量,而补料分批工艺在约15天内达到3g。 

更高的细胞密度,更高的活性 

  • 相比已优化的补料分批工艺,未优化的灌流工艺已可使VCD提高10倍  
  • 灌流可获得更快的细胞生长速率以及更健康的培养 

更高的产量 

  • 相比补料分批,灌流培养中更高的细胞密度和活性可使产量增加10倍  

用于长时间灌流的技术

交替式切向流(ATF)过滤

ATF是一种屡获殊荣的技术,它可以将细胞截留在培养体系内,而同时去除耗竭的培养基。应用时,将 XCell ATF® 设备连接到生物反应器,ATF可最大限度地降低细胞剪切,并保持细胞与生物反应器内容物的恒定平衡,从而获得更快的细胞生长,达到更高的密度和产量。目前,XCell ATF® 设备已经成为单抗和重组蛋白生产的领先灌流设备。

资源

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连续生物工艺:行业最佳实践 第2册 

连续生物工艺:行业最佳实践 第1册 

Special Report on Continuous Bioprocessing: Upstream, Downstream, Ready for Prime Time?
Angelo DePalma
BioProcess International, 2016年5月

Continuous Manufacturing: A Changing Processing Paradigm
Randi Hernandez
BioPharm International,2015年4月01日

A Novel Seed-Train Process: Using High-Density Cell Banking, a Disposable Bioreactor, and Perfusion Technologies
Benjamin Wright, Mike Bruninghaus, Mike Vrabel, Jason Walther, Neha Shah, Seul-A Bae, Timothy Johnson, Jin Yin, Weichang Zhou & Konstantin Konstantinov
BioProcess International,2015年3月

Developing an Integrated Continuous Bioprocessing Platform: Interview with Konstantin Konstantinov 
Maribel Rios
BioProcess International,2012年12月

A Brief History of Perfusion Biomanufacturing: How High-Concentration Cultures Will Characterize the Factory of the Future
John Bonham-Carter & Jerry Shevitz
BioProcess International,2011年10月