从不锈钢生物反应器到固定床生物反应器的创新显示了上游优化的演变。

优化细胞培养反应的需求推动了生物反应器设计的创新。细胞培养过程必须稳健且可放大，而且经济。审视固定床生物反应器 (FBB) 有助于了解它们对工艺开发和生物药生产规模放大的影响。

FBB vs. STR 

Univercells Technologies 高级营销和产品经理 Alex Chatel 解释说，回顾用于生物工艺的生物反应器的历史，从广义上讲，第一批生物反应器是从化学工业发展而来的。这些早期的生物反应器是大型不锈钢搅拌罐 (STR) 生物反应器，专为生物制品的工业生产而设计。

“虽然它们提供不同的大小和规模，但它们缺乏灵活性并且需要大量的清洁制度（以及相关的质量保证和控制活动）。为了适应更大的灵活性、减少运营和资本支出以及降低商业化风险，开发了新型一次性 STR，”Chatel 说。

一次性 STR 在每批运行后废弃，无需清洁制度，从而减少了对硬管道、清洁设施和其他相关人员的需求。Chatel 指出，虽然是一种改进，但 STR 设计本身本质上是不可线性放大的，并且不太适合处理精细的细胞或工艺，尤其是在规模上。他说，这种限制导致复杂且耗时的放大研究。

Chatel 解释说，在 STR 中，细胞悬浮在液体培养基中，并通过叶轮不断混合。然而，在一次性 FBB 中，细胞被“包裹”在固体但多孔的基质中，并且细胞的密度要高得多。与 STR 不同，细胞不会在FBB的生物反应器周围移动，而是叶轮在整个固定床基质中循环含有营养物质的培养基。

“生物质固定化有几个优点，例如为细胞生长和敏感产品提供低剪切环境，以及消除灌流过程对细胞截留装置的需求，”Chatel 说。他继续解释说，第一代 FBB 由随机填充的床矩阵组成。根据 Chatel 的说法，这种结构可能存在问题，因为它为细胞锚定和生长提供了一个不均匀的环境，从而导致生产力和产品质量的变化。然而，较新的 FBB 提供了具有均匀三维环境的结构化固定床，确保均匀的细胞分布和生长。这些较新的 FBB 同样适用于血清和无血清条件下的贴壁细胞和悬浮细胞。

最后，结构化 FBB 在设计上具有可放大性，并提供比传统 STR 更高的吞吐量，这一优势可实现经济高效的生产。“在 Univercells Technologies 进行的一项研究中，在 [FBB]（scale-X nitro 600，Univercells Technologies，具有 600 m2的生长表面和 60 L 工作体积）中生产 AAV-2 [腺相关病毒-2]，在生产率上等同于 3,600 L 的 STR 产能，与 STR 工艺相比，商品成本 (CoG) 降低了 24%，”Chatel 说。

Pall 的 iCELLis 生物反应器全球产品经理 Andrew Laskowski 强调了 FBB 是紧凑型上游生产技术，已针对贴壁细胞培养进行了优化的概念。这些生物反应器的主要特征是固定化表面，细胞可以在其中粘附和增殖。FBB 主要用于生产病毒载体或病毒疫苗，Laskowski 评论道。

“这些产品也可以使用传统的不锈钢或一次性搅拌生物反应器在悬浮细胞中生产，但悬浮工艺需要额外的开发时间来驯化悬浮细胞系，而且产品滴度通常低于贴壁细胞工艺。因此，FBB 使公司能够以更高效的流程更快地将产品推进至临床，”Laskowski 观察到。

顺应工作流程

由于 FBB 主要用于生产病毒载体、病毒疫苗和其他由贴壁细胞表达的基于细胞的产品，这些生物反应器通过简化无菌培养基添加、细胞添加和感染/转染来简化大规模工作流程，Laskowski 指出. “细胞被固定在固定床的表面，使 FBB 能够充当天然的细胞截留装置，促进灌流的轻松实施，”他说。

Laskowski 还指出，FBB 有助于简化下游纯化工艺，因为固定床可作为浑浊生物分子的天然尺寸排阻过滤器，从而减少进一步下游澄清的需要。

Chatel 补充说，一些结构化 FBB（例如 scale-X 系列生物反应器，Univercells Technologies）也可以进行细胞收获，这意味着它们可用于生成更大规模系统的接种液。“因此，它们在生物生产过程中发挥着核心作用，因为上游技术的选择会显著影响生产过程的其余部分，”他说。

FBB 为整个生物生产过程带来了特定的优势。例如，它们提供了一个完全封闭的自动化细胞培养系统，并且在占地面积小的情况下包含用于细胞附着的大表面积，Laskowski 解释道。此外，FBB 与分析技术相结合，例如 pH 传感器、溶氧传感器、温度传感器，以及（对于 iCELLis 生物反应器，Pall）用于测量细胞密度的生物质传感器。

“与传统的 2D 平面生产方法相比，固定床生物反应器的这些特性可降低劳动力和运营成本、工艺占地和设施利用率，降低因开放式处理造成的污染风险，并提高工艺保证、一致性和稳健性，”Laskowski 断言。

Chatel 说，结构化 FBB 也得到了高度强化，这意味着对于同等的生产吞吐量，工作体积比 STR 小得多。他解释说，由于细胞团固定在固定床内，单位体积的细胞密度急剧增加，从而实现了这一结果。

此外，细胞生长支持基质可以充当过滤器，帮助从细胞碎片和其它工艺杂质中预先澄清收获物料。然而，最重要的是，FBB 为细胞生长提供了一个低剪切、均质的微环境，这通常会导致更高的生产力（已观察到两到四倍的提高）。“因此，与等效的 STR 工艺相比，由此产生的收获不仅更集中于产品和更高质量，而且体积大大减少，从而简化了下游工艺，”Chatel 说。

应对规模放大

Chatel 解释说，生物生产工艺的放大通常是分步进行的，关键工艺参数和产品质量属性在越来越大的规模上得到确认。“对于基于 STR 的工艺，实验室和最终规模之间的体积变化可能是 100 到 1,000 倍。扩大规模的活动通常是经验性的、耗时的，并且可能导致在达到最终规模和达到目标生产率之间进行权衡”他说。

然而，当使用 FBB 进行放大时，体积的变化不会超过几十升。“固有的可放大生物反应器设计也显著简化了过程，从而加速并降低了放大的风险，”Chatel 补充道。

同时，Laskowski 指出，FBB 是目前可用于培养贴壁细胞的最具放大性的技术。他解释说，与横向规模扩展而不是纵向规模放大的 2D 扁平培养器皿不同，FBB 有许多不同的尺寸可供选择（例如，iCELLis 生物反应器，Pall，尺寸从 0.5 m2到 500 m2不等）。“这些不同规模的性能得以保持，即通过增加容器的直径但保持固定床的几何形状和细胞培养基通过固定床的线速度。与 2D 扁平器皿相反，随着 FBB 批次大小的增加，操作员的数量和工艺占地保持相对不变，为使用 FBB 的生产商提供规模经济的优势，”Laskowski 说。

在工艺开发方面，FBB 有一些影响。正如 Laskowski 指出的那样，FBB 需要一些额外的前期资本投资来购买工艺开发规模的硬件和自动化系统。他估计投资成本约为 100,000 美元。他说，在最初的资本投资之后，每批次的原材料成本与类似规模的扁平培养器皿相当。

然而，使用 FBB 进行工艺开发具有显著优势。Laskowski 指出，可以使用提供的分析工具更好地优化细胞生长和生产的培养条件。“生物反应器是完全自动化的，”他说，“让科学家有时间从事其它项目。”

最后，Laskowski 补充说，FBB 中优化的工艺可以更轻松地放大以生产临床或商业批次，从而使 FBB 用户能够更快地实现重要的里程碑。“例如，正如他们在 2019 年 ASGCT 的一次演讲中所披露的那样，诺华的基因疗法使用 iCELLis 生物反应器在不到 38 个月的时间内将其基因治疗产品 Zolgensma 商业化，”Laskowski 说。

与此同时，Chatel 解释说，细胞可以很好地适应结构化 FBB 中的保护环境，这意味着从较小规模的实验室系统或其它生物反应器进行的初始工艺转移简单有效，具有同等性能，无需进行工艺优化的额外步骤。因此，他强调说，简化了从台式工艺到临床和商业生产的转移。他特别提及了一项研究，其中使用悬浮人胚肾 293 (HEK293) 细胞系在 2-L STR 中生产腺病毒产物的工艺被转移到台式系统（scale-X hydro， 2.4 m2，Univercells Technologies）。该过程在不到九个月的时间内扩大到商业生产（scale-X nitro，200 m2，Univercells Technologies），同时增加了产品滴度。

因此，FBB 实际上在帮助优化整体生物生产方面发挥着双重作用。它们在上游传递体积和工艺开发优势，同时还生产在细胞收获之前经过初始过滤的目标产品。因此，可以在生产生命周期的早期看到对下游工艺的影响。