病毒系统，如野生型病毒、病毒载体和病毒样颗粒，是现代生物技术和医学的重要组成部分。尽管它们很重要，但由于多种原因，病毒系统的商业规模生产仍然非常低效。计算机策略是改进工艺开发、工艺优化和控制的有前途的途径，但需要对系统进行数学描述。本文回顾了在细胞和生物反应器尺度上生产病毒颗粒的机械建模策略。在许多情况下，来自流行病学和野生型病毒感染动力学等相邻领域的技术和模型可以进行调整，以构建合适的过程模型。然后可以将这些过程模型用于各种目的，例如新工艺操作策略和/或高级过程控制的计算机（在硅）测试。

简介

野生型病毒、病毒载体（例如腺相关病毒 [AAV] 和逆转录病毒以及病毒样颗粒 (VLP) 等病毒系统已成为现代生物技术和医学的重要组成部分。这些系统用于生产疫苗（例如，灭活或减毒全病毒疫苗、病毒载体疫苗和基于 VLP 的疫苗）、疫苗佐剂和抗病毒疗法、基因疗法、重组蛋白生产和药物递送。

许多此类生物治疗药物的成功开发和商业化需要这些病毒系统的大规模和高产量生产。扩大和优化病毒系统生产工艺是目前活跃的研究领域。有些挑战适用于大多数病毒系统，例如下游分离和纯化效率低下，而其它挑战则是特定于系统的，例如重组 AAV (rAAV) 生产的低产量是由于所需遗传物质填充衣壳的效率低下造成的。这些挑战激发了整个生产和开发流程的广泛研究活动，例如，设计和优化细胞系、设计病毒系统本身以促进生产、生物反应器工艺开发和强化，以及提高下游分离工艺的性能。

在病毒系统生产的相关文献中，一个相对“新生”的发展是数学建模方法的发展和应用，以理解细胞和反应器尺度上的生产过程。建模策略在生物技术中的使用已经很成熟，并且对该领域的发展贡献巨大。将建模纳入工艺研究和开发工作流程可以带来多种好处，例如提供对系统中存在的动力学和多变量相互作用的更深入的过程洞察力，从而能够部署先进的过程控制和监控策略，增强工艺优化方法，并指导和加速新型生产策略的发展。

幸运的是，病毒系统生产工艺模型的开发得到了野生型病毒感染、流行病学和化学/生化反应器工程等相邻领域现有文献的极大帮助。在细胞尺度上，对病毒生命周期和感染动力学的详细研究为绘制细胞内过程步骤提供了基础，并可作为初始动力学“估计器”。在反应器尺度上，病毒和细胞之间的相互作用可以是“粗糙”的，并且可以通过类似于用于研究个体或群体规模感染的隔室建模框架的功能形式来近似地模拟。这些个体尺度模型和群体尺度模型是了解疾病进展和特定干预措施（如抗病毒疗法或疫苗接种计划）的影响的常用工具。结合细胞和反应器尺度建模的多尺度方法也常用于类似应用的文献中。

本综述旨在巩固有关上游病毒系统生产动力学建模的现有文献，并概述构建新模型的稳健方法。通过在细胞和反应器尺度上分解所需的模型成分和过程，我们展示了如何使用上述各个领域的信息和策略来制定模型。

细胞尺度模型

模型成分

病毒工艺的细胞尺度模型描述了在单个细胞内绘制病毒生产过程的步骤。具体步骤各不相同，但大体上包括细胞内发生的摄取、拆解、运输、复制、转录、翻译、出芽和释放过程。图 1 概述了通常包含在病毒系统的细胞尺度反应-传输模型中的步骤。

图1. 重组病毒系统的细胞尺度模型中包含的典型步骤。通过 (a) 质粒转染和 (b) 重组病毒感染将基因瞬时递送至宿主细胞。首先，递送基因的质粒或病毒被细胞吸收（摄取），在那里它们逃离内体囊泡（拆解），迁移到细胞核并复制。(c) 通过稳定细胞系生产病毒载体，作为瞬时基因递送的替代方法，用于描述病毒基因的转录、病毒蛋白的翻译、重组病毒系统的组装及其从细胞中的释放. (a) 和 (b) 中所示的瞬时系统也可以包含这些步骤。

在建立细胞尺度模型时，模型步骤的描述大致取决于四个特征：

1.病毒类型：野生型病毒、病毒载体或 VLP 的类型。

2.细胞类型：用于产生病毒的细胞类型，例如 HEK293 等哺乳动物细胞或 Sf9 等昆虫细胞。细胞类型也会影响模型中使用的动力学参数值。

3.基因表达方法：表达目的基因的方法，例如瞬时转染、稳定表达或野生型感染。

4.数据可用性：模型的效用取决于可用实验数据的类型和质量。

与试图了解野生型病毒感染的时间和动态的野生型感染模型不同，重组模型描述了用于疗法或实验用途的病毒载体或 VLP 的细胞生产。尽管重组病毒系统建模是一个相对不太成熟的发展领域，但已经为病毒载体、用于疫苗的减毒病毒和VLP建立了模型。图 2 显示了来自示例细胞尺度重组模型的预测。这项描述瞬时转染 rAAV 系统的工作展示了细胞尺度建模工作流程：在确定反应-传输网络并进行数学公式化后，该模型适合实验数据、验证并用于进行预测。在这种情况下，该模型用于提出操作建议，以增加正确包装的 rAAV 衣壳的比例。

图2. 重组腺相关病毒 (AAV) 生产工艺的动态细胞尺度模型输出。在这项研究中，Nguyen 等人创建了一个描述通过瞬时转染生产重组 AAV (rAAV) 的机械模型。该模型与实验结果相吻合，并用于阐明导致系统产生的完整衣壳比例较低的机制。（b）然后使用这些模型预测来生成关于提高完整衣壳比例的方法的假设，例如在不同时间点添加质粒。

本篇综述的重点是支持细胞尺度病毒建模的数学方法。这些数学策略通常与应用无关，并且可以很容易地应用于野生型或重组系统。

数学方法

细胞尺度模型可以大致分为确定性模型或随机模型。确定性模型忽略了生物系统固有的随机性和“噪声”，并提供精确的预测。虽然从确定性模型中收集到的见解通常很有用，但生物系统本质上是随机的，可以包含随机元素来描述实验中观察到的变化，并更全面地了解系统动力学。Srivastava (2002) 撰写过一本有用的入门书，介绍了将确定性和随机建模方法应用于病毒系统的差异。

确定性建模

病毒系统的确定性模型通常采用常微分方程 (ODE) 或微分代数方程 (DAE) 系统来描述细胞尺度的质量作用动力学。这种方法假设细胞内的物种同质性。图 1 中概述的步骤描述了重组病毒系统基于 ODE 或 DAE 的反应传输模型中通常包含的步骤。重点介绍了三种基因递送和生产方法：(a) 通过质粒转染进行基因递送，(b) 通过重组病毒感染和受体介导的内吞作用进行基因递送，以及 (c) 稳定生产细胞系。请注意，并非所有步骤都与所有病毒系统相关。

对于用于描述图 1 中概述的许多细胞尺度步骤的数学方法没有达成共识。一些数学方法总结在表 1 和表 2 中。方法中的许多差异是由病毒或应用的差异驱动的，但是差异也是由于缺乏对工艺步骤中发生的精确机制的理解造成的，这通常源于实验限制，使得难以提取每个步骤中发生的复杂生物相互作用的颗粒动力学细节。因此，细胞尺度模型中包含的步骤通常描述集中现象。

表 1. 细胞尺度病毒模型中使用的数学方法

表 2. 表 1 中用于描述细胞尺度建模数学方法的变量

例如，考虑组装步骤。病毒组装是一个包含许多子步骤的复杂过程：衣壳蛋白组装，核酸被封装在衣壳内，以及，在某些情况下，病毒获得一层膜外壳。对这些相互作用进行建模是一个活跃的研究领域，并且存在详细的机械和物理模型，可以针对许多病毒和 VLP 系统提供全面的描述。然而，如表1所示，病毒颗粒和VLP的组装率通常在细胞尺度动力学模型中使用Michaelis-Menten动力学、限制底物动力学或热力学方法进行近似模拟。在构建集成的细胞尺度模型时，需要在细节和可计算性之间取得平衡。如果近似准确地预测了步骤的速率和化学计量，则模型结论应该足以进行群体规模的生产力和产品质量评估。

即使步骤的高级数学结构相同，方程的细节也可能不同。例如，多个小组通过跟踪可用于将 mRNA 翻译成蛋白质的核糖体数量来模拟基因表达的转录调控。Binder等人和 Zitzmann 等人的模型包括当 mRNA 与核糖体结合时形成的翻译复合物的 ODE。每个翻译复合物代表一个多聚核糖体，并且在细胞内可用的核糖体数量上设置了一个上限。Aunins等人也使用 ODE 来描述翻译复合物的形成，但包括一个额外的 ODE 来跟踪可用核糖体的数量。Lim等改为使用代数方法，其中根据核糖体的长度将核糖体分配给各种 mRNA。

随机建模

随机效应的传播通常会导致病毒系统中细胞间的异质性。在细胞尺度模型中包含随机元素可以捕获这种异质性，从而对可能的结果范围提供更可靠的评估。对于病毒系统，这些随机效应在低感染复数 (MOI) 时变得更加重要。然而，即使在高 MOI 下，也经常观察到跨越多个数量级的细胞间生产力差异。野生型病毒随机建模是一个活跃的发展领域，已经针对人类免疫缺陷病毒、流感、水疱性口炎病毒 (VSV) 、脊髓灰质炎病毒等建立了模型。

也就是说，这些随机方法尚未广泛应用于重组系统。对于线性系统和在更多底物数量下接近热力学极限运行的系统，确定性和随机方法应该会给出类似的结果。对于某些重组系统，例如具有多个基因组拷贝的单克隆稳定细胞系，这些假设可能成立，并且确定性方法就足够了。然而，对于反应物数量较少或可变的重组系统，例如减毒病毒生产过程，这些假设可能无效，可以考虑随机因素。

原文：C. T. Canova, P. K. Inguva, R. D. Braatz, Mechanistic modeling of viral particle production. Biotechnology and Bioengineering, 2022.