高效的生物工藝開發與優化

實驗設計（DOE）是對實驗進行組織、計劃、執行和統計分析的最具價值的高效方法之一。雖然可以通 過在單一生物反應器內重復實驗獲得DoE結果，但設計開發并行實驗的微型生物反應器系統（如 ambr15 或ambr250系統）為完成DoE提供了更優異經濟的條件。由于工藝開發過程中涉及到眾多互相關聯的參數，如細胞系的建立，培養基篩選以及反應器操作參數的優化等，DoE 逐漸成為獲得工藝知識重要且可或缺的方法。DoE 僅提高了工藝開發效率，還被用于協助確定高品質產品的生產工藝。

實驗設計：有效策略

在生物制藥工藝中，縮短開發時間和降低生產成本是關鍵的目標。在此背景下，工藝分析技術（PAT）工具與靈活可靠的生物工藝開發設備的聯合應用便成了有效優化現有生產工藝和開發新工藝的基礎。FDA鼓勵使用PAT來更好地理解和控制生產過程，基于統計的DoE方法則被廣泛應用于優化條件，用最少時間和實驗量獲得最佳工藝條件的過程中（1）。

DoE概念即根據一系列計劃好的實驗同步改變工藝參數，然后通過一個已驗證的數學模型來說明結果。該模型后續可用于解釋、預測和優化，還可助于更好地理解工藝。對比每次改變一個因素的單因素實驗，DoE方案可以用最少的實驗量獲得最優化得結果，因此可以縮短開發時間，減少人工投入。
基礎培養基和流加培養基組份的優化對形成最佳的重組細胞系生長及合成活性藥物蛋白環境至關重要（2）。另一個影響工藝開發的關鍵目標是優化基本工藝參數，如溫度、pH和溶氧（3）。通常，培養基和工藝參數的優化是密切相關的，DoE正好勝任此類任務（1）。

從培養基和補料開發轉移至工藝優化

除去特定細胞系的產率，培養基對藥物蛋白和單克隆抗體的產量和效價有著重要影響。細胞需要大量和微量營養糖組合，如糖，無機鹽，維生素，氨基酸和其它支持細胞生長和蛋白生產的成份等。由于每一種細胞都具有獨特的營養需求，以及培養基成分復雜，采用具有高通量平行實驗能力的微型反應器系統成為打破工藝開發瓶頸的有力手段。

以往基礎和補料培養基配方的確定是通過逐次改變因素的大量經驗性試驗摸索獲得的（4）。這種方法雖然簡單便捷，但是它忽略了成份之間的相互作用，可能無法獲得最佳配方，而且相當費時。應對的最佳策略就是采用高通量微型反應器結合 DoE 設計方法來縮短培養基開發時間。
除了改進培養基組份，補料控制策略的優化對流加工藝也是有利的。實際方法取決于生物反應器系統本身和細胞系。而一個經典的持續補料的 流加策略已被證明可成功應用于大腸桿菌和巴斯德畢赤酵母的培養。出于控制簡單和可放大的考慮，哺乳動物細胞培養采用階梯式推進補料方法是行業內最普遍的做法（5, 6）。
擁有 12 或 24 個一次性攪拌反應器的新 ambr250 工作站（TAP Biosystems公司，賽多利斯子公司之一），是一種有效的應用于微生物發酵或細胞培養早期工藝開發高通量比例縮小模型。該系統所具備的能力包括連續實時監視和控制關鍵參數，增加的補料取樣選項，使得它比傳統小試和中試反應器相比，具有等效但更高 效的工藝放大效果（7–9）。
自動化工作站的特點是具有一個集成液體處理器，它可以移除一次性容器的蓋子，用于初始培養基的裝載、接種、取樣和補料流加。培養或補料培養基可以通過移液模塊轉移預配方培養基，或者可根據導入的實驗設計數據系統自動配制不同成份的培養基。除了單次流加（10 μL 至 10 mL） 方式，內置泵還允許線性或指數性地連續進料，范圍從 20 nL/h 到20 mL/h。
一旦最主要的培養基成份和它們的最佳范圍被確定，則工藝可以被轉移至一個較大的小試規模系統中進行驗證可放大性，并繼續進行優化操作 參數和工藝條件。
Biostat® B-DCU II 臺式生物反應器（Sartorius Stedim Biotech）是一種專門設計用于六個玻璃反應器或一次性 反應器并行實驗的小試系統。它在行業中被廣泛用于工藝優化和驗證（10）。每個反應器都有獨立的控制參數和自動測量功能。系統經預先配置，可立即使用，并且它們可以用于微生物發酵或細胞培養。

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1.重組蛋白優化表達：案例研究
2. 通向成功的流程
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結論

高通量細胞培養的縮小生物反應器系統，如 ambr15 和 ambe250 系統，可提高篩選的效率與有效性，以及工藝開發和工藝表征的實踐。它們提供 的優勢在于以較小的培養體積同時進行大量實驗的操作。與此同時，小規模的一次性攪拌釜容器能夠提供與大規模生物反應器具有優異可比性的培養環境和生物反應器性能（7–9）。摒棄試錯優化的傳統方式，采用先進的DoE 方法，實現快速、有效的地鑒定關鍵工藝參數，促使成本的顯著降低與開發時間的大量縮減。

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