案例分享：生物反應(yīng)器放大計(jì)算工具助力研發(fā)和生產(chǎn)中的工藝放大/縮小

對于早期的實(shí)驗(yàn)室研發(fā)、工藝開發(fā)及優(yōu)化和臨床樣品制備，通常使用規(guī)模較小的生物反應(yīng)器（0.5-20L），但將生物反應(yīng)器從早期研發(fā)的小體積轉(zhuǎn)移到商業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)中所使用的大體積（圖1），保證工藝的放大可行性是連接實(shí)驗(yàn)研發(fā)和商業(yè)生產(chǎn)之間的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。因此，選擇合適的放大策略則是工藝開發(fā)人員面臨的重要挑戰(zhàn)。

圖1. 放大過程中使用的反應(yīng)器設(shè)備示意圖

 

反應(yīng)器放大計(jì)算工具

常見的放大方式有基于P/V恒定、葉尖速度恒定、K_La恒定和混勻時(shí)間恒定等；或綜合考慮多種參數(shù)進(jìn)行放大研究。國際上一些有技術(shù)實(shí)力生物反應(yīng)器開發(fā)和生產(chǎn)供應(yīng)商會提供一些放大模擬軟件以及放大助手等工具，協(xié)助客戶快速高效的進(jìn)行放大工藝參數(shù)計(jì)算，加速工藝轉(zhuǎn)移進(jìn)程。

 

本次實(shí)驗(yàn)使用了反應(yīng)器放大計(jì)算工具（體驗(yàn)方法見下文），嘗試通過P/V值恒定的放大策略，計(jì)算工作體積從300mL到2.0L的參數(shù)設(shè)置。

 

300mL為CloudReady™生物反應(yīng)器（圖2），是迪必爾生物打造的MiniBox系列平行生物反應(yīng)器中第六代顛覆性產(chǎn)品，主要用于各種生物工藝的高通量篩選、研發(fā)和優(yōu)化，更是將生物反應(yīng)器作為一個(gè)數(shù)據(jù)化工具加速工藝進(jìn)程。

 

圖2. CloudReady™平行生物反應(yīng)器

 

工作體積為2L的Opti-Cell mini生物反應(yīng)器（圖3）繼承了迪必爾小型生物反應(yīng)器的靈活性與穩(wěn)定性，通過簡單的模塊替換或配置的變化可應(yīng)用于哺乳動物細(xì)胞、植物細(xì)胞和昆蟲細(xì)胞培養(yǎng)。既滿足科研用戶應(yīng)用場景多樣化的需求，也可以滿足制藥用戶合規(guī)性要求。

 

圖3. Opti-Cell mini生物反應(yīng)器

 

操作流程

本次實(shí)驗(yàn)工藝參數(shù)設(shè)置由 CloudReady™平行生物反應(yīng)器上所獲的數(shù)據(jù)經(jīng)迪必爾自主開發(fā)的反應(yīng)器放大計(jì)算軟件（圖4、圖5）依據(jù)P/V值恒定的原則計(jì)算所得進(jìn)行放大驗(yàn)證。計(jì)算后的主要設(shè)置如表1所示。其中，空氣恒通，DO與氧氣的通氣速率級聯(lián)控制，pH由二氧化碳（酸）通氣速率級聯(lián)控制。

 

表1. 工藝參數(shù)設(shè)置

圖4. 迪必爾自主開發(fā)的反應(yīng)器放大計(jì)算軟件

圖5. 掃描二維碼免費(fèi)體驗(yàn)反應(yīng)器放大計(jì)算工具

 

本次實(shí)驗(yàn)使用CHO-S細(xì)胞，接種密度為5 x 10⁵ cells/mL，在Day 4時(shí)進(jìn)行補(bǔ)料，細(xì)胞繼續(xù)快速生長，Day 5時(shí)達(dá)到本次實(shí)驗(yàn)最高細(xì)胞密度1.59 x 10⁷ cells/mL，細(xì)胞活率99%。隨后由于罐內(nèi)營養(yǎng)物質(zhì)消耗殆盡，細(xì)胞停止生長并開始死亡，活率下降（圖6）。

 

圖6. 培養(yǎng)過程中細(xì)胞密度（VCD）和活率（Via）變化曲線

 

結(jié)論

實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明，在 CloudReady™（500mL）平行生物反應(yīng)器上建立的CHO細(xì)胞培養(yǎng)工藝，通過迪必爾自主開發(fā)的反應(yīng)器放大計(jì)算軟件，最終在Opti-Cell mini生物反應(yīng)器上可以基本實(shí)現(xiàn)CHO細(xì)胞的放大培養(yǎng)，證明反應(yīng)器放大計(jì)算軟件對于反應(yīng)器工藝放大的科學(xué)指導(dǎo)性。但對于最終目的為表達(dá)物的生物工藝來說，需要考量的不僅僅是細(xì)胞密度和活率，還有最終的產(chǎn)量和質(zhì)量。迪必爾應(yīng)用技術(shù)與工程研究中心（CARE）后續(xù)將從CQA（關(guān)鍵質(zhì)量屬性）和CPP（關(guān)鍵工藝參數(shù)）角度進(jìn)一步證明該在線放大工具的可行性。

 

此外，實(shí)驗(yàn)中使用的反應(yīng)器放大計(jì)算工具除了可以進(jìn)行放大工藝（Scale-up）參數(shù)模擬外，還支持縮小工藝（Scale-down）的模擬。后續(xù)將有更多應(yīng)用案例輸出，敬請關(guān)注。