一次性使用的組件為生物制品的生產(chǎn)帶來了很多優(yōu)勢。它們干凈、買來即用、不需要滅菌，因此也就減少了如沖洗用水系統(tǒng)（WFI）和蒸汽發(fā)生器檢修的需求。一次性的組件不能用于后續(xù)的操作，消除了工藝流程運(yùn)行之間交叉污染的可能性。因?yàn)闇p少或擯棄了對不銹鋼設(shè)備的需求，也可以避免了設(shè)備組裝的長周期。系統(tǒng)的復(fù)雜度降低，因而所涉及的工程需求也同樣減少。再也無需在位清洗（CIP）或在位滅菌（SIP）操作，以及相關(guān)的管道、閥門、控制器或容器的壓力等級。此外，一次性組件的使用還降低了驗(yàn)證的復(fù)雜度。因?yàn)閹缀鯖]有可反復(fù)使用的組件，也就沒有什么項(xiàng)目需要跟蹤，也就節(jié)省了大量的滅菌、清潔驗(yàn)證研究。zui后，通過消除了堅(jiān)固的管道系統(tǒng)和固定發(fā)酵罐的限制，一次性組件還有利于實(shí)現(xiàn)更快速的改裝以便用于新流程的運(yùn)行。一次性組件的使用可在勞力、設(shè)備、廠房設(shè)計(jì)以及驗(yàn)證方面實(shí)實(shí)在在地節(jié)省可觀的費(fèi)用。一次性的組件包括：生物處理袋、管、囊式過濾器、切向流艙、生物反應(yīng)器、層析艙及混合系統(tǒng)。
圖1. 波浪生物反應(yīng)器。20/50EH 系統(tǒng)。
一次性生物反應(yīng)器的使用及放大
在某些應(yīng)用中，灌流式細(xì)胞培養(yǎng)比分批和補(bǔ)料分批工藝更具優(yōu)勢。操作方式的選擇是根據(jù)工藝規(guī)程所的綜合需求。工藝的優(yōu)化常常是評估哪種類型生產(chǎn)zui有效的*途徑。分批是zui常用的以終點(diǎn)為依據(jù)的生產(chǎn)方式。在分批生產(chǎn)方式中，生物反應(yīng)器在接種、培養(yǎng)并達(dá)到的細(xì)胞密度和產(chǎn)品濃度的時(shí)即收集細(xì)胞上清。在補(bǔ)料分批工藝中，在生產(chǎn)流程的晚期進(jìn)行補(bǔ)加原料以改進(jìn)細(xì)胞活力，增加總的產(chǎn)率。在灌流方式中，原料溶液持續(xù)加入生物反應(yīng)器中，用過的培養(yǎng)基也不斷排出。以灌流方式來運(yùn)行工藝能增加培養(yǎng)的持久性和細(xì)胞密度，反過來又增加了整體的生產(chǎn)率3,4,9。我們的目的蛋白，AZ-IL2B，是一個(gè)二聚體融合蛋白，由人IL-2 連接人免疫球蛋白特異針對pIgR 的scFv 區(qū)域而組成6。這個(gè)融合蛋白灌流方式的生產(chǎn)。細(xì)胞產(chǎn)生的蛋白水平較低，而且AZ-IL2B 很脆弱，特別是在37º C。灌流生產(chǎn)所帶來的生產(chǎn)容量增加，以及縮短了不穩(wěn)定蛋白在反應(yīng)器中停留的時(shí)間，都有助于實(shí)現(xiàn)更高的產(chǎn)量。本文總結(jié)了Wave Biotech, LLC所生產(chǎn)的一次性生物反應(yīng)器以灌流方式從25 升 工作體積放大至500升 工作體積的生產(chǎn)放大結(jié)果。我們將比較25 升、100 升和500 升 工作體積的三個(gè)不同系統(tǒng)。對于每個(gè)生物反應(yīng)器的運(yùn)行都測定了以
下參數(shù)，包括：細(xì)胞數(shù)量和活力、產(chǎn)生的蛋白數(shù)量、葡萄糖和乳酸水平。對每個(gè)系統(tǒng)間的這些參數(shù)進(jìn)行了比較，結(jié)果顯示三個(gè)不同體積的生物反應(yīng)器是相當(dāng)?shù)摹?/span>
材料與方法生物反應(yīng)器描述
每個(gè)生物反應(yīng)器由一個(gè)靈活的、一次性的、預(yù)先滅菌的塑料袋組成， 這個(gè)塑料袋稱為細(xì)胞袋(Cellbag®)。在操作中，細(xì)胞袋放置在搖擺平臺(tái)上,充入部分培養(yǎng)基（圖1）。細(xì)胞袋的剩余體積則充入了由二氧化碳（CO2）和氧氣（O2）組成的氣體混合物。這些氣體是通過預(yù)留在細(xì)胞袋上的無菌過濾入口來添加的?？諝饬魈峁┝搜鯕猓约翱刂?/span>pH和去除二氧化碳所需的氣體交換。廢氣則通過另一個(gè)無菌過濾器和背壓控制閥排出。背壓控制閥確保了細(xì)胞袋在任何空氣流下總是充滿的。閥門也防止了細(xì)胞袋的過度膨脹以及爆炸的可能。填充空氣的頂部空間占據(jù)了細(xì)胞袋被填滿時(shí)的一半體積.例如，一個(gè)充滿時(shí)是50 升總體積的細(xì)胞袋將包含25升 細(xì)胞懸液和25 升 空氣?？諝庠谂囵B(yǎng)時(shí)持續(xù)地穿過頂部空間。流程中的氣體，如CO2和O2，以可控的方式與空氣混合。液體混勻以及氣體的物質(zhì)傳遞是通過來回?fù)u動(dòng)細(xì)胞袋而實(shí)現(xiàn)的。這種搖動(dòng)在氣相和液相對分界面產(chǎn)生了波動(dòng)。這些波動(dòng)大大增加表面積，能提高氣體轉(zhuǎn)移。波浪運(yùn)動(dòng)還促進(jìn)細(xì)胞和顆粒離開底部懸?。ǚ乐钩两担┮约按竺娣e混勻，同時(shí)不會(huì)給細(xì)胞帶來任何傷害。搖動(dòng)可以通過設(shè)定搖擺角度和每分鐘的搖動(dòng)次數(shù)來控制。這些參數(shù)必須根據(jù)細(xì)胞袋中的使用體積來確定。細(xì)胞袋的溫度可通過加熱器來控制，此加熱器位于設(shè)備的底盤，對細(xì)胞袋的底部進(jìn)行加熱。加熱器是由同樣位于單元的底盤的非插入式的溫度傳感器來調(diào)節(jié)8。另外還設(shè)計(jì)了特別的接口，以供無菌加料及樣品的取出，而無需將生物反應(yīng)器置于層流柜中?？捎脽o菌的管道連接器將培養(yǎng)基、緩沖液和葡萄糖儲(chǔ)存液加入系統(tǒng)中。使用的生物反應(yīng)器分別為20/50EH 系統(tǒng)、200 系統(tǒng)和1000 系統(tǒng)（WaveBiotech, LLC）。
細(xì)胞解凍與增殖
我們使用了P6A2細(xì)胞系，它是一種基于CHO的懸浮克隆，選擇這個(gè)細(xì)胞株的原因在于其蛋白生產(chǎn)及生長特性俱佳。細(xì)胞在120毫升過濾的培養(yǎng)基中解凍，并放置在150毫升的轉(zhuǎn)瓶內(nèi)。細(xì)胞在轉(zhuǎn)瓶內(nèi)擴(kuò)增，直到有足夠的細(xì)胞來接種更大的轉(zhuǎn)瓶，一直至6升。一旦培養(yǎng)物充分?jǐn)U增，即被轉(zhuǎn)移到細(xì)胞袋中接種。轉(zhuǎn)瓶內(nèi)的細(xì)胞密度維持在約2×105 細(xì)胞/毫升。用于擴(kuò)增的培養(yǎng)基是帶有添加劑的無血清的IS CHO-V (IrvineScientific)。我們使用了血球計(jì)數(shù)器來計(jì)算細(xì)胞數(shù)量，并利用臺(tái)盼藍(lán)染料排除分析來確定細(xì)胞活力。利用Bioprofile® 300A (Nova Biomedical)來分析細(xì)胞培養(yǎng)試劑。pH值是通過細(xì)胞袋探頭進(jìn)行在線測定，或用PHM220 pH計(jì) (Meter Lab)來離線測定。氧氣、二氧化碳、溫度、搖速及搖擺角度是由Wave Bioreactor的控制器來測定并控制的。
細(xì)胞袋接種
細(xì)胞一般以1×105-4×105 細(xì)胞/毫升的密度接種在細(xì)胞袋生物反應(yīng)器中。我們曾以更低的密度（如6×104 細(xì)胞/毫升）接種細(xì)胞，對細(xì)胞生長或生產(chǎn)也沒有不良影響。一旦細(xì)胞在轉(zhuǎn)瓶中充分?jǐn)U增，就進(jìn)行細(xì)胞袋生物反應(yīng)器的接種。這可將轉(zhuǎn)瓶的內(nèi)容物直接轉(zhuǎn)移到生物反應(yīng)器內(nèi)。在此時(shí)，生物反應(yīng)器已經(jīng)充滿了二氧化碳和氧氣，并包含溫暖的培養(yǎng)基 (37° C)。細(xì)胞懸浮液由無菌接管連接到細(xì)胞袋，然后通過無
菌的端口泵入生物反應(yīng)器中。
生物反應(yīng)器里的增殖
細(xì)胞袋中的細(xì)胞能達(dá)到比轉(zhuǎn)瓶更高的密度。這zui有可能是由于細(xì)胞袋內(nèi)溶氧的增加，以及控制pH的能力。在轉(zhuǎn)瓶中， 密度維持在2×105-6×105 細(xì)胞/毫升，加入細(xì)胞袋后， 細(xì)胞的密度增加至8×105-1×106 細(xì)胞/毫升，直到在灌流開始后，P6A2細(xì)胞克隆的密度可高達(dá)3×107 細(xì)胞/毫升。
灌流
一旦細(xì)胞達(dá)到1×106-2×106 細(xì)胞/毫升，即可開始灌流。收集用過的培養(yǎng)基，同時(shí)以相同速率向生物反應(yīng)器中加入新鮮的培養(yǎng)基、養(yǎng)分、調(diào)控pH的緩沖液。這是由生物反應(yīng)器的以重量為基礎(chǔ)的灌流控制器來直接控制的。在這個(gè)細(xì)胞密度下每天的體積交換約為總體積的70-75%。只要細(xì)胞活力高于50%，反應(yīng)器就持續(xù)灌流。一旦細(xì)胞密度達(dá)到約2×107 細(xì)胞/毫升，控制乳酸及其他毒副產(chǎn)物的累積就變得更加困難，反過來導(dǎo)致pH的控制也非常困難。到此階段，要移除部分細(xì)胞從而維持密度在1×107-2×107 細(xì)胞/毫升。每天的體積交換提高至約100%，包括培養(yǎng)基、緩沖液及其他添加劑。利用孔徑為0.2μm的中空纖維微孔過濾柱來灌流細(xì)胞培養(yǎng)上清。
通過ELISA和Western Blot進(jìn)行蛋白分析
AZ-IL2B目標(biāo)蛋白的定量是通過ELISA進(jìn)行的。細(xì)胞培養(yǎng)上清是以一種于檢測和定量AZ-IL2B嵌合體的方法來分析的。細(xì)胞培養(yǎng)上清中的AZ-IL2B通過與包被pIgR區(qū)域特異性抗體的微滴定板的結(jié)合而被捕獲，捕獲的AZ-IL2B通過生物素標(biāo)記的山羊抗人IL-2多克隆抗體（R&DSystems, Inc.）來檢測。鏈親和素-HRP 結(jié)合物（ BD Biosciences,Pharmingen）加入zui后的檢測步驟中。TMB底物溶液加入反應(yīng)中，與
反應(yīng)中存在的酶直接反映并產(chǎn)生顏色變化，這種顏色變化與樣品中AZ-IL2B的量成正比。利用AZ-IL2B標(biāo)準(zhǔn)曲線和質(zhì)量對照來測定細(xì)胞培養(yǎng)上清樣品中AZ-IL2B的量。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的步驟來進(jìn)行western blot分析7。蛋白通過8-16%的Tris-甘氨酸聚丙烯酰胺凝膠電泳進(jìn)行大小分離，并轉(zhuǎn)移到硝酸纖維素膜上。膜與一抗——兔抗人白介素-2 的多克隆抗體（ ChemiconInternational, Inc.）及二抗——堿性磷酸酶結(jié)合的驢抗兔IgG 抗體
（Pierce Biotechnology, Inc.）一起孵育。
圖3. 每天葡萄糖和乳酸水平的化學(xué)分析。WVA、WVB 和WVC 生物反應(yīng)器運(yùn)行的葡萄糖和乳酸水平。
圖4. 每天的蛋白濃度。三個(gè)生物反應(yīng)器運(yùn)行的蛋白水平的比較，以毫克/升表示。蛋白水平通過ELISA 測定。
結(jié)果
生物反應(yīng)器運(yùn)行WVA、WVB和WVC分別指的是Wave Biotech®的
生物反應(yīng)器20/50EH系統(tǒng)、200系統(tǒng)和1000系統(tǒng)。
細(xì)胞計(jì)數(shù)與活力
圖2顯示了每種生物反應(yīng)器的細(xì)胞生長和密度相當(dāng)。生物反應(yīng)器運(yùn)行WVB沒有達(dá)到WVA和WVC那么高的細(xì)胞密度，但是確實(shí)達(dá)到了1.2×107 細(xì)胞/毫升。這是由于在第8天加入了高濃度的葡萄糖后導(dǎo)致的葡萄糖峰（圖3）。1.2×10在運(yùn)行生物反應(yīng)器WVA后，我們發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的培養(yǎng)基配方和投料策略無法支持超過2×107 細(xì)胞/毫升以上的細(xì)胞密度。在細(xì)胞密度達(dá)到3×107 細(xì)胞/毫升后，WVA的培養(yǎng)物的細(xì)胞活力和細(xì)胞生長顯著下降，并無法恢復(fù)，這可能是由于缺乏營養(yǎng)物，以及毒性物質(zhì)的積累，包括培養(yǎng)物中的高水平乳酸（圖3）5。氧合不是一個(gè)問題，因?yàn)槲覀兡苷{(diào)節(jié)向培養(yǎng)物中添加的氧氣量。每個(gè)反應(yīng)器運(yùn)行中的溶氧維持在73-100%。2×10
對于隨后的反應(yīng)器，在細(xì)胞密度達(dá)到1.5×107 細(xì)胞/毫升或更高，乳酸水平達(dá)2.2 克/升或更高時(shí)就將部分細(xì)胞除去。通過去除細(xì)胞和調(diào)整每天的灌流量，生物反應(yīng)器運(yùn)行被延長，收獲了更多的蛋白。WVA需要更長時(shí)間才到達(dá)灌流密度（1.2×106 細(xì)胞/毫升），這可能是由于第6天溫度意外降至25° C。WVA灌流持續(xù)了13天，平均產(chǎn)量為12.5 毫克/升，而WVB灌流持續(xù)了18天，平均為8.3 毫克/升，比WVA多了5天，收獲蛋白也多了6.7克。WVC灌流了16天，平均產(chǎn)量為12.2 毫克/升，比WVA多了3天，收獲蛋白也增加了
16.4克?；盍Φ脑黾蛹吧锓磻?yīng)器運(yùn)行的延長都能使產(chǎn)量更高。
蛋白產(chǎn)量
圖4比較了每個(gè)運(yùn)行的蛋白濃度。WVA的蛋白濃度（37.5 毫克/升）比WVB（15.46 毫克/升）或WVC（27.91 毫克/升）更高，這是由于更高的細(xì)胞密度。每個(gè)反應(yīng)器的整體蛋白產(chǎn)量如下：WVA 7.8克，WVB21.4克，WVC 149.2克。蛋白產(chǎn)量與細(xì)胞密度緊密關(guān)聯(lián)。這個(gè)解釋是合理的，因?yàn)榇嬖诟嗟募?xì)胞，自然也有更多的細(xì)胞生產(chǎn)蛋白。WVB并沒有達(dá)到WVA或WVC那么高的蛋白濃度。這與觀察到的細(xì)胞密度更低是一致的。在圖、5b和5c中，每個(gè)反應(yīng)器運(yùn)行的細(xì)胞密度與蛋白濃度重疊。蛋白濃度的增加與細(xì)胞密度直接相關(guān)。在每個(gè)反應(yīng)器運(yùn)行終止時(shí)確定細(xì)胞活力的減少，以及蛋白產(chǎn)量的減少。
圖5. 蛋白水平與活細(xì)胞密度。細(xì)胞密度與蛋白水平的關(guān)聯(lián)。A. 生物反應(yīng)器運(yùn)行WVA。B. 生物反應(yīng)器運(yùn)行WVB。C. 生物反應(yīng)器運(yùn)行WVC。
葡萄糖和乳酸濃度
每個(gè)運(yùn)行中的葡萄糖和乳酸濃度在圖3中顯示。每個(gè)運(yùn)行的水平基本相似，除了第9天WVB的葡萄糖峰。由于每個(gè)反應(yīng)器運(yùn)行持續(xù)，細(xì)胞密度不斷增加，葡萄糖被消耗，而乳酸增加。每個(gè)運(yùn)行后期葡萄糖濃度的尖峰是由于當(dāng)生物反應(yīng)器葡萄糖水平降低至2.0 克/升時(shí)，添加了50%的葡萄糖儲(chǔ)存液而引起的。
蛋白分析
AZ-IL2B 作為一個(gè)二聚體蛋白，跑膠時(shí)分子量在36-50 kDa。圖6(a)是WVD的Western blot，WVD反應(yīng)器的工作體積為10 升（WaveBiotech 20/50EH系統(tǒng)）。圖6(b)是WVC的Western blot，它的工作體積為500升。圖中通過Western blot對第3天到第9天進(jìn)行了比較，顯示小型反應(yīng)器與大型反應(yīng)器產(chǎn)生的蛋白之間并無區(qū)別。
討論
Wave Biotech的一次性生物反應(yīng)器從25升放大到500升，對細(xì)胞
生長或蛋白生產(chǎn)沒有不良影響。其他影響活力和蛋白產(chǎn)量的因素包括高細(xì)胞密度、不合適的添加劑濃度，以及溫度波動(dòng)。不僅每個(gè)系統(tǒng)規(guī)格所產(chǎn)生的蛋白水平相似，而且產(chǎn)生的蛋白在Western blot分析和生物活性測試（數(shù)據(jù)未顯示）時(shí)也一致。每個(gè)系統(tǒng)的細(xì)胞生長和倍增時(shí)間也是相當(dāng)?shù)?。平均的蛋白濃度與細(xì)胞密度直接相關(guān)。每個(gè)生物反應(yīng)器的葡萄糖消耗量與乳酸產(chǎn)量是類似的。隨著每個(gè)生物反應(yīng)器的運(yùn)行，葡萄糖水平下降，而乳酸水平上升選擇一次性的生物反應(yīng)器實(shí)現(xiàn)了生物反應(yīng)器運(yùn)行之間的快速轉(zhuǎn)換。生物反應(yīng)器的安裝、接種以及處理都很輕松，因此生物反應(yīng)器運(yùn)行的終止以及新反應(yīng)器的接種能在同一天內(nèi)完成。10升、25升和100升生物反應(yīng)器能在標(biāo)準(zhǔn)的8小時(shí)工作日內(nèi)取下并重新接種。500升細(xì)胞袋的清空、填充以及培養(yǎng)基預(yù)熱需要更長的時(shí)間，但生物反應(yīng)器也能在2個(gè)8小時(shí)工作日內(nèi)取下并重新接種。這個(gè)過程很簡單：細(xì)胞袋清空、凈化并拋棄。新的預(yù)滅菌細(xì)胞袋放置在平臺(tái)上，并充入二氧化碳和氧氣。添加培養(yǎng)基并加熱，接著進(jìn)行細(xì)胞接種。10升和25升工作體積的生物反應(yīng)器一般從轉(zhuǎn)瓶中接種。100升和500升的生物反應(yīng)器則從小型
的25升反應(yīng)器中接種。系統(tǒng)從25升到500升的放大不僅簡單而且成比例，只需對體積變
化做出調(diào)整。而培養(yǎng)基配方或添加劑則無需改變。細(xì)胞系在25升、100升和500升反應(yīng)體系中以相似的方式增殖和生產(chǎn)。
圖6. 兩個(gè)生物反應(yīng)器運(yùn)行的Western blot 分析。A. 生物反應(yīng)器運(yùn)行WVD 的工作體積為10 升。
B. 生物反應(yīng)器運(yùn)行WVC 的工作體積為500 升。MWM=分子量標(biāo)準(zhǔn)。
結(jié)論
成功的灌流工藝是在培養(yǎng)物健康與*產(chǎn)量之間達(dá)到平衡。適合*的細(xì)胞生長和對生長有利的因素可能對生產(chǎn)不利。例如，增加灌流速率以去除毒性物質(zhì)會(huì)將產(chǎn)物稀釋到很低的濃度，為下游處理帶來不便，更不用說與灌流增加相關(guān)的商品費(fèi)用增加。對培養(yǎng)基成分、添加劑以及投料策略的調(diào)整可能會(huì)增加灌流的天數(shù)，而不稀釋蛋白的濃度水平。有報(bào)道在生物反應(yīng)器運(yùn)行中采用兩種不同的培養(yǎng)基配方來控制細(xì)胞代謝可降低細(xì)胞生長，同
時(shí)維持其活力，從而延長收獲產(chǎn)物的天數(shù)1。從生物反應(yīng)器中去除細(xì)胞也是一個(gè)選擇，我們將它加入工藝中來控制細(xì)胞密度。這很難頻繁處理，并增加了生物危害的廢料。如果一
種培養(yǎng)基配方能支持早期的快速細(xì)胞生長，然后在生產(chǎn)中控制細(xì)胞生長，那是的。
一次性的生物反應(yīng)器比反復(fù)使用的生物反應(yīng)器在清洗、滅菌、驗(yàn)證、安裝和運(yùn)行之間的轉(zhuǎn)換時(shí)間上更具優(yōu)勢。我們證明了25升、100升和500升 工作體積的系統(tǒng)運(yùn)行在細(xì)胞生長、蛋白產(chǎn)量、葡萄糖消耗以及乳酸生產(chǎn)上是相當(dāng)?shù)摹?/span>
文章來源：BioProcessing™ 雜志
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