Xu S , Gavin J , Jiang R ,et al.Bioreactor productivity and media cost comparison for different intensified cell culture processes[J].Biotechnology Progress, 2017, 33(4).DOI:info:doi/10.1002/btpr.2415.

介紹：

采用同一培養基對同一株CHO細胞系進行補料培養（fed-batch正常接種密度）或補料培養（fed-batch，N-1灌流再高接種密度）、灌流和濃縮補料批培養（CFB）三種細胞培養操作模式的評價。可比較的細胞比生產率(補料批：29.4 pg/cell/day；N-1灌流補料批：32.0 pg/ cells /day；灌流：31.0 pg/細胞/天；在相同的培養基條件下，CFB為20.1 ~ 45.1 pg/cell/day)。灌流（高達2.29 g/L/day）和CFB（高達2.04 g/L/day）的生物反應器生產率遠遠高于補料批培養（范圍為0.39至0.49 g/L/day）。此外，發現灌流產生的每克抗體的培養基成本與補料批的培養基成本相當；而CFB因其培養時間短，其培養基成本高。只要達到足夠的生物反應器生產率，灌流過程的培養基成本甚至可以低于補料工藝。

目前，大部分的生產能力是為補料批工藝建立的。補料批工藝的峰值細胞密度在20-30×10⁶個細胞/mL，18天內達到了>10g/L的高滴度水平。灌流工藝傳統上用于生產不穩定的產品，如酶產品。在灌流培養中，連續培養基交換用于減少產物在生物反應器中的停留時間，灌流速率可根據特定產品和/或工藝要求而變化。

由于對成本和空間減少以及設施靈活性的期望，基于灌流的工藝強化在上游培養中獲得了相當大的動力。通常可以實現50-60×10⁶個細胞/mL的穩定細胞密度，最近有報道稱，在每個生物反應器每天2個培養基交換體積（vvd）下，單克隆抗體生產的生物反應器生產率高達4g/L/天。在維持1.9 g/L/day的生物反應器生產力的同時，還可以實現15 pL/ cells /day的極低細胞特異性灌流率（CSPR）（培養基交換率為1 vvd）。濃縮補料（CFB）工藝也采用培養基交換來保持較高的細胞密度，同時保留生物反應器中的產物。

本文展示了使用相同的基礎培養基和補料液，開發具有高生物反應器生產率的不同細胞培養工藝（補料、灌流和CFB）。進一步比較了不同工藝模式下的生物反應器生產率及其相關的培養基成本。

三種不同工藝模式

不同工藝模式下的細胞培養性能

均采用相同的3 L生物反應器配置：補料、灌流和濃縮補料（CFB）。在所有三種工藝模式中都使用了相同的基礎培養基和補料（feed-a和feed-b）。

補料批培養

補料批培養數據

補料批方式接種密度為0.5或2×10⁶個/mL。在2×10⁶個細胞/mL的條件下使指數生長期縮短2天，第8天密度達到峰值，而不是在0.5×10⁶細胞/mL的接種密度條件下第10天。兩種條件下的峰值細胞密度均在20.2-26.2×10⁶cells/mL范圍內。0.5×10⁶個細胞/mL接種密度條件下，最終存活率為92.5±0.9%，2×10⁶個細胞/mL接種密度條件下，最終存活率為82.4±4.8%。在早期指數階段產生有限的抗體。兩種條件下，從指數期到穩定期的后期，產品滴度均以每日0.55-0.63g/L的速率增加，表明兩種條件下的生產速率具有可比性。第14天滴度為5.4±0.1 g/L（qP為29.4±2.2 pg/cell/day）和6.8±0.2 g/L (qP為32.0±2.3 pg/cell/day)

生物反應器容量產率計算為最終生物反應器滴度除以培養時間。2×10⁶細胞/mL接種密度條件下的體積產率（VPR）高于0.5×10⁶細胞/mL接種密度條件下的（0.49±0.01 g/L/d vs.0.39±0.01 g/L/d)，主要是因為它縮短了初始生長階段的時間，延長了生產階段。高接種密度條件下，補料量以葡萄糖水平為基礎，與細胞密度有關，因此補料量較高。0.5×10⁶個細胞/mL接種密度條件下，平均補料量為48%（占生物反應器初始體積的百分比），2×10⁶個細胞/mL接種密度條件下，平均補料量為52%。這可能是在2×10⁶個細胞/mL接種密度條件下qP略高的原因。

灌流培養

灌流培養數據

整個灌流培養過程中保持>85%的高活力。在基礎培養基條件下，平均細胞密度維持在44.0±4.1×10⁶個細胞/mL，從第8天到第32天的日生產力為0.70±0.04 g/L/天。在灌流培養中，由于產品直接從灌流側收獲，因此生物反應器的體積生產力計算為灌流滴度×灌流率。到灌流培養結束時，每日產物收獲率（灌流滴度/生物反應器滴度）仍在80%。

在基礎培養基+補料條件下，隨著細胞密度的增加，逐漸加入feed-a作為交換培養基的一部分，同時總交換培養基保持1vvd。增加總培養基交換中feed-a的含量，直到第12天達到總培養基交換的10%，并在剩余的培養時間內保持該水平。隨著補料添加量的增加，平均細胞密度增加到73.9±5.4×10⁶個細胞/mL，每日生物反應器體積生產力增加到2.29±0.28 g/L/day。與僅在基礎培養基條件下相比，增加培養基可提高穩定細胞密度和滴度。

總體而言，細胞特異性生產力從16.0±1.2 pg/cell/day增加到30.1±2.3 pg/cell/day。結果表明，在基礎培養基+補料條件下，生物反應器生產率提高了230%。

濃縮補料批（CFB）

濃縮補料培養數據

與灌流過程類似，對僅基礎培養基條件和基礎+補料條件進行評估。添加額外的補料可提高細胞培養性能和體積生產力。僅在基礎培養基條件下，峰值細胞密度達到72.0±9.6×10⁶個細胞/mL，第18天的上清滴度為12.2±0.6 g/L。對于基礎培養基+補料條件，在培養基交換中評估兩種不同的補料量：條件1使用6%的feed-a和2%的feed-b，條件2使用8%的feed-a和8%的feed-b。條件1產生的峰值細胞密度為117.4×10⁶個細胞/mL，第18天的上清滴度為21.4 g/L。條件2的峰值細胞密度為83.4×10⁶個/mL，第18天上清滴度為36.7 g/L。在條件2中，當feed-a和feed-b的添加量增加時，細胞比生產力顯著提高到45.1 pg/cell/day。獲得的qP與高生產率補料批工藝中報告的水平相似。雖然基礎培養基+補料條件下的存活率下降速度快于單獨純基礎培養基條件，但最終存活率仍維持50%~70%。在相同的培養條件下（例如，僅基礎培養基條件），基于ATF的CFB工藝（50kD）可以產生比灌流（0.2µm）更高的活細胞密度。

細胞特異性生產率、生物反應器生產率和產品質量

為了比較不同工藝間qP和VPR的差異，當僅使用基礎培養基時，批培養、灌流和CFB處理的qP范圍為14.7-17.1 pg/cell/day。批量培養的VPR僅為0.08 g/L/day，而灌流和CFB工藝由于保持了較高的細胞密度，VPR在0.68 - 0.70 g/L/day之間。補料培養qP提高到29.4 ~ 32.0 pg/ cells/ day，VPR達到0.39 g/L/day （0.5×10⁶個細胞/mL接種密度）或0.49 g/L/day（2×10⁶個細胞/mL接種密度），N-1灌流的高接種密度提高了VPR，因為它縮短了生長期的時間，延長了生產力高的穩定期的持續時間。然而，在灌流和CFB過程中，由于細胞密度的顯著差異，補料批培養的VPR仍然低于基礎條件下的VPR。在灌流培養中添加10%的feed-a，與僅在基礎條件下相比，VPR提高了約230% (2.29 g/L/day vs. 0.70 g/L/day)，qP提高了約90%（30.1 pg/cell/day vs. 16.0 pg/cell/day）。同樣，在CFB工藝中，添加不同比例的feed-a和feed-b可將VPR提高至1.19 g/L/d（6%feed-a + 2%feed-b）和2.04 g/L/d（8%feed-a + 8%feed-b）。

所有工藝均獲得了可接受的電荷變化曲線和聚集水平。與其他兩種工藝相比，CFB工藝產生了更高水平的HMW和略高的酸性變體，這主要是由于產品所處的細胞培養環境。產品在補料批和CFB中的停留時間可達整個培養周期，其中CFB工藝的停留時間最長。盡管如此，產生的HMW小于5%，并且大多數可以通過純化步驟清除。

對于傾向于聚集的分子，需要仔細檢查CFB工藝，以確保可接受的產品質量屬性。例如,當CFB工藝延長到29天,在基礎培養基條件下觀察到酸性變異和高分子量的增加，即使產品抗體濃度也大幅增加。另一方面,即使在相同的高細胞密度環境和培養基成分相似,灌流培養產生低酸性變異和高分子量低,可能是因為產品的短停留時間在生物反應器(1vvd使用,產品連續運出生物反應器，停留時間為3天）。總的來說，所有的工藝模式和培養基條件都產生了可接受的電荷變化和聚集曲線。

培養基成本分析

當只使用基礎培養基時，每克抗體的培養基成本在補料批和灌流過程中都很高。當在補料批和灌流過程中使用適量的補料時，可以降低每克mAb培養基成本。盡管補料比基礎培養基貴，但細胞密度和qP的增加比培養基成本的增加更為顯著。N-1灌流補料的培養基成本低于正常補料批，這是由于在N-1灌流過程中，只需3倍的基礎培養基交換即可獲得高接種密度，并且滴度的增加超過了培養基使用量的增加。兩種條件下，N-1灌流和灌流（基礎培養基+10%feed-a）的補料批的培養基成本相當，約為10美元/g mAb。在灌流培養中需要3 vvd的灌流率才能保持60×10⁶個細胞/mL的細胞密度，并且預計1 vvd的改進過程可以保持相同的細胞密度，從而使灌流工藝在CoGs（cost of goods）方面有利。

CFB的培養基成本不符合其他工藝模式的趨勢。在基礎培養基條件下，成本（17.5美元/g mAb）與批培養和灌流工藝相當。與補料批和灌流不同，在CFB工藝中使用補料液時，培養基成本實際上增加了。例如，當使用補料條件1時，成本增加到19.6美元/g mAb。在這種特殊情況下，生物反應器生產率的提高不足以彌補與所使用的補料培養基相關的高成本。在補料條件1下，邊際細胞比生產力由17.1±1.3 pg/cell/day提高到20.1 pg/cell/day。隨著條件2補料量的進一步增加，qP和VPR均顯著提高。結果，培養基成本降至17.0美元/g mAb，僅略低于基礎條件下17.5美元/g mAb的培養基成本。與CFB工藝相關的高培養基成本主要是由于需要相當長的細胞生長時間。直到培養第10天細胞密度達到峰值水平時，滴度才顯著增加。因此，盡管在補料條件2下，CFB工藝的qP和日生產率很高，但每g mAb的培養基成本遠高于補料批和灌流工藝的10美元/g mAb。對于CFB工藝，降低培養基成本的一種方法是延長批次長度，提高使用壽命；然而，這必須仔細檢查，因為在生物反應器中停留時間較長可能會影響產品質量屬性。當CFB延長到更長的持續時間時，已經觀察到酸性變體和HMW的增加。

總    結

比較了不同工藝模式下的生物反應器生產率，包括補料、灌流和CFB工藝。與灌流培養（灌流培養為2.29 g/L/d，CFB培養為1.19 - 2.04 g/L/d）相比，補料培養具有低的生物反應器生產率（0.39 - 0.49 g/L/d），因為維持的細胞密度要低得多。灌流的顯著優勢是能夠達到并保持非常高的細胞密度，以形成產物，這可以抵消在基礎條件下相對較低的qP。灌流的一個缺點是涉及高培養基成本，因為需要連續的培養基交換來維持所需的高活細胞密度。高產量灌流培養的培養基成本（2.29±0.28 g/L/d）實際上可以低于補料工藝（第14天滴度為6.8±0.2 g/L）。這部分是由于灌流時使用的低細胞特異性灌流率（14±1 pL/細胞/天）在18天內達到36.7 g/L的上清滴度。CFB工藝的培養基成本也是高的。這在很大程度上是由于CFB培養沒有灌流培養那么長，而且培養時間的很大一部分用于細胞生長而不是產物形成。