细胞治疗工艺中的质量源于设计
将活体细胞作为治疗药物进行移植的治疗方法为许多急性病和慢性病提供了新型的治疗选择。然而细胞的生物复杂性却限制了细胞治疗从实验室规模放大到可靠、经济的生产规模。
制药领域的专家们找到了一个应对挑战的方法，通过质量源于设计(QbD)的原则来设计细胞生产工艺。QbD将科学知识与风险评估整合到了生产工艺开发中，并已被生物制药工厂所接受。
目前技术开发人需要进一步开发和实现，但在细胞治疗生产工艺中活体细胞一致与细胞生产工艺开创了一个新的机会。通过QbD链接可测细胞分子，细胞群细胞特性与最终产品质量成为实现细胞治疗的重要步骤。
过去15年，细胞治疗领域得到了高速增长。追溯第一个造血干细胞移植发生在19世纪50年代，但对于不同适应症的细胞疗法却是随着临床细胞的培养技术突破而从近期才开始的。
生产临床应用的细胞工艺治疗通常需要以下步骤：获取或生成起始细胞株；细胞培养、改造、收获、浓缩、纯化、制剂、最终罐装、储存以及产品运输。
虽然这些步骤与从哺乳细胞中生产治疗蛋白的过程是相似的，但因为活体细胞的高度复杂性，对其作用机制的不完全了解，产品性质的不同以及多样性使得细胞工艺产品的生产更具挑战。
随着小分子制药生产对QbD的广泛接受，越来越多的生物制药生产也开始将QbD原则贯彻到制药工艺和实验室工艺中。比如赛多利斯为生物制药和实验室的细胞分析、细胞培养、液体处理、浓缩、纯化、样品制备等与细胞工艺的研究和开发提供了高质量的解决方案。
应用QbD进行细胞生产
生物反应器系统因其可规模化，易于集成检测技术及可以自动响应来维持环境均一性等特点，成为生产治疗型蛋白所需的细胞培养方法。然而，这些系统是为了获得高蛋白产量而设计的，而不会优先考虑细胞本身。相比之下，细胞治疗产品生产过程中生产出的健康的功能细胞对环境因素有高度的敏感性。许多生物反应器类型，细胞生产模式，规模和控制参数目前已经可以应用于细胞治疗产品生产中。了解这些不同的“模块”的性能和它们如何应用于细胞治疗产品生产对于QbD是至关重要的，相反也可以应用QbD更深入了解以上要点。
其中赛多利斯的生物反应器和发酵罐，涵盖细胞系和细胞株开发到商业制造各个环节的完整可扩展生物反应器平台。它的生物反应器系列，具有自动化的硬件和软件功能；从研发到制造的各个阶段，支持用户实现一致且可靠的操作方案。同时搭配集成的、随时可用的细胞截留装置，可在超高密度下培养细菌，从而强化细胞培养工艺。尤其是ambr®和BIOSTAT®集成联合技术套件，让用户始终秉持质量源于设计（QbD）的原则，来获得预测结果并进行有效放大。ambr多并行生物反应器，一次性生物反应器，细胞培养生物反应器等都是赛多利斯公司为应用QbD进行细胞生产所提供的产品和平台。
QbD包括产品和工艺描述，表征，设计，监控和持续改进。而这些都由对基本生物学和某一产品及其工艺工程的深入了解来指导。
QbD由目标产品质量概况(目标产品的质量指标； QTPP)，直接影响产品安全性和有效性的定义属性(关键质量属性)，通过定义这些会影响性能的参数(关键过程参数)和建立设计空间来限制影响质量属性的参数变异。接下来，开发控制策略来保持过程参数在一个范围内来确保产品质量，并且在放大过程中进行工艺验证。相对于传统的基于离散点的控制策略，QbD标识了一个可以生产出高质量产品的可以接受的操作区域或多元设计空间。一旦实施，这个生产工艺被监控且随着对工艺的深入理解可以被不断改进。
关于纯度
细胞治疗产品的杂质可以包括不合需要的细胞类型，污染，辅助材料和微粒。细胞纯度的阈值在治疗之间有所不同。心肌细胞治疗，移植心肌细胞瞬时节点诱发心律失常，而非心脏细胞与心脏组织没有电磁耦合，也可能导致心律失常。对于基因工程改造获得的细胞治疗产品，纯度分析必须确定所需的改进型细胞的频率，其他类型的细胞，和任何的遗传工程带来的脱靶效应。
细胞培养对各种污染很敏感，显着的微生物（细菌、真菌、支原体）、内毒素和细胞交叉污染，使他们不适合使用。此外，由制造设备和材料所产生的非细胞的颗粒物（包括塑料碎片，残留的载体和纤维）必须被严格控制。CTPS的生产一般需要生物活性物质的鸡尾酒，包括细胞因子、小分子、血清和载体。这些辅助材料必须充分除去，以免被视为药物本身。他们也可以改变其他过程生物可变因素。例如，二甲基亚砜，常用的冷冻保护剂，可以增加增塑剂从生物反应器管道中浸出，和pH值指标可以影响细胞的分化。因此，质量目标产品配置文件必须描述这些辅助材料在最终产品中的最大残留水平以确保其安全性，而且需要有额外的处理以免影响最终的细胞产量。
关于关键质量属性和关键工艺参数
在开发制造工艺流程时，确定能保证产品质量的决定性属性是必须的。这些关键质量属性可以是物理的，化学的，生物学的，或微生物特性或特征，且应在适当的限度，范围，或分布以保证预期的产品质量。换句话说，关键质量属性是QTPP属性，直接关系到产品的安全性和有效性。
关键质量属性受关键工艺参数和原材料属性变化的影响，必须加以控制。关键工艺参数包括细胞功能特征如生长动力学、细胞年龄、细胞分泌的因子或特异基因的表达。阐明相关的关键质量属性、关键工艺参数和原料属性，包括进行实验、机制建模、使用先验知识和应用广泛的分析技术。
一旦确定了这些参数和属性，就进行风险评估，按重要性对最有影响的关键工艺参数和材料属性进行研究。关键质量属性直接决定产品的质量，而关键的工艺参数和材料属性的影响关键质量属性间接影响产品质量。一些关键质量属性可能与可识别的关键工艺参数和材料属性无关。
关键质量属性指导工艺过程和产品开发，并应随着工艺过程知识的发展而不断改良。早期的工艺发展过程中，一个基础广泛的多参数细胞属性的分析对于确定在以后的开发阶段集中在一组更为明确的的关键参数是有用的。值得注意的是，识别和测量关键质量属性的取值是具有挑战性的。若不首先对关键质量属性有所理解，复杂的多参数研究（“设计空间”下面讨论）可能价值有限，这些研究确定多种参数对关键质量属性的影响。日益成熟的经验或机制实验模型可以用来探索的关键工艺参数和材料特性的影响。
产品的安全性和有效性受许多过程参数的影响，包括生物反应器系统的操作特性。例如，搅拌不仅可以确保均匀的环境条件也改变剪切敏感的细胞表型。溶氧影响PSCs，HSPCs和间充质干细胞，对效力和纯度有潜在影响。即使轻微的pH值变化也会产生重大影响，如果不加以控制，细胞代谢会降低pH值。代谢副产物也会直接影响结果。例如，乳酸的积累和pH值的降低与细胞生长受抑制和PSC 表型损失有关。
系统建模
鉴于细胞与环境之间相互作用的复杂性，系统建模将使得开发设计空间获益巨大。大组学数据集提供了构建减少参数的机制模型的出发点，这一模型将关键工艺参数与关键质量属性联系起来。尽管迄今为止还没有产生过这样的模型，但各种各样的模型技术已被用于整合细胞和生物信号，以预测与CTP生产相关的关键质量属性。基于组学数据的代谢途径分析和重建已被广泛应用于优化生物制药生产并适用于CTP生产。
随着产品的发展，大量的有价值的数据积累起来。将这些数据关联到关键质量属性，以建立起网络模型达到预测目的技术得以开发。例如，统计工具如多元分析可以识别基因的子集（或其他元素）在组学数据，这些数据与所期待反应有关。这种方法确定了多种样品中的起始和最终的HSPC的种群构成，这一种群构成是一个关键的工艺参数，可被用于作为其他病人特定治疗的起始材料变异性种群构成的参考。基于扩展模型以识别关键过程参数，基于基因表达数据集，模型设计空间的发展，需要与确定关键工艺参数相关的基因调控网络的预测和验证。最近关于输入因子与变化的细胞状态的相关性计算表明，基因调控网络可以链接关键工艺参数和关键质量属性。CTP领域的有价值的下一步是使用建模技术将表型与效力联系起来。
控制策略
过程分析技术是一种设计、测量、监测和控制关键过程参数（包括pH值、溶氧、温度、密度和营养水平）的方法，是QbD的一个重要元素。生物制药的生产工艺使用先进的控制策略实现对工艺变量的在线监测和控制，这些技术同样适用于CTP生产。的确，CTPS与其他生物制剂相比而言增加的复杂性，为更先进的监测和控制策略的创造了一个很好的机会。最近，我们的团队展示了在人类脐带血扩大工艺中，实时监控和控制可溶性信号因子，以增加细胞的产出。分泌因子的测量和控制，细胞群组成和其他先进的工艺参数，这些因素的重要性在细胞疗法中越来越被认可。
QbD的未来应用
尽管CTPs生产的产业化面临诸多挑战，其前景十分乐观。几十年细胞培养产业化工艺设计的经验，提供了在生物反应器的放大和强化，细胞代谢，培养基设计，补料策略优化和工艺过程控制方面的工业化基础。我们对细胞与环境相互作用的理解认识正在提高，能够控制细胞环境的生物反应器系统，正在生成越来越集中于分子和细胞信息的数据集。与此同时，我们对细胞状态的分子基础的认识，包括粘附依赖，代谢网络状态，集落形成和增殖的控制，正在不断提高。