生物制药上游及下游工艺的平衡准则
上游和下游工艺之间的早期合作和开放式沟通对于确保一致的端到端生物工艺是至关重要的。
——By Serena Fries Smith and Hunter Malanson
传统上，我们将生物工艺开发划分为“上游”和“下游”两个功能组。这两块工艺技术开发过程都存在一些独特的挑战，上游工艺专注于细胞扩增和细胞培养以生产优质产品，下游工艺专注于纯化。虽然生物工艺的成功往往是依赖于上下游工艺彼此合作，但其实很多时候也需要将它们分开平行运行，以满足紧迫的项目时间表。这种分开运行的方式可以提高工艺技术开发的效率，但因为上下游两个团队无法共同工作，也会带来一系列问题。
开发稳定的生产工艺
在下游工艺开发过程中，科学家们会将重点放在一些单元操作上。在治疗性蛋白的生产中，这些工艺将从一些基础回收步骤开始-以去除细胞和碎片。然后澄清的原料将经过各种必需的后续处理步骤，包括缓冲液交换、原料保持、病毒灭活/过滤和色谱柱层析-去除工艺杂质和分离纯化目标蛋白质。在这些过程中需要监测和控制每个单独步骤的关键工艺参数（CPPs），以确保中间体和纯化蛋白质的关键质量属性（CQA）符合最终要求。但确保下游工艺一致且成功的最关键因素有的时候甚至超出了下游团队所能控制的范围，因为它取决于上游工艺获得的原料的一致性。
如果您将生产过程视为一条互相连接的模块链，每个模块代表一个特定的单元操作，对其中任何一个模块或一系列模块的更改都会对链中的下一个模块产生持久且不可预测的后果。从这个意义上讲，上游工艺深刻地影响着下游工艺流程的可重复性和性能。
——Praver Jaluria
Adverum Biotechnologies
工艺开发和生产执行总监
因为上下游工艺之间是互相联系的，所以开发一套稳定、一致的下游工艺流程必须具备能力来理解和平衡上游阶段生产工艺。在上游生产过程中，我们倾向于着重关注产品效价，但其他因素如细胞浓度，细胞活力以及各种产品质量特征也可能会影响产品最终能否获得足够高效价。而这些上游工艺条件很有可能会影响随后的回收和纯化工艺步骤。
例如，已开发的一种NS0生物工艺最初为使生产的抗体效价最大化，以30%的存活率收获。不幸的是，这种低存活率的收获工艺会给下游生产带来严重不利影响，并导致非常低的累积工艺产量。通过与纯化团队的讨论，决定在此工艺中使用大于50％的存活率进行收获。虽然在上游工艺中，产量下降了20％，但下游工艺中产量远高于以前，纯化蛋白的总产量最终明显增加。这个例子强调了跨职能合作的重要性，以确保整个生物制药工艺的成功，而不仅仅是一个独立的领域成功。
在工艺开发阶段，重要的是上游工艺团队提供代表不同工艺水平杂质情况的原料，通过下游工艺进行纯化开发，以确保始终将这些杂质降低到可接受的水平。例如，在收获时较低的细胞活力通常会释放更多的宿主细胞蛋白和DNA杂质。较高的杂质负荷会导致产品回收率降低，或者色谱分析过程不堪重负，最终导致生产批次失败。
——Ben Hughes，Patheon
全球生物制品技术转化总监
评估工艺变化
合作建立上游工艺细胞收获参数对于整体下游的成功是至关重要的，但是还需要适应上游工艺中意外的和未知的额外挑战。一些变化可以被测量，而对于其他变化，在问题出现之前可能都不知道其真正的影响。如果在下游纯化过程中遇到工艺挑战，请与上游团队一起审核以下内容，这将有助于确定问题的根本原因：
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收获时细胞活力或效价是否有变化？
收获时细胞活力或效价的变化可能会通过污染过滤器或超出合格的柱装载范围而破坏核准的下游工艺过程。通过与上游团队合作以了解预期的变化并定义可接受的限制条件可以提高工艺成功率。此外，当预期增长和生产情况存在偏差时，上游团队应立即进行沟通，以便下游团队可以评估偏差并制定相应计划。
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是否使用了新的原料？
上游工艺中使用的原料可能会影响各种生产要素，包括细胞生长，蛋白表达，产品质量和工艺杂质。如下实例中，因为重组蛋白生产的上游工艺中使用了动物来源组分。考虑到监管部门对动物来源原料的监管要求不断增加，该团队不得不从另一个国家采购并检验新的原料来源可靠性。然而理论上这种原料改变是一种“因果循环”的过程，新采购的原料导致效价意外增加50％。
然而不幸的是，下游工艺团队在现有设施条件下没有足够的能力来处理这些不可预见的效价增加以及一些需要丢弃的原料。该实例表明，当下游工艺团队无法消化上游工艺的改变时，无论何种改变，即使是效价的增加都可能衍变产生新的问题。它还强调了识别关键原料的重要性，并密切监控可能导致上游工艺改变的原料批次或供应商的任何改变。
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质量状况是否不同？
如何鉴别产品质量的变化？可以通过严格的测量和跟踪上游工艺条件（例如效价，活力，细胞生长），可以通过监控关键原料的供应链变化。但是还有很大其他变化，而且这些变化是完全出乎意料的，在下游工艺出现问题之前是很难被发现的。及时审阅并了解生物反应器中产品的具体质量概况（如抗体的糖基化谱和电荷分布），并利用合格的小试模型来解决生产过程中可能出现的产品变异性的问题，可以在工艺未按预期计划进行时提供关键信息，有助于查找原因。
上下游合作取得成功
工艺开发团队需要从一开始就开诚布公的互动沟通，上游工艺的任何改变都需要经过验证，以保证不会对下游产生负面影响，哪怕这些改变的目的是为了优化上游或进一步控制上游工艺。开放式沟通和交叉传递的想法也将改善项目时间表的协调性，并最大程度地减少原料浪费。此外，将上游和下游实验研究串联起来可以为分析，产品表征和配方团队提供帮助，可以提前为他们提供实验用的物料样本。
结 论
经常性沟通和协作是非常重要的。上游团队需要不断考虑他们在上游工艺中使用何种物料以及其对下游工艺的影响。例如：下游工艺能够清除掉这些吗？会引起干扰吗？应尽量减少可变性 – 稳定且一致的上游工艺是稳定和一致的下游工艺的关键。
简而言之，通过合作，我们不仅会有成功的上游工艺或成功的下游工艺。我们更可以确保我们拥有强大的端到端生物生产工艺。
Serena Fries Smith是赛默飞世尔科技战略客户服务总监，也是一位拥有超过17年行业经验的生物工艺行业领导者。 Hunter Malanson是赛默飞世尔科技公司的高级现场应用专家，拥有近20年的生物工艺开发经验。