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盤點全球主流封閉式細胞治療處理系統(tǒng)細胞與基因治療作為新型生物制藥領域的熱門方向,有許多的企業(yè)投身于研發(fā)、試驗、生產(chǎn)、轉(zhuǎn)化等等。而在這之中,從最近萬眾矚目的CAR-T療法,到曾獲諾獎的誘導干細胞,再生醫(yī)學領域內(nèi)的前沿技術(shù)都逃不開最基礎的操作:細胞的獲取和培養(yǎng)。然而,要獲得足夠安全且高活性的目標細胞,并不是一件簡單的事。隨著細胞與基因治療領域的飛速發(fā)展,研究者與生產(chǎn)企業(yè)對硬件設施的技術(shù)要求也在不斷提高。 近日,ISCT官方期刊Cytotherapy上發(fā)表了一篇題為“Advances in automated cell washing and concentration”的文章,對目前再生醫(yī)學市場中細胞洗滌與濃縮步驟的制備生產(chǎn)過程進行了綜述分析,并對未來的發(fā)展方向做出了推測。
再生醫(yī)學與先進療法的醫(yī)藥產(chǎn)品(ATMPs)包括基因治療、細胞治療和組織工程產(chǎn)品。隨著越來越多的ATMPs準備或者已經(jīng)進入市場,ATMP的受眾也越來越廣泛,其制造規(guī)模也隨之增加,帶來新的重大挑戰(zhàn)。 為什么選擇自動化封閉式細胞治療處理系統(tǒng)? 在ATMP的制造過程中,減少液體體積和緩沖液交換都是必不可少的步驟。在該文獻中,自動化的細胞洗滌濃縮過程是指,使用單個設備進行減少液體體積、交換緩沖液和交付最終產(chǎn)品的過程。ATMPs的特殊性在于,其最初的傳統(tǒng)研發(fā)往往在實驗室中小規(guī)模展開,其常規(guī)的制備操作不能滿足市場轉(zhuǎn)化的需求。對于較大規(guī)模、商業(yè)化的生產(chǎn)而言,自動化的封閉式細胞處理系統(tǒng)是細胞洗滌和濃縮的更優(yōu)選擇。 1)自動化的封閉式細胞處理設備可以在極大程度上降低污染風險 在研究實驗室環(huán)境中,細胞洗滌和濃縮等步驟通常使用臺式離心機完成,然后重復進行手動移液,來獲得最終的細胞懸液。雖然手動過程的部分也可以在符合GMP要求的生物安全柜中進行,但是打開和關(guān)閉容器蓋的操作會帶來很高的污染風險,尤其是操作涉及多個培養(yǎng)容器時,污染風險更甚。通過自動化的封閉式細胞處理系統(tǒng),將分開的多個步驟整合至一個設備中,由此減少了處理的步驟次數(shù)與無菌邊界之間相互接觸的數(shù)量,以此來降低污染風險。 2)封閉式處理系統(tǒng)或可更有效利用空間 由于將多個設備整合到同一設備中,自動化的封閉式細胞處理系統(tǒng)往往體積不大,可以在保證低污染風險的同時,降低占地空間,這樣能夠更有效地利用潔凈室的面積,也側(cè)面可節(jié)省成本。 3)封閉式細胞治療處理系統(tǒng)可以進行模塊化管理,按產(chǎn)品進行定制 這種設備并不是將多個步驟整合為一個步驟,因此可以對不同步驟進行模塊化管理,隨時按照生產(chǎn)需求進行模塊修改,也就可以按照客戶需求定制最適合其產(chǎn)品的工作流程和平臺選擇。目前使用最廣泛的模塊化設備類型之一就是細胞洗滌濃縮處理平臺。 4)對操作員工的要求更低,降低對GMP規(guī)范要求的培訓,減少了人工成本 全自動的封閉式細胞治療處理系統(tǒng)通常會配備有直觀的程序軟件,以便用戶操作、設計和管理。同時,因為無需操作人員直接處理細胞,也就減少了對員工操作的培訓成本,使生產(chǎn)過程更便捷。 選擇自動化封閉式細胞洗滌和濃縮設備時的考慮因素 目前市面上已經(jīng)有多款自動化封閉式細胞治療處理系統(tǒng)可供選擇,但是各有優(yōu)劣。同時,不同的細胞治療產(chǎn)品也有著不同的需求,想要構(gòu)建一個最適合產(chǎn)品的自動化流程鏈,需要對產(chǎn)品的技術(shù)和設備的技術(shù)都有深入的了解。
1)從細胞來源的角度而言: 細胞的來源可分為自體細胞和同種異體細胞產(chǎn)品,這二者對生產(chǎn)加工的核心需求是不同的,如細胞數(shù)產(chǎn)量、活性和細胞濃度等,因此對設備的選擇也不同。 洗滌和濃縮的步驟可發(fā)生在細胞富集過程的初始步驟,也可應用于中間過程來改變介質(zhì)或在制備結(jié)束時來濃縮細胞懸液,最后用于產(chǎn)品配方和灌裝。 對自體細胞產(chǎn)品而言,設備的最小處理量和活細胞回收率的能力是重點考慮的因素。較低的活細胞回收比例會導致最終這一細胞治療產(chǎn)品生產(chǎn)失敗。而當制備濃縮的細胞懸浮液時,最小輸出量也是制備能否順利進行的關(guān)鍵。 例如,當通過電穿孔法制備CAR-T細胞產(chǎn)品時,細胞濃度需要保持在40-300x10^6個細胞/mL。通常情況下,對于單采來說,一個細胞洗滌裝置需要能夠?qū)⑹占漠a(chǎn)物濃縮至體積小于10mL,才能適用于電穿孔。而目前只有少數(shù)封閉性細胞治療處理設備能達到這一要求(如Rotea、Sepax、Ekko等)。 此外,部分產(chǎn)品還需要具有細胞分選功能的自動化設備。例如,來源于血液成分的ATMP還需去除紅細胞或者從中分選所需細胞。Rotea、Lovo、Sepax、Elutra等設備不僅可以交換緩沖液來洗滌細胞,還能同時去除紅細胞,在同一步驟中實現(xiàn)更多處理,從而最大限度降低工藝開發(fā)成本。 對同種異體細胞產(chǎn)品而言,最大處理量才是較重要的因素。主要考慮的是起始材料的輸入體積范圍。對于同種異體產(chǎn)品而言,其起始材料的體積可小到50mL(如臍帶血來源),進行細胞擴大培養(yǎng)后體積可大至1000L。所以對設備的體積處理量要求較高。 影響洗滌和濃縮設備選擇的另一個關(guān)鍵因素是處理速度和時間。任何對細胞質(zhì)量的負面影響(例如剪切應力)都可能會在下游設備處理中被放大。另外,轉(zhuǎn)染、轉(zhuǎn)導、酶消化或細胞分選等過程都會給細胞施加壓力,使其對洗滌和濃縮的操作更加敏感,不易控制。 不過,鑒于處理速度可能會因每次制備時培養(yǎng)基的組成和細胞密度的不同而改變,或許只能通過在正式生產(chǎn)制備前先對樣品進行洗滌濃縮,來幫助確定后續(xù)生產(chǎn)的條件設置。在高密度的細胞懸浮液(>5x10^5個細胞/mL)中,細胞可以形成細胞簇并從懸浮液中分離,基于聲學的設備可以更高效地處理這樣的懸浮液。相比之下,以過濾為原理的設備(例如Lovo)則受到最小輸出量的限制。
標黃為可做細胞分選步驟的設備(圖源:文獻) 2)從設備角度而言: 可整合性是自動化封閉式細胞治療處理系統(tǒng)的核心價值。自動洗滌和濃縮設備作為加工鏈的一部分,是以模塊化的方式與其他設備進行物理連接,這其中如何規(guī)劃和評估設備的互相連接方式是十分重要的。 如果試劑是包裝在袋子中,則洗滌和濃縮裝置的設置方式可能很簡單。因為包裝袋可以和幾乎所有設備兼容,在管道尺寸合適的情況下,通過尖刺的端口或者無菌焊接連接即可。但如果是采用了其他形式的包裝,需要增加一個將材料先轉(zhuǎn)移到袋子中的步驟,再進行無菌連接和洗滌濃縮的。所以,如果這次轉(zhuǎn)移不能實現(xiàn)無菌連接,則自動化設備消除污染風險的價值將大大降低。理想狀態(tài)下,濃縮后的產(chǎn)品也應該通過封閉設備轉(zhuǎn)移到下游的流程中(如制劑和分裝)。 此外,設備的占地面積和移動性也是考慮因素之一。潔凈室空間通常是有限的,而可移動的設備增加了便利性,不同房間中移動無需重新校準,降低了制備的復雜程度。 再者,軟件集成也是封閉式細胞處理系統(tǒng)的重要組成。集中的電子記錄使操作可以自動化,能夠取代批次間生產(chǎn)和質(zhì)控的手動記錄。此外,匹配的控制軟件還可以擴展到應用同一集中式系統(tǒng)的多個設備上,這樣可以控制所有連接的設備并提供實時反饋。目前,軟件輔助控制流程自動化還僅限在同一制造商的設備上應用。若要開發(fā)定制系統(tǒng),那么從不同設備提取加密數(shù)據(jù)將成為一個挑戰(zhàn),并且需要大量投資研發(fā)。 3)從流程設計角度而言: 工藝開發(fā)的目標是開發(fā)一種穩(wěn)健的、可重復的工藝,該工藝可擴展用于臨床生產(chǎn),同時保持產(chǎn)品質(zhì)量,并滿足監(jiān)管要求。一種穩(wěn)定、合適的洗滌和濃縮工藝應該做到不隨材料的變化改變其生產(chǎn)的穩(wěn)定性。 要開發(fā)這樣一種工藝,需要大量的努力來確定和控制過程的關(guān)鍵工藝參數(shù),重復的多變量分析有時是必不可少的。例如,基于離心的過程的關(guān)鍵過程參數(shù)可能包括流量速度、離心速度和沉降時間。優(yōu)化這些參數(shù)時,應考慮工藝參數(shù)與產(chǎn)品質(zhì)量之間的關(guān)系,以確保制造工藝適合規(guī)�;a(chǎn)。 對于細胞內(nèi)部一致性較低的產(chǎn)品(如自體細胞產(chǎn)品),還可以開發(fā)預測算法來指導制造步驟,以實現(xiàn)所需的產(chǎn)品輪廓。 開發(fā)的過程還應考慮成本問題。除了設備本身的資金投入,應注意的是,選擇不完全合適的設備可能會增加額外的成本。 目前市場上的部分全自動封閉式細胞治療處理系統(tǒng) 封閉式細胞治療處理系統(tǒng)通常包括一個核心儀器、配套的程序軟件和相關(guān)套件,可以通過軟件和套件的更換來滿足不同的細胞處理需求。 賽默飛:Gibco CTS Rotea逆流離心細胞處理系統(tǒng)[1] 賽默飛依托其卓越的生命科學試劑和分析儀器平臺底蘊,構(gòu)建了封閉式、模塊化和自動化的CTS細胞治療端到端生產(chǎn)平臺,Gibco™ CTS™ Rotea™ System是CTS細胞生產(chǎn)平臺中關(guān)鍵的工藝設備。該系統(tǒng)由一臺小巧的多功能主機、一次性使用無菌套件,以及直觀、可視化、可定制程序的軟件組成。它們共同構(gòu)成了一個封閉式細胞處理系統(tǒng),可以高效、靈活地進行細胞的分離、濃縮、洗滌、緩沖液置換和凍存,旨在幫助細胞治療產(chǎn)品從實驗室研發(fā)環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)化到臨床試驗、乃至商業(yè)化生產(chǎn)中。
Gibco™ CTS™ Rotea™ System不但能夠與賽默飛其他設備像Xenon電轉(zhuǎn)儀,搖擺式生物反應器Rocker等組合成CTS細胞生產(chǎn)平臺,而且也能與市面上的其他工藝設備比如細胞工廠, G-Rex培養(yǎng)瓶實現(xiàn)工藝銜接。賽默飛也在CTS細胞生產(chǎn)平臺基礎上開發(fā)一種數(shù)字化軟件解決方案,以提供與DeltaV平臺(DeltaV是一個在生物生產(chǎn)和制藥行業(yè)廣泛使用的自動化系統(tǒng))的直接連接,實現(xiàn)全自動過程管理和細胞工藝數(shù)據(jù)完整性與追溯性。 美天旎:CliniMACS Prodigy平臺[2] CliniMACS® Prodigy是由Miltenyi Biotec公司在美天旎成熟的磁珠分選MACS®技術(shù)和CliniMACS® Plus系統(tǒng)基礎上開發(fā)出的一款集合細胞分選、細胞離心、清洗和細胞培養(yǎng)等多種功能于一體的全自動細胞處理系統(tǒng)。新的CliniMACS Prodigy®平臺提供用于精簡的高級集成解決方案細胞處理工作流程:從細胞分離,通過細胞培養(yǎng),形成最終的產(chǎn)品。其核心離心技術(shù)為密度梯度離心,可自動檢測林白細胞分離白膜層,并進行分層,還可以分離血液中的血漿、白細胞、紅細胞等成分。
Cytiva:Sefia和Sepax系統(tǒng)[3][4] Cytiva(前身為GE醫(yī)療集團生命科學部)的Sepax和Sefia系統(tǒng)來自于Biosafe Group SA。Biosafe Group成立于1997年,活躍于自動化細胞處理系統(tǒng)的設計、制造和市場營銷。2016年7月13日,GE 醫(yī)療對外宣布收購了Biosafe Group SA。 Sepax系統(tǒng)的產(chǎn)品包括Sepax2和Sepax C-Pro,后者是在前者基礎上更進一步更新開發(fā)而來的。Sepax系統(tǒng)均是基于Biosafe Group的軸向離心專利技術(shù),Sepax C-Pro細胞處理系統(tǒng)可用于多個細胞處理的步驟,支持安全、可再現(xiàn)、標準化的程序。主要特點有:
Sefia S-2000細胞處理儀是Cytiva推出的大體積連續(xù)流細胞處理系統(tǒng),Sefia S-2000細胞處理儀結(jié)合PremierCell Sefia協(xié)議軟件和CT-300.1 Sefia細胞分離套件,可以從多達880ml的單采產(chǎn)品中分離細胞;若配合FlexCell Sefia軟件和CT-800.1 Sefia細胞分離套件,則可以收獲高達10L的擴增細胞。 FloDesign Sonics/MilliporeSiGMa:Ekko系統(tǒng)[5] Ekko是使用低能量超聲技術(shù)進行過濾分離的封閉式細胞處理系統(tǒng),其超聲室設計通過重力、流體阻力和初級和次級聲力的組合,使細胞聚集最大化,從而能夠“捕獲”如淋巴細胞這樣的低密度細胞,因此更適用于處理高聲學對比度(如微載體)和高細胞密度(如單采單元)的原料,可以直接進行灌注。該系統(tǒng)配有觸摸屏的控制頁面和分步說明,便于操作人員的培訓和使用。Ekko系統(tǒng)可對原料進行聚合、擴增等處理,可以在制備擴增后的同種異體CAR-T細胞的過程中去除TCR+細胞,實現(xiàn)細胞分選。 Terumo BCT:Elutra系統(tǒng)[6] 該系統(tǒng)也采用逆流離心技術(shù),是由COBE光譜單采系統(tǒng)和血小板白細胞減少系統(tǒng)工具包改造而成的細胞處理設備。目前Elutra可應用于從單采產(chǎn)物中分離單核細胞、用于樹突狀細胞為基礎的癌癥疫苗以及用于T細胞治療的淋巴細胞富集等。該系統(tǒng)可獲得高純度和回收率的細胞群,無需梯度溶液或價格昂貴的磁珠,從而降低生產(chǎn)成本,同時減少磁珠或梯度溶液在最終產(chǎn)物中的污染。磁珠提取的步驟的去除還可以提高最終細胞數(shù)量。 Fresenius Kabi:Lovo系統(tǒng)[7] LOVO是一種通過旋轉(zhuǎn)膜過濾技術(shù)清洗、濃縮和純化白細胞的自動化細胞處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用的是獨特的泰勒-庫埃特微旋流技術(shù),對細胞損傷低。該系統(tǒng)最大可處理21L的源液體積,通過多重疊加過濾純化技術(shù),其源液去除率最高可達99.9999%。其細胞洗滌采用懸浮法,避免了離心法會導致的細胞堆積問題。該系統(tǒng)的高效換液使其能夠快速去除血小板或其他小分子物質(zhì),減少純化步驟。主要特點為:
賽多利斯:Ksep系統(tǒng)[8] Ksep系列的封閉式細胞處理系統(tǒng)包括Ksep400和Ksep6000S。Ksep6000S有6個加工室,每個加工室的體積可達1L,能夠連續(xù)加工高達6000L的體積。最近的一項研究中提到,Ksep400可在2小時內(nèi)完成50L多能干細胞的洗滌濃縮過程,細胞回收率達到90%以上,且對細胞活力沒有負面影響。 賽多利斯的Ksep®是一項專利技術(shù),該系統(tǒng)可以選擇性地清除細小顆粒雜質(zhì),例如產(chǎn)生的塑料、細胞碎片、細胞外病毒等,在生產(chǎn)過程中進行分離。其內(nèi)置可擴展性(4-6倍),便于利用相同的系統(tǒng)進行開發(fā)和生產(chǎn),無需稀釋即可從漿液中回收上清液。此外,通過保持細胞完整,還減少了細胞內(nèi)蛋白質(zhì)的污染。 博雅/ThermoGenesis:AXP Ⅱ系統(tǒng)/X-LAB/X-WASH/PXP系統(tǒng)[9][10][11] AXP® II系統(tǒng)是一種臍帶血處理系統(tǒng),旨在與ThermoGenesis提供的特定且兼容的一次性分離套件結(jié)合使用,供實驗室使用。AXP II系統(tǒng)允許在封閉和無菌環(huán)境中快速、自動化和可重復地分離臍帶血。系統(tǒng)包括AXP II設備、AXP II擴展塢、AXP加工袋套裝、XpressTRAK軟件和相關(guān)配件。 該系統(tǒng)可以收集血沉棕黃層、紅細胞和血漿等組分,活CD34+干細胞回收率大于97%,高于其他可用系統(tǒng)。此外,用AXP處理的臍帶血單位(CBU)比具有相似總有核細胞(TNC)的常規(guī)處理單位含有更多的單核細胞(MNC),血細胞比容在最終儲存量中始終小于30%。 X-WASH是一種簡單但功能強大的基于沉淀的系統(tǒng),允許將細胞樣品受控分離、洗滌和減少體積到新鮮培養(yǎng)基中。PXP系統(tǒng)則是一種用于臨床的自動化封閉式骨髓細胞處理系統(tǒng),可以減少最終骨髓濃縮物中的紅細胞污染,同時保持高濃度的造血干細胞和祖細胞群。除了保持對CD34+干細胞和MNC的高回收率之外,該系統(tǒng)還可以在不到20分鐘的時間內(nèi)快速濃縮骨髓,紅細胞消耗率超過98%。 2021年2月,該公司向FDA提交了其更新的PXP-LAVARE系統(tǒng)的備案。PXP-LAVARE系統(tǒng)是符合GMP的自動化細胞處理系統(tǒng),可以快速、自動化和可靠地清洗和重組細胞懸液,設計用于與PXP-1000系統(tǒng)一起使用。PXP-1000系統(tǒng)是用于下游cGMP合規(guī)的細胞療法臨床制造的一種醫(yī)療設備,可用于CAR-T細胞的臨床用生產(chǎn)。 PXP®系統(tǒng)主要優(yōu)點是實現(xiàn)大于98%的紅細胞去除率。但最大缺點是需要依賴離心機才能完成細胞處理,相比其他細胞處理系統(tǒng)的人力操作介入比較多。 Lonza:Cocoon平臺[12] Cocoon系統(tǒng)是一個自動化、封閉式的單一系統(tǒng),以幫助開發(fā)用于自體細胞治療生產(chǎn),可通過模塊化設計用于多種不同的自體細胞的活化,增殖和收集等處理,包括CAR-T、腫瘤浸潤淋巴細胞(TIL)和間充質(zhì)干細胞(MSC)等。 2018年Lonza收購Octane80%的股權(quán)后,對Cocoon系統(tǒng)進行了重大改進。改進后的Cocoon平臺提高了其系統(tǒng)的穩(wěn)健性,并通過所有的監(jiān)管、安全和質(zhì)量要求,擴大生產(chǎn),并獲得了歐盟CE標志以及DMF遞交等,使其能應用于商業(yè)銷售和臨床生產(chǎn)。此外,該系統(tǒng)還基于Lonza Nucleofector系統(tǒng),添加了整合式磁性細胞分離和整合式細胞電轉(zhuǎn)。 Cocoon平臺還可對溫度、氣體、pH和DO進行監(jiān)測;通過集成的4°C冷室進行細胞培養(yǎng);可預加載過程試劑;信息記錄和控制,以實現(xiàn)數(shù)據(jù)可追溯性。該平臺目前已與部分臨床試驗展開合作。 深研Eureka bio/百泰克:CellSep Pro[13] CellSep Pro是一款用于PBMC外周血單核細胞分離的全封閉自動化細胞處理系統(tǒng),其分離原理和Sepax相似,均采用軸向離心原理,可通過預設的工藝程序,實現(xiàn)細胞分離、細胞復蘇、細胞濃縮洗滌、細胞分裝等。 PBMC分離程序的起始血量最低可至30mL,最高達150mL,細胞洗滌程序起始細胞液量可達到2000mL。 CellSep Pro軟件操作系統(tǒng)簡單易上手,配置Linux內(nèi)核,相對較開放,用戶可以根據(jù)自己的需求設置用戶權(quán)限、工藝參數(shù),且細胞數(shù)據(jù)完整、可追溯。 小結(jié) 只有深入了解制造過程中的關(guān)鍵需求以及每種技術(shù)的優(yōu)缺點,才能選擇出合適的自動化解決方案。一般來說,新一代的洗滌濃縮設備更受歡迎,因為它們占地更小,易于使用和軟件支持。Sepax和Sefia等系統(tǒng)的處理參數(shù)類似于臺式離心系統(tǒng),因此其開發(fā)過程更加直觀,適用于經(jīng)驗較少的團隊;Lovo系統(tǒng)可以去除DMSO,并處理低密度的細胞,可能更適合兒科應用;Ekko系統(tǒng)適用于處理高聲學對比度(如微載體)和高細胞密度(如單采單元)的原料;Rotea系統(tǒng)則在自動化編程方面具有很大的靈活性,體積控制比較精確且處理體積范圍寬廣比較適合希望根據(jù)自己的需求定制流程的用戶。隨著ATMP的制造過程中的工藝穩(wěn)健性的要求提升,體積控制比較精確的Rotea系統(tǒng)開始被越來越多的用戶引進。 未來在這一領域的發(fā)展可能會發(fā)展更靈活和定制的模塊化設備組件,而不是開發(fā)新的設備。在這一方向下,如何連接不同設備將是一個挑戰(zhàn)。未來的發(fā)展也將鼓勵細胞治療技術(shù)的開發(fā)者和設備技術(shù)行業(yè)伙伴之間的合作,在細胞制造領域提出創(chuàng)新的解決方案。 |



