焦鵬，陳必強(qiáng)

（1.波士頓生物工程技術(shù)研究院，馬薩諸塞州紹斯伯勒01772，美國(guó)；2.北京化工大學(xué)，北京100029）

新一代生物工藝研發(fā)與制造技術(shù)及高通量微小型生物反應(yīng)器

焦鵬1，陳必強(qiáng)2

（1.波士頓生物工程技術(shù)研究院，馬薩諸塞州紹斯伯勒01772，美國(guó)；2.北京化工大學(xué)，北京100029）

近些年，人們認(rèn)識(shí)到快速反應(yīng)時(shí)間對(duì)應(yīng)對(duì)烈性傳染病具有至關(guān)重要的作用，然而傳統(tǒng)工藝和技術(shù)無法有效應(yīng)對(duì)。以美國(guó)衛(wèi)生部為代表的機(jī)構(gòu)提出并開始踐行新一代工藝研發(fā)與生物制造的技術(shù)平臺(tái)，其目的是要極大縮短生物工藝研發(fā)和生產(chǎn)的周期，從而快速應(yīng)對(duì)。精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)的發(fā)展對(duì)醫(yī)藥研發(fā)與生產(chǎn)也提出了產(chǎn)品研發(fā)制備周期短、種類增加、數(shù)量減少的新要求，需要新一代的研發(fā)與生產(chǎn)技術(shù)。實(shí)現(xiàn)快速研發(fā)的核心設(shè)備是微小型生物反應(yīng)器，新一代技術(shù)核心包括高通量篩選、高通量工藝研發(fā)，一次性技術(shù)，模塊化及柔性化生產(chǎn)。新一代工藝研發(fā)與生物制造技術(shù)不僅關(guān)系到國(guó)家安全、人民生命健康，其作用及影響將輻射到整個(gè)生物加工制造領(lǐng)域，社會(huì)與經(jīng)濟(jì)價(jià)值巨大。

新一代生物工藝研發(fā)與生物制造技術(shù)；烈性傳染??；精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)；微小型生物反應(yīng)器；高通量技術(shù)；一次性技術(shù)

DOI 10.15302/J-SSCAE-2016.04.007

一、新一代生物工藝研發(fā)與制造概念提出的背景及應(yīng)用領(lǐng)域

（一）大規(guī)模突發(fā)性烈性傳染病的危害及其后果

當(dāng)人們提及災(zāi)難的時(shí)候，首先會(huì)想到自然災(zāi)害(如地震等)和人為災(zāi)害(如戰(zhàn)爭(zhēng))，然而大多數(shù)人并沒有意識(shí)到烈性流行性傳染病也對(duì)人類生命和社會(huì)發(fā)展造成過極大的破壞。例如，暴發(fā)于1918年1月到1920年12月的西班牙大流感(H1N1)，在最初的25周內(nèi)就造成2 500萬人死亡，超過了同時(shí)代的第一次世界大戰(zhàn)死亡人數(shù)的總和，其最終在全球造成了5億人感染，5 000萬到一億人死亡[1]。

突發(fā)性烈性傳染病的一個(gè)特點(diǎn)是具有頻發(fā)性和不可預(yù)測(cè)性。根據(jù)美國(guó)疾病預(yù)防控制中心(CDC)數(shù)據(jù)，1957年的“亞洲流感”(H2N2)造成全球100萬～400萬人死亡，美國(guó)死亡6萬～8萬人(超過越戰(zhàn)死亡人數(shù))； 1968年的“香港流感”(H3N2)在全球造成100萬～400萬人死亡，美國(guó)死亡3萬多人。即使到了21世紀(jì)，烈性傳染病依然頻發(fā)，如2002—2003年在中國(guó)暴發(fā)的非典型肺炎(SARS)，2004年中國(guó)的高致病性禽流感(H5N1)，2009年暴發(fā)的豬流感(Swine Flu，H1N1)，2013—2014年出現(xiàn)的禽流感(H7N9)[2]，以及最近出現(xiàn)的埃博拉病毒和寨卡病毒。

大的災(zāi)難常常給人類社會(huì)帶來巨大的破壞，但從另一個(gè)角度講，它也是科技發(fā)展的原動(dòng)力，在很大程度上促進(jìn)了科技的發(fā)展，使得基礎(chǔ)研究、應(yīng)用研究、發(fā)展研究的研究周期縮短。面對(duì)頻繁發(fā)生的突發(fā)性烈性疾病，從預(yù)防、診斷，到藥物研發(fā)與生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)，現(xiàn)代社會(huì)需要全力應(yīng)對(duì)。如同時(shí)間對(duì)于戰(zhàn)爭(zhēng)的巨大意義一樣，應(yīng)對(duì)突發(fā)性烈性疾病，時(shí)間也是關(guān)鍵點(diǎn)。

（二）美國(guó)新一代生物工藝研發(fā)與制造技術(shù)概念的提出和實(shí)施

2001年9月11日發(fā)生在美國(guó)的恐怖襲擊，及其后的炭疽桿菌生物恐怖事件，使美國(guó)認(rèn)識(shí)到必須把應(yīng)對(duì)生物恐怖襲擊提升到國(guó)家安全的高度。2009年豬流感在美國(guó)造成1.3萬人死亡，使美國(guó)政府再次認(rèn)識(shí)到生物技術(shù)在當(dāng)時(shí)面對(duì)突發(fā)性烈性傳染病的時(shí)候，無法快速實(shí)現(xiàn)保障社會(huì)、挽救人們生命的需求。為了應(yīng)對(duì)這些威脅，必須開發(fā)新一代的工藝研發(fā)與生物制造技術(shù)。

美國(guó)衛(wèi)生部的調(diào)查結(jié)果顯示，從烈性傳染病的發(fā)生到大規(guī)模暴發(fā)之間有12周的黃金時(shí)間，如能在此時(shí)間段內(nèi)研制出相應(yīng)的疫苗并及時(shí)對(duì)人群進(jìn)行接種，可以大大降低其危害及死亡人數(shù)[3]。在其2009年的項(xiàng)目招標(biāo)書中，強(qiáng)調(diào)開發(fā)新一代的技術(shù)以達(dá)到能夠快速響應(yīng)烈性傳染病的威脅，其中一個(gè)重要指標(biāo)是能夠在疫情暴發(fā)的12周內(nèi)完成工藝研發(fā)并生產(chǎn)出產(chǎn)品，并于6個(gè)月內(nèi)產(chǎn)出5 000萬支產(chǎn)品[4]。為此，美國(guó)衛(wèi)生部在當(dāng)年即投入3.3億美元用于新一代技術(shù)的研發(fā)。自開展該領(lǐng)域研究以來，美國(guó)政府已投入超過80億美元，其中包括2012年撥款4.4億美元與其他單位合作建立三個(gè)新一代生物研發(fā)與制造技術(shù)創(chuàng)新中心[3,5]。

（三）精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)與新一代生物工藝研發(fā)制造技術(shù)

2011年，美國(guó)科學(xué)院、美國(guó)工程院、美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院及美國(guó)科學(xué)委員會(huì)共同發(fā)出“邁向精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)”的倡議。2015年1月30日美國(guó)奧巴馬政府正式推出“精確醫(yī)學(xué)計(jì)劃”，以推動(dòng)個(gè)性化醫(yī)療的發(fā)展[6,7]。

傳統(tǒng)上，醫(yī)生給予同種病人相同的藥物、相同的劑量及相同的周期。然而，由于人體的個(gè)性差異，相同的藥物對(duì)不同的人會(huì)產(chǎn)生不同程度的療效，有時(shí)根本無效，甚至危害更勝療效。精準(zhǔn)醫(yī)療提供了替患者量身訂做藥物的能力，但也帶來技術(shù)上的困難，特別是藥物的工藝研發(fā)及生產(chǎn)。傳統(tǒng)型生產(chǎn)方式采用大批量生產(chǎn)的辦法獲取高產(chǎn)量、低成本的產(chǎn)品，這并不符合精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)的精準(zhǔn)用藥精神。未來的趨勢(shì)將是采用精準(zhǔn)的藥物，針對(duì)每個(gè)個(gè)體或一小群人進(jìn)行定制，因而要求產(chǎn)品從工藝研發(fā)到生產(chǎn)制備周期必須極大地縮短，同時(shí)，產(chǎn)品的種類將增加。新一代的研發(fā)與生產(chǎn)技術(shù)平臺(tái)，可以滿足多品種、

小型化、柔性化的要求，并能極大地縮短從工藝研發(fā)到生產(chǎn)的周期，滿足精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)的要求[8]。

（四）對(duì)工業(yè)生物技術(shù)以及生物制造領(lǐng)域的推動(dòng)作用

現(xiàn)代社會(huì)利用微生物將生物質(zhì)資源轉(zhuǎn)化成人們生產(chǎn)生活需要的醫(yī)藥、生物基化學(xué)品和生物能源的工業(yè)生物技術(shù)，是解決人類目前面臨的資源、能源及環(huán)境危機(jī)的有效手段。

傳統(tǒng)的工業(yè)生物技術(shù)從研發(fā)到生產(chǎn)的周期漫長(zhǎng)，菌株開發(fā)、篩選和工藝研發(fā)的效率低下。新一代工藝研發(fā)與生產(chǎn)技術(shù)所包涵的微小型生物反應(yīng)器等新設(shè)備、高通量技術(shù)，以及質(zhì)量源于設(shè)計(jì)、過程在線分析等新的技術(shù)理念和方法，將對(duì)傳統(tǒng)工業(yè)生物技術(shù)產(chǎn)生極大的提升，使其研發(fā)的工藝在放大和生產(chǎn)的過程中，具有更好的可預(yù)測(cè)性，最終促成高效、安全和高質(zhì)量的生產(chǎn)，并降低成本。

二、新一代生物工藝研發(fā)與制造技術(shù)平臺(tái)的挑戰(zhàn)

美國(guó)食品藥品管理局(FDA)生物產(chǎn)品管理處主任Steven Kozlowski博士在2012年指出：使用細(xì)胞平臺(tái)制造生物產(chǎn)品最大的挑戰(zhàn)在于能在短時(shí)間研發(fā)出可以使細(xì)胞在理想環(huán)境生長(zhǎng)的穩(wěn)健的工藝過程；生產(chǎn)的產(chǎn)品必須能達(dá)到市場(chǎng)對(duì)于品質(zhì)、安全性及成本的要求，并且能夠預(yù)測(cè)在技術(shù)轉(zhuǎn)移與商業(yè)化生產(chǎn)過程中潛在的問題。這段話清晰地闡明了生物生產(chǎn)過程中的主要挑戰(zhàn)，即較短的研發(fā)時(shí)間、穩(wěn)健的工藝以及技術(shù)轉(zhuǎn)移過程和生產(chǎn)過程中潛在問題的可預(yù)測(cè)性。

基于前面的論述，為了應(yīng)對(duì)疫情，以及未來個(gè)性化醫(yī)藥的需求，新的技術(shù)需要極大地縮短工藝研發(fā)與生產(chǎn)的周期，這是開發(fā)新一代技術(shù)平臺(tái)所面對(duì)的核心挑戰(zhàn)。

同時(shí)，流行性疾病具有多變性、突發(fā)性與不可預(yù)測(cè)性，在此情況下，期望在短時(shí)間內(nèi)完成其疫苗的過程工藝研發(fā)及制造將是人們面對(duì)的一大難題。同樣，精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)的發(fā)展促使醫(yī)藥產(chǎn)品品種的多樣化，同時(shí)產(chǎn)品的數(shù)量要求減少，價(jià)格還需適中。這些難題的解決，在傳統(tǒng)的工藝研發(fā)與生產(chǎn)平臺(tái)上是無法實(shí)現(xiàn)的。上述需求，也構(gòu)成了新一代生物工藝研發(fā)與生物制造的技術(shù)需要面對(duì)的挑戰(zhàn)。

由于新一代生物工藝研發(fā)與生物制造相比于傳統(tǒng)的工藝研發(fā)和制造有一個(gè)質(zhì)的變化，因此相關(guān)的各個(gè)過程環(huán)節(jié)中的重要技術(shù)及關(guān)鍵設(shè)備也必須得到同步提升[9]。表1列出了新一代的研發(fā)和生產(chǎn)所需要的關(guān)鍵設(shè)備及相應(yīng)的重要技術(shù)平臺(tái)。

三、新一代生物工藝研發(fā)與制造的關(guān)鍵設(shè)備與核心技術(shù)

工藝研發(fā)過程中的小型或微型化是實(shí)行高通量技術(shù)的前提，在此基礎(chǔ)上可以實(shí)現(xiàn)從篩選到工藝研發(fā)的高通量化和自動(dòng)化，從而縮短研發(fā)到生產(chǎn)過程；在其后的生物制造中，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)單元的模塊化、生產(chǎn)的柔性化，從而快速高效或并行處理多個(gè)產(chǎn)品。上述技術(shù)，構(gòu)成了新一代生物工藝研發(fā)與生物制造的核心技術(shù)平臺(tái)。

表1 新一代生物工藝研發(fā)與生物制造的關(guān)鍵設(shè)備與重要技術(shù)平臺(tái)

（一）生物工藝研發(fā)中的關(guān)鍵設(shè)備和技術(shù)

1. 關(guān)鍵設(shè)備：微小型生物反應(yīng)器

生物產(chǎn)品在進(jìn)入過程研發(fā)階段以后，通常需要

先對(duì)數(shù)百細(xì)胞株進(jìn)行初篩，再對(duì)其中優(yōu)選的數(shù)十個(gè)細(xì)胞株進(jìn)行復(fù)篩。這個(gè)過程目前最廣泛使用的依然是搖瓶實(shí)驗(yàn)。但搖瓶實(shí)驗(yàn)與工業(yè)規(guī)模的發(fā)酵罐相差較大，導(dǎo)致?lián)u瓶復(fù)篩所得的菌株往往并不是真正的最優(yōu)細(xì)胞株[10]。微小型生物反應(yīng)器與常規(guī)小發(fā)酵罐類似，可準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)和控制工藝條件，能自動(dòng)化控制，平行性好，能夠準(zhǔn)確模擬菌體生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)和產(chǎn)物變化，并具放大性。除了微小型生物反應(yīng)器所能實(shí)現(xiàn)的高通量特性，在其中開發(fā)工藝所提供的工藝參數(shù)，也具有更高的質(zhì)量，其工藝具有更好的可預(yù)測(cè)性、易放大性、寬泛的適用性，從而滿足新一代工藝研發(fā)的要求。

相比傳統(tǒng)的菌種篩選與工藝研發(fā)過程，微小型生物反應(yīng)器具有如下關(guān)鍵的優(yōu)勢(shì)：①時(shí)間短，花費(fèi)少：實(shí)現(xiàn)高通量技術(shù)平臺(tái)，極大地節(jié)省時(shí)間和花費(fèi)；②結(jié)果更準(zhǔn)確：因其篩選環(huán)境與實(shí)際生產(chǎn)過程中的培養(yǎng)環(huán)境非常接近，更易于獲得真正優(yōu)良的細(xì)胞株；③所得信息更多：在菌株篩選以及早期的工藝優(yōu)化與研發(fā)過程中，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)工藝過程、菌株細(xì)胞特性的深入了解，為其后的工藝放大與生產(chǎn)提供高質(zhì)量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；④可預(yù)測(cè)性高：高通量、新的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理在微小型生物反應(yīng)器的綜合應(yīng)用，使得工藝研發(fā)過程對(duì)在生產(chǎn)過程中細(xì)胞株的表現(xiàn)具有了可預(yù)測(cè)性。

2. 大數(shù)據(jù)與智能化支持下的高通量技術(shù)

高通量技術(shù)(HTT)能夠?qū)崿F(xiàn)快速、智能、并行地采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，相比于傳統(tǒng)方法，它可數(shù)量級(jí)地提升研發(fā)的效率。工藝研發(fā)的高通量技術(shù)稱之為高通量過程研發(fā)(HTPD)，它可以用來在最基本的層面上獲取對(duì)產(chǎn)品及其過程的深刻理解，其相關(guān)的工具和技術(shù)包括：實(shí)驗(yàn)室自動(dòng)化、微型化和平行化、快速連續(xù)過程、有效的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、復(fù)雜數(shù)據(jù)的可視化和解析、建模和虛擬篩選等[11]。

近年來，那些易于建立、可放大且兼容一次性技術(shù)的高通量的微小型平臺(tái)，已被廣泛用于快速的過程研發(fā)及優(yōu)化。這類技術(shù)擁有以下3個(gè)重要特征：①微型化，低成本且能得到更大的實(shí)驗(yàn)量；②操作的高度自動(dòng)化，保證其準(zhǔn)確性及可重復(fù)性；③平行處理從而能對(duì)更寬的試驗(yàn)空間進(jìn)行評(píng)估，加深對(duì)過程的理解。

微小型生物反應(yīng)器與高通量技術(shù)是硬件平臺(tái)與軟件技術(shù)的關(guān)系。利用高通量微小型反應(yīng)器實(shí)現(xiàn)高通量的篩選與工藝研發(fā)，并實(shí)現(xiàn)單元操作工藝的模塊化與生產(chǎn)工藝的平臺(tái)化，是新一代工藝研發(fā)技術(shù)的關(guān)鍵目標(biāo)。

圖1 模塊化生產(chǎn)單元與靈活工廠

（二）生產(chǎn)制造中的關(guān)鍵技術(shù)

1. 一次性技術(shù)

在生物制藥領(lǐng)域，“一次性使用”是指在一次性使用后丟棄的物品或設(shè)備等。這些物品或設(shè)備構(gòu)成了所謂的一次性使用系統(tǒng)，而基于一次性使用系統(tǒng)的技術(shù)，被稱為一次性使用技術(shù)。

一次性生物反應(yīng)器相比于傳統(tǒng)的不銹鋼設(shè)備具有諸多優(yōu)點(diǎn)：①縮短產(chǎn)品上市時(shí)間；②提高生產(chǎn)效率；③節(jié)約生產(chǎn)成本；④提高產(chǎn)品品質(zhì)；⑤簡(jiǎn)化生產(chǎn)過程控制；⑥提高生產(chǎn)的穩(wěn)定性；⑦減少單元操作，不需要設(shè)備清洗與消毒滅菌；⑧在動(dòng)態(tài)藥品生產(chǎn)管理規(guī)范(cGMP)的生產(chǎn)中簡(jiǎn)化生產(chǎn)過程設(shè)備的審核成本與周期等[12]。

一次性使用技術(shù)可以提高工廠的使用率，降低能源耗用，且在投入資金、材料花費(fèi)、安全性、生產(chǎn)安排、快速部署能力及過程重現(xiàn)性方面都獨(dú)具優(yōu)勢(shì)?；谝淮涡韵到y(tǒng)建立的靈活工廠(flex factory) (見圖1)與傳統(tǒng)的制造工廠相比將節(jié)省60 %以上的資金投入，減少40 %的占用空間，減少80 %的用水及廢液排放，減少32 %的總體花費(fèi)，同時(shí)縮短60 %～75%的修建時(shí)間[13]。

2.整體工藝的平臺(tái)化即插即用的模塊化

制造過程中即插即用的模塊化是和一次性技術(shù)

相輔相成、共同發(fā)展的。制造車間的構(gòu)建、模塊設(shè)計(jì)、生產(chǎn)流水線都是基于一次性技術(shù)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)完成的，這種模塊化設(shè)計(jì)的工廠被稱為靈活工廠。靈活工廠中平臺(tái)化的技術(shù)使其各個(gè)不同的模塊可適用于多種不同的細(xì)胞系，包括哺乳動(dòng)物細(xì)胞、大腸桿菌、酵母、真菌及昆蟲細(xì)胞等。當(dāng)把發(fā)酵與純化等多個(gè)生物過程單元連接起來，即可形成一個(gè)完整的生物制造過程。

圖2 SimCell微型生物反應(yīng)器自動(dòng)管理系統(tǒng)示意圖及其反應(yīng)器結(jié)構(gòu)圖

圖3 AMBR15微型生物反應(yīng)器

四、高通量微小型生物反應(yīng)器的發(fā)展現(xiàn)狀

微小型生物反應(yīng)器可分為微型生物反應(yīng)器(0.1～15 mL)和小型生物反應(yīng)器(15～500 mL)。微型生物反應(yīng)器的通量更高，目前主要應(yīng)用于篩選和早期工藝研發(fā)的工作。小型生物反應(yīng)器的反應(yīng)體積相對(duì)較大，從控制系統(tǒng)、所提供的培養(yǎng)環(huán)境以及幾何結(jié)構(gòu)等方面更接近常規(guī)的生物反應(yīng)器。

（一）國(guó)外主要的微型生物反應(yīng)器

現(xiàn)有商業(yè)化的微型生物反應(yīng)器基于其工作原理，一般被分為三大類：氣泡/氣體穿透系統(tǒng)、攪拌式系統(tǒng)和搖床式系統(tǒng)。

1. 氣泡/氣體穿透系統(tǒng)

代表產(chǎn)品：SimCell(微型生物反應(yīng)器)自動(dòng)控制管理系統(tǒng)。SimCell系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)高通量細(xì)胞培養(yǎng)(見圖2)，它使用卡式微型生物反應(yīng)器，每個(gè)卡式微型生物反應(yīng)器含有6個(gè)700 μL(0.7 mL)的獨(dú)立控制的反應(yīng)室。通過機(jī)器人及相關(guān)的自動(dòng)化控制，SimCell系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)一次操作在最多1 200個(gè)細(xì)胞培養(yǎng)室中進(jìn)行相關(guān)的培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)工作。然而，由于其價(jià)格昂貴、使用復(fù)雜，此儀器并沒有獲得廣泛的應(yīng)用[14]。

2. 攪拌式系統(tǒng)

代表產(chǎn)品：Sartorius AMBR15。Sartorius的新一代微型生物反應(yīng)系統(tǒng)AMBR15是現(xiàn)在被廣泛應(yīng)用的新型微型反應(yīng)器(見圖3)，此系統(tǒng)能在自動(dòng)工作平臺(tái)上平行進(jìn)行并評(píng)估24或48個(gè)攪拌型微反應(yīng)器。每個(gè)微反應(yīng)器的工作容量為10～15 mL且有單獨(dú)的裝置來監(jiān)測(cè)和控制溫度、溶氧、酸堿度等實(shí)驗(yàn)參數(shù)。AMBR系統(tǒng)現(xiàn)主要用于基于動(dòng)物細(xì)胞的早期生物過程培養(yǎng)研究。

3. 搖床式系統(tǒng)

代表產(chǎn)品：Pall的Micro-24系統(tǒng)/micro-Matrix。Pall的Micro-24系統(tǒng)(見圖4)可以同時(shí)進(jìn)行24個(gè)實(shí)驗(yàn)，且每個(gè)微反應(yīng)器均能各自控制和監(jiān)測(cè)氣體供給、溫度及酸堿度。每個(gè)微反應(yīng)器的工作體積為10 mL以下。其低用量、高通量的特性成為進(jìn)行有效細(xì)胞培養(yǎng)研發(fā)的一種手段,并且其結(jié)果具有可放

大性。Micro-24可用于微生物發(fā)酵和哺乳動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)的研發(fā)[15]。2014年Applikon推出新一代的搖床式micro-Matrix系統(tǒng)，在原有Micro-24的功能下，micro-Matrix具有突破性的液體流加系統(tǒng)，在微型生物反應(yīng)器上實(shí)現(xiàn)高通量流加培養(yǎng)以支持高密度的生物培養(yǎng)。

圖4 Micro-24與 micro-Matrix微型生物反應(yīng)器

（二）國(guó)外主要小型生物反應(yīng)器

小型生物反應(yīng)器有以下的特點(diǎn)：①相比微型反應(yīng)器，具有更好更獨(dú)立的監(jiān)測(cè)和控制系統(tǒng)，能獲取更多的過程信息；②高度自動(dòng)化且能進(jìn)行平行實(shí)驗(yàn)；③以實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的生物反應(yīng)器為模板；④能準(zhǔn)確模擬生產(chǎn)過程中的生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)和產(chǎn)品表達(dá)；⑤基于攪拌速度、恒定溶氧、氧氣質(zhì)量傳遞和混合時(shí)間進(jìn)行過程放大是可行的；⑥采用攪拌的小型生物反應(yīng)器具有與臺(tái)式反應(yīng)器相當(dāng)?shù)呐囵B(yǎng)環(huán)境。

小型生物反應(yīng)器常常成為進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)(DoE)工作的工具。國(guó)外已經(jīng)商業(yè)化并已廣泛使用的小型生物反應(yīng)器有Sartorius的AMBR-250及Eppendorf的DASbox系統(tǒng)。

AMBR-250的工作體積為100～250 mL，可帶12或24個(gè)獨(dú)立的小型反應(yīng)器，并有兩款設(shè)計(jì)來滿足細(xì)胞培養(yǎng)和發(fā)酵的不同需求。此系統(tǒng)具有很好的可放大性，被廣泛用于過程研發(fā)及參數(shù)空間設(shè)計(jì)等研發(fā)工作[16]。DASbox平行系統(tǒng)(見圖5)工作體積為60～250 mL，以4套反應(yīng)器構(gòu)成一模塊，可串聯(lián)至24套或更多套同時(shí)運(yùn)作。DASbox可用于細(xì)胞培養(yǎng)和發(fā)酵體系，適用于過程研發(fā)及參數(shù)空間的設(shè)計(jì)，具有很好的重復(fù)性和可放大性。

（三）國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀及趨勢(shì)

常規(guī)的生物反應(yīng)器是我國(guó)生物技術(shù)與生物制藥技術(shù)產(chǎn)業(yè)化中薄弱的技術(shù)環(huán)節(jié)之一，其研究及技術(shù)上落后于國(guó)際水平，微小型生物反應(yīng)器的相關(guān)技術(shù)和研發(fā)基本處于空白階段。國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的微小型生物反應(yīng)器設(shè)備完全依靠進(jìn)口國(guó)外的設(shè)備，價(jià)格昂貴且沒有任何知識(shí)產(chǎn)權(quán)，完全沒有主動(dòng)權(quán)。

圖5 DASbox小型生物反應(yīng)器

五、新一代生物工藝研發(fā)與生物制造技術(shù)前景預(yù)期及意義

目前，以中國(guó)為代表的新興經(jīng)濟(jì)體的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)也正在著力于調(diào)整結(jié)構(gòu)和發(fā)展模式。后發(fā)國(guó)家完全有可能在新興產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)突破，帶動(dòng)整體科技競(jìng)爭(zhēng)力的躍升，造就新的產(chǎn)業(yè)發(fā)展和超越機(jī)會(huì)。中國(guó)與美國(guó)作為全球的大國(guó)，在各種天災(zāi)人禍的威脅面前，有著相似的處境與挑戰(zhàn)。新一代生物工藝研發(fā)與生產(chǎn)制造技術(shù)帶來的可快速應(yīng)對(duì)突發(fā)公共衛(wèi)生事件(傳染病、生物恐怖襲擊等)的能力，有助于國(guó)家安全戰(zhàn)略的提高。美國(guó)為應(yīng)對(duì)災(zāi)害所做出的在國(guó)家組織結(jié)構(gòu)形式、科研投入、法律與政策等方面的努力，都值得我們學(xué)習(xí)和借鑒。

新一代的生物工藝研發(fā)和生產(chǎn)制造技術(shù)將直接推動(dòng)和影響生物醫(yī)藥、疫苗、精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)、生物制造等眾多產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展，直接和間接的經(jīng)濟(jì)效益巨大。例如，目前全球生物醫(yī)藥經(jīng)濟(jì)規(guī)模在4 000億美元，預(yù)計(jì)5年后將超過5 000億美元。對(duì)于國(guó)家安全具有戰(zhàn)略意義的疫苗，目前的經(jīng)濟(jì)規(guī)模在240億美元，預(yù)計(jì)至2025年將突破1 000億美元。近些年興起的精準(zhǔn)醫(yī)療，2015年全球市場(chǎng)規(guī)模近600億美元，而其今后五年的年增速預(yù)計(jì)為15 %，未來發(fā)展空間巨大。新一代的工藝研發(fā)和生產(chǎn)制造技術(shù)還將帶動(dòng)生物新能源、環(huán)境等行業(yè)的發(fā)展。

新一代的工藝研發(fā)和生產(chǎn)制造技術(shù)將改變傳統(tǒng)技術(shù)平臺(tái)，帶動(dòng)全新概念的醫(yī)藥、醫(yī)療及疾病防治產(chǎn)業(yè)?！熬珳?zhǔn)醫(yī)學(xué)”的提出是相對(duì)于傳統(tǒng)醫(yī)療的一個(gè)質(zhì)的飛躍。目前，精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)檢測(cè)方法學(xué)不斷成熟，新的靶點(diǎn)不斷被發(fā)現(xiàn)，但是大家在討論精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)時(shí)常常忽略了經(jīng)濟(jì)、快速地提供實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)所需的多樣性藥物研發(fā)這一問題。新型的工藝研發(fā)與生產(chǎn)制造技術(shù)，結(jié)合早期的基因檢測(cè)和診斷，完成兩條腿走路，才能在整體上真正實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)醫(yī)療。

就醫(yī)藥行業(yè)來說，新一代生物工藝研發(fā)與生產(chǎn)制造技術(shù)能大大地縮短藥物從研發(fā)到生產(chǎn)的時(shí)間，大幅提前其上市時(shí)間，不僅經(jīng)濟(jì)收益巨大，還將對(duì)其他類似的藥物的審批及銷售產(chǎn)生巨大影響，其所帶來的變革將直接導(dǎo)致傳統(tǒng)型公司的沒落及新科技公司的崛起。

新一代研發(fā)與生產(chǎn)技術(shù)的完善與實(shí)施，將為人們提供快速應(yīng)對(duì)烈性傳染病等突發(fā)災(zāi)害威脅的有力手段，這個(gè)新的技術(shù)平臺(tái)對(duì)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)醫(yī)療的個(gè)性化藥物生產(chǎn)具有重要的意義。高效快速的研發(fā)和生物制造技術(shù)，不僅會(huì)在疫苗以及大分子藥物的工藝研發(fā)和生產(chǎn)中帶來新的突破，滿足現(xiàn)代社會(huì)對(duì)生物藥物研發(fā)與生產(chǎn)的新要求，而且其影響必定輻射到整個(gè)生物加工制造領(lǐng)域，開啟一個(gè)新的工藝研發(fā)與生物制造的時(shí)代。

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Advanced Bioprocess Development and Biomanufacturing Technologies and High Throughput Miniature Bioreactors

Jiao Peng1, Chen Biqiang2
(1. Boston Institute of Biotechnology, LLC, Southborough, MA 01772, USA; 2. Beijing University of Chemical Technology, Beijing 100029, China)

In recent years, the importance of rapid response time to virulent infectious disease is widely recognized. However, the traditional technologies for bioprocess development and manufacturing will not succeed in winning this war. US healthcare companies and related organizations including US Department of Human Health and Service, proposed and started working on the next generation of technology platforms for advanced bioprocess development and manufacturing (ABDM).The development of ABDM is to significantly reduce the timeframe for bioprocess development and manufacturing, making it possible to promptly respond to outburst of pandemic influenza and prevent it from outspreading. Meanwhile, the development of precision medicine also presents new demands to the biopharmaceutical industry. With the demand of small-scale production and fast turn-around time of precision medicine, the duration of development and manufacturing needs to be accelerated significantly. At the same time, the number of sub-groups of the product would increase, and the batch sizes and amount of final product would decrease, as well. To satisfy the demands of small-scale production and fast turnaround time of ABDM, micro- and mini-bioreactor is the key equipment. The major technologies of ABDM include high throughput screening and process development based on micro- and mini-bioreactors, disposable technology, modular unit operations and flexible manufacturing. The development of ABDM will directly strengthen the National Security, improve the

advance bioprocess development and biomanufacturing; virulent infectious disease; precision medicine; miniature bioreactor; high throughput technology; disposable technology

Q81

A

2016-05-17；

2016-06-30

焦鵬，波士頓生物工程技術(shù)研究院，博士，主要在生物工程和生物化工領(lǐng)域從事大分子蛋白藥物表達(dá)，代謝工程、微生物發(fā)酵與哺乳動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)、新型生物反應(yīng)器、生物工藝研發(fā)與過程表征，以及生物過程放大與工程化等工作；E-mail: peng.jiao@bostonbib.com

中國(guó)工程院重大咨詢項(xiàng)目“‘十三五’戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)培育與發(fā)展規(guī)劃研究”(2014-ZD-7)

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welfare of the people, and it also provides great social and economic values. The impact of this platform will radiate to the entire biomanufacture industry, and open a whole new era for the bioprocess development and bio-manufacturing.