​简介

相比传统批量和补料分批培养，灌流培养技术是增强细胞培养工艺效率，提高重组蛋白，特别是单克隆抗体产品，单位体积产量和质量的重要手段，经过相当一段时间的发展，已被生物制药企业广为采用。而细胞灌流培养是上游生物工艺“唯一”可实现的连续技术，所以随着连续工艺的推广，灌流的使用也是未来的必然路径。

作为细胞灌流培养工艺的核心，细胞截留设备的选择是成功进行灌流操作的关键，市面上有基于细胞沉降、超声、连续流离心以及旋转滤器等技术，虽各具优势，但也在可放大性、可靠性以及操作风险方面存在一定缺陷，而基于中空纤维切向流过滤（HF TFF）的细胞灌流技术已然成为制药工业的市场主流。

蠕动泵TFF的问题，膜污染和产物截留的原因

用于细胞灌流培养时，HF TFF有两种液流形式：传统的循环回路方式和今年来广受欢迎的交替流方式，即Alternating Tangential Flow（ATF）。

传统TFF一般使用蠕动泵作为液流驱动方式，液流单向循环，通常被认为在灌流过程中，容易形成膜污染，导致产物被截留；而ATF采用隔膜泵，液流被往复“推-拉”，这种技术假定正/反向的液流形式，可在运行过程中对膜进行反冲，使膜“再生”，从而获得更好的产物回收。

而Samantha W等研究发现，在细胞灌流培养中，导致传统蠕动泵式TFF膜容易污染，产物截留的主要原因，是蠕动泵泵动过程中的“挤压”方式形成的高剪切所导致的细胞裂解。

他们的实验平行比较了蠕动泵TFF和ATF，使用孔径0.2μm的中空纤维组件，进行产mAb的CHO细胞灌流培养，设置液流流速，使中空纤维内的剪切不超过2000S^-1。结果发现，蠕动泵TFF中的细胞生长速度低于ATF，活性下降较ATF快，产物截留也较ATF高。

在对反应器中物料颗粒粒径分布的分析中发现，采用蠕动泵TFF进行灌流的反应器中，100nm粒径范围的颗粒随着灌流的进行，不断积聚，到第8天，已是ATF的4.5倍。颗粒的这个大小范围，与0.2μm的孔径大小接近，很容易造成堵塞，影响产物透过。

在对细胞活性的分析中也发现，在蠕动泵TFF灌流的反应器中，出现了较高水平的细胞死亡，产生的细胞碎片以及释放的核酸、蛋白质和其它细胞性成分很容易堵塞膜孔，并造成膜污染。

事实上，膜污染包括几种不同的形式：膜表面形成凝胶层，膜孔桥接（搭桥）导致实际孔径变小以及颗粒“卡”进膜孔导致膜孔堵塞等，往复推拉式的反冲过程，可以部分去除前两种污染，但一旦颗粒碎片进入膜孔基层，很难去除只能通过滤出端反冲或更换组件。

磁力离心泵TFF vs. ATF

之后，研究人员将TFF中使用的蠕动泵换成了低剪切的磁悬浮离心泵，与ATF进行一对一的重新评估，培养至目标VCD，开始cell Bleeding，以维持稳定的VCD。结果显示，磁力泵TFF和ATF可获得相同的细胞生长曲线，在同一天达到目标VCD，且两种系统的细胞死亡率和100nm范围的颗粒都没有差别，且最终的产物收率也接近，磁力泵TFF为73%，ATF为71%。

磁力泵TFF和ATF比较，低剪切的磁力离心泵可消除TFF和ATF的性能差异，获得相近结果，包括A）VCD、B）LDH检测所得的特异性细胞死亡率、C）活性、D）产物滤过以及E）培养液中100nm粒径范围的颗粒总数。

结论

所以，文章的结论可概括为：

1. 传统TFF系统用于细胞灌流培养时，产物滤过较差，是因为其使用的蠕动泵所产生的更高的细胞死亡率所导致的，而不在于ATF系统中交替式切向流所谓的更高的清洗作用。

2. 如果细胞死亡率相当， TFF系统完全可获得与ATF系统相似的产物滤过特性

3. 使用低剪切的磁悬浮离心泵，将是ATF的可行替代

我们能做的....

Spectrum是目前市场上主要的生物制药用中空纤维产品供应商之一，我们提供最全面的不同材质、孔径以规格的中空纤维组件，用于生物制药、疫苗、诊断、纳米材料等领域，也包括细胞灌流培养。

为了进一步提高中空纤维细胞灌流技术的应用，我们开发了整合磁悬浮离心泵的细胞灌流培养技术，并结合中空纤维细胞灌流流路的一次性使用优势，将灌流操作更加简化。

中空纤维组件的重复使用，虽然在一定程度上可以节省成本，但是显著增加了操作的复杂程度和风险，首先，中空纤维高压灭菌时要求按照严格的灭菌程序，否则容易导致组件泄漏，其次，增加了硬件设备的投入，如具有程序升温功能的灭菌柜，而这种风险和成本在进行工艺放大时，也将相应增加。

仕必纯KML系列灌流系统，采用全整合设计，包括了进行细胞灌流培养所需的所有部件，真正做到“即取即用”的独立式操作，反应器在哪，就可在哪进行灌流培养，并实现自动化的平衡控制，没有额外的泵、气源等限制。

而针对细胞灌流培养过程中的产物截留问题，仕必纯开发了TFDF组件，这种组件兼具切向流过滤和深层过滤的优势，结合2-5μm及1-3μm更加“宽松”的孔径规格，可有效地避免膜污染，在特定条件下，可在整个灌流周期中，维持100%的产物透过。

另外，仕必纯即将推出的KML-50系统，可使用更小的中空纤维组件，进行低至250mL生物反应器的灌流培养，真正做到scale-down，方便工艺条件筛选，在当前的很多实验中，小规模研发所用组件为了确定工艺的可行性，往往会选用oversize的组件，这就导致放大时，容易出现反应器体积和中空纤维处理量不匹配的情况。进行小规模的“极限挑战”实验，对膜的通量、载量、压力等参数进行综合分析，可更“科学”与“合理”地进行规模放大。

参考文献：Samntha W., Scott G., Janani R., et al., Shear Contributions to Cell Culture Performance and Product Recovery in ATF and TFF Perfusion Systems. Journal of Biotechnology, DOI:https://dx.doi.org/doi:10.1016/j.jbiotec.2017.01.020.

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