生物制剂厂房建设经验分享

Copyright 2012 JGC all rights reserved 日本生物制剂工厂经验分享 第四届“弗戈制药国际论坛” 陈凯东 Copyright 2012 JGC all rights reserved 2 目 录  １．日挥的介绍  ２．生物制剂工厂的设计 技术要点 设备构建 最新动向  3. 业绩介绍（录像） Copyright 2012 JGC all rights reserved １．日挥公司介绍 3 JGC World Operations Center 横滨 Laboratory (Oarai, Ibaraki Pref.) Copyright 2012 JGC all rights reserved 4 1928年10月成立，1969年东京股票第一部市场上市 注册资金 营业额 (2011年 财度 ) 雇员 日挥营业据点 子公司 235亿日元 (约合17.7亿人民币) 5569亿日元 日挥集团 9,200人 (其中日本国内 4,500 + 海外 4,700 ) 日本国内 2处 海外 10处 日本国内 28 海外 22 横滨总部 １．日挥公司介绍 Copyright 2012 JGC all rights reserved 5 １．日挥公司介绍 制药工厂建设业绩（例）: API Oral Solid Dosage Parenteral Packaging and Warehouse Bio pharmaceuticals Tissue Engineering Copyright 2012 JGC all rights reserved 日挥在生物技术领域的业绩 6 Food Environmental 设计和建设1000m3 的石油蛋白发酵生 产工厂（罗马尼亚） 日挥 由CVI公司 引进150L生物反应器 设计和建设应用微载体细胞培养技术的培养 设备 Fine Chemical 生物药品 Energy 再生医疗 利用固定化酵母的乙醇发酵设备 开设神户先端医疗中心/设计和建设再生医疗设施 公布重组DNA技术工业化指南（旧称通产省） 日挥参与了指南的制定 通过微生物培养 生产药品 通过动物细胞培养 生产药品 抗体药品 受托生产设备 设计和建设抗体药品受托生产 工厂 设计和建设微生物培养多品种工 厂（ Launch Plant ） 设计和建设对应再生医GMP的设施 设计和建设微生物培养受托 生产工厂 设计和建设应用浮游细胞培养技术 的培养设备 Copyright 2012 JGC all rights reserved 7 抗体药物生产工艺概略  细胞培养  细胞去除  Protein A层析《Capturing》  病毒灭活／去除  阳离子交换层析《Purification》  阴离子交换层析《Polishing》  最终过滤 Copyright 2012 JGC all rights reserved 8 抗体药物生产技术要点  提高抗体的产生率 ① 基因重组载体系统 ② 使用的宿主细胞株 ③ 使用的培养基 ④ 培养方法 ⑤ 细胞培养罐  提高抗体药品的质量 ⑥ 分离纯化工艺的研发 ⑦ 一次性技术（Disposable Technology） ⑧ 制药用水规格 ⑨ 生产环境（包含生物危害（Bio-hazard）） 生产 研发 Copyright 2012 JGC all rights reserved 9  DHFR (DeHydroFolate Reductase 二氢叶酸还原酶) 表达系统  常规方法  在DHFR抑制剂（MTX)的存在下进行选择，可获得高表达的重组体。  GS（Glutamine Sythetase 谷氨酰胺合成酶)表达系统  Lonza Biologics技术  GS的催化反应：谷氨酸＋氨→谷氨酰胺  在不含谷氨酰胺而含有谷氨酸的培养基中，且在GS抑制剂（MSX）的存在下 进行选择，可获得高表达的重组体。（将CHO cell作为宿主的情况下）  利用了能妨碍培养进行的氨，并且能抑制培养液中氨的水平。 （特别有利于分批培养/流加培养（Batch/Fed Batch培养））  通过使用含有谷氨酸的培养基，葡萄糖的消耗速度被抑制，由此可抑制妨 碍培养进行的乳酸的蓄积。 抗体药物生产技术的要点 （提高抗体的产生率） ①基因重组载体系统 Copyright 2012 JGC all rights reserved 10  CHO:Chinese Hamster Ovary Cell中国仓鼠卵细胞  CHO-K1  CHO-DG44;CHO-DUKX-B11： DHFR表达系统  CHO-K1SV(Lonza);CHO-S (Invitrogen): 浮游驯化;GS表达系统  PER.C6: Human embryonic retinoblast cell (transformed with Adenovirus type 5 E1A and E1B sequences) PERCIVIA公司（DSM Biologics和Crucell N.V.的合资公司）的技术 来自人类视网膜的细胞株 达到3.5g/L以上抗体蓄积浓度 抗体药物生产技术的要点 （提高抗体的产生率） ②使用的宿主细胞株 提高细胞的抗体生产能力、 并加快生产速度，增加抗体蓄积浓度。 0.1～1g/L ⇒ 10ｇ/L CHO-K1 细胞 PER.C6 细胞 Copyright 2012 JGC all rights reserved 11 从含血清培养基向无血清培养基转变  无血清培养基的优点 防止BSE,病毒的混入 降低纯化工艺的负荷 提高产生率  无血清培养基的缺点 不能利用血清所具备的效果。 (使pH值保持稳定,保护细胞免受剪切力的损害 ・・・・） 可能不能够实现稳定的培养 抗体药物生产技术的要点 （提高抗体的产生率） ③使用的培养基 必须研发产生率高的无血清培养基 Copyright 2012 JGC all rights reserved 12 抗体药物生产技术要点 （提高抗体的产生率） ④培养方法 培养方法  分批培养法（Batch Culture）  流加培养法（Fed-batch Culture）  重复分批培养法（Repeated-batch Culture）  灌注培養法（Perfusion Culture） Copyright 2012 JGC all rights reserved 13  Initial medium charge provides all nutrition for entire run. M Seed Culture Harvest 5 10 V ia b le C el l D en si ty ( ce ll s/ m l) Culture Time (Days) 106 10 5 10 4 0 P ro d u ct c o n c. Fermentor 分批培养法（Batch Culture) 抗体药物生产技术要点 （提高抗体的产生率） ④培养方法 Copyright 2012 JGC all rights reserved 14  Concentrated nutrients/factors are added during the run. MM Seed Culture Harvest Conc.nutrient/ factors 5 10 V ia b le C el l D en si ty ( ce ll s/ m l) Culture Time (Days) 10 6 10 5 10 4 0 P ro d u ct c o n c. Conc.nutrient/ factors Fermentor 流加培养法（Fed - Batch Culture) 抗体药物生产技术要点 （提高抗体的产生率） ④培养方法 Copyright 2012 JGC all rights reserved 15  A fraction of the biomass provides seed for next cycle. M Seed Culture (initial) Harvest 9/10 Vol. Medium 9/10 Vol. M 5 10 10 6 10 5 10 4 0 V ia b le C el l D en si ty ( ce ll s/ m l) Culture Time (Days) P ro d u ct c o n c. 1/10 Biomass remained Fermentor 重复分批培养法（Repeated-batch Culture） 抗体药物生产技术要点 （提高抗体的产生率） ④培养方法 Copyright 2012 JGC all rights reserved 16  Media are continuously exchanged (e.g., by gravity or centrifugation or filtration) M M Fermentor Continuous feeding Harvest (without biomass) Cell Return Separation system 5 10 V ia b le C el l D en si ty ( ce ll s/ m l) Culture Time (Days) 10 8 10 7 10 6 0 Perfusion start P ro d u ct c o n c. Continuous Culture 灌注培养法（Perfusion Culture） 抗体药物生产技术要点 （提高抗体的产生率） ④培养方法 Copyright 2012 JGC all rights reserved 17 动物细胞培养方法  分批培养法（Batch Culture）  流加培养法（Fed-batch Culture）  重复分批培养法（Repeated-batch Culture）  灌注培养法（Perfusion Culture） 抗体产生率最高/培养不稳定：灌注培养法 培养稳定/抗体产生率最小：分批培养法 重复分批培养法/流加培养法在の主流 Copyright 2012 JGC all rights reserved 18 动物细胞大量培养装置 （日挥大洗研究所） 抗体药品生产技术要点 （提高抗体的产率） ⑤细胞培养罐 Copyright 2012 JGC all rights reserved 19 无菌化及无菌保持技术 氧气供给方法 培养条件控制技术 搅拌技术 细胞大量培养技术 －主要构成技术－ 抗体药品生产技术要点 （提高抗体的产生率） ⑤细胞培养罐 Copyright 2012 JGC all rights reserved 20  要点・争论点  高度无菌管理为绝对条件  灭菌后无菌性的保持  本公司的技术・方法 用蒸汽进行灭菌是基础： 121℃ 15分以上 所有蒸汽通过的机器和管道的设计及其布局（Layout） 冷点，零死角设计／阀门的构造和构成 灭菌后保持正压 对灭菌温度的验证（Validation） 无菌化及其保持技术 －基于长期动物细胞培养的业绩－ 抗体药品生产技术要点 （提高抗体的产生率） ⑤细胞培养罐 Copyright 2012 JGC all rights reserved 21  要点・争论点  搅拌可产生剪切力→造成细胞损伤  通气方法为从上面进行通气，利用简单的Sparger， Silicone Tube等  本公司的技术・方法  利用特殊的喷雾器（Sparger）从底部通气  可实现极少量的氧气供给 氧气供给方法 抗体药物生产技术要点 （提高抗体的产生率） ⑤细胞培养罐 Copyright 2012 JGC all rights reserved 22  要点・争论点  控制条件使之不偏离设定值 →Hunting导致细胞损伤  以往只用PID来控制是不够的  特别是高精度温控是很重要的 控制精度：无法将温度控制在37℃±0.1～0.2℃。 有必要防止温度过冲（Overshoot）超过37℃。  本公司的技术・方法 通过试错（Trial and Error）积累的相关数据经验实现模糊控制 通过模型预测控制（Model Predictive Control）实现高精度温调 两种控制方式均可以实现精度非常高的温度控制 实现37℃±0.1～0.2℃／防止温度过冲 培养条件的控制技术 抗体药品生产技术要点 （提高抗体的产生率） ⑤细胞培养罐 Copyright 2012 JGC all rights reserved 23  要点・争论点  应维持细胞呼吸、代谢所必需的搅拌状态 →氧气和二氧化碳的传质  搅拌可同时抑制剪应力、维持传质速率  本公司的技术・方法  在搅拌罐的设计上具有丰富的业绩  通过实证、功能探讨搅拌操作条件的妥善性  探讨大规模生产（Scale up） 搅拌技术 抗体药品生产技术要点 （提高抗体的产生率） ⑤细胞培养罐 Copyright 2012 JGC all rights reserved 24 O2气泡 及O2浓度 剪应力 CO2浓度 Low High 搅拌技术 －CFD模拟事例－ 抗体药品生产技术要点 （提高抗体的产率） ⑤细胞培养罐 Copyright 2012 JGC all rights reserved 25  培养液（培养Broth) → 使培养中的细胞破坏最小化  细胞去除单元操作（抗体蛋白存在于细胞外（培养液中））  过滤  离心分离  利用色谱分离实现阶段性的纯化工艺  Protein A (对抗体蛋白特异性识别并结合的蛋白质）  阳离子交换  阴离子交换  原料药液浓缩用UF膜  纯化工艺中的病毒清除 抗体药物生产技术要点 （提高抗体药物的质量） ⑥分离纯化工艺的研发 → 分离可使细胞破坏最小化 → 很好地解决了缓冲液的差异问， 以最小工数实现高效率精制 Copyright 2012 JGC all rights reserved 26 抗体药物生产技术要点 （提高抗体药物的质量） ⑦一次性技术（Disposable Technology）  优势  成本（减少固定资产）  不需要C/SIP以及清洗验证  削减了C/SIP所必要的公用设施(WFI，PS)的使用  高效的空间利用  一次性使用可防止交叉污染  保护操作者  可灵活地变更工艺  劣势  完整性／密闭性  与药剂等的适应性（来自于film材料的化学物质的溶出）  废弃物处理（固体废弃物）  操作上的熟练度（袋子的安装设置等）  温度控制 出处：ISPE Baseline Guide 「Biopharmaceutical Manufacturing Facilities」 ・欧美的生物制剂厂家不断地将其 变成通用的技术。 ・而日本仅停留在一部分技术的使 用阶段。 Copyright 2012 JGC all rights reserved 27 关于生物药品生产所使用的制药用水水质的观点 水的用途 动物细胞 微生物细胞 培 养 纯化水、高度纯化水或WFI1) 饮用水5)、工艺用水3)或纯化水 采收/回收 及粗精制 与上一工程使用的为 同等质量的水2) 与上一工程使用的为 同等质量的水 最终精制 纯化水或WFI 4),5) 洗涤用水(initial) 最终冲淋水 饮用水或高于其质量的水 生产工程所用的水 由ISPE Baseline Guide 「Biopharmaceutical Manufacturing Facilities」改変 1) 动物细胞的培养和微生物细胞相比，对水质的感受性较高。为了去除病毒有必要加热处理 2) 在由于工艺原因不能去除生物负荷（bioburden） /热源(pyrogen)的精制工程中，要使用最终水质。 3) 工艺用水：去离子水、除盐水 etc. 4) 在内毒素为0.25EU/ml下管制特定微生物的纯化水，实际上采用WFI的情况很普遍 5) 根据不同地方规定所定义的饮用水，有必要对其进行管理以确保其质量符合工艺的要求 抗体药物生产技术要点 （提高抗体的产生率） ⑧制药用水规格 Copyright 2012 JGC all rights reserved 28 生物危害对象范围及生物危害设计思想 （基于动物细胞培养的生物制剂的生产） 种子培养 预培养 培养 细胞 分离 灭活前 精制 出厂 制作 培养基 配制 缓冲液 批量 灌装 配制 缓冲液 BSL对象范围(病毒可能存在的范围） GILSP对象范围（转基因生物可能存在的范 围） 培养废液处理 （Cal tank） 灭活后 精制 ① 关于转基因生物的生物危害设备的对应，从卡塔赫纳条约批准生效之后， 在重组动物细胞的情况下，已经变成了生物危害对象之外，对其要求事项也没有了。 ② 另一方面，通过对动物细胞由来或其原材料由来的病原性病毒污染进行安全性评估， 从而设计安装基本上没有病原性病毒的具有检查原材料和产品的能力及具有灭活・去除 能力的生产工程，大体上极大地降低了病源性病毒所致的污染风险。 ③ 因此，关于在生物学制剂等生产场所中的生物安全对应，根据②的观点，由于可以认为 基本上不存在病原性病毒，对于作为操作环境的建筑物和设备以及安全场所，到灭活前 精制步骤为止，可以实施BSL-2＋α的建筑物设备对应。完全实施BSL-3对应被认为是 不必要的。 Copyright 2012 JGC all rights reserved  精制工程中的病毒灭活 用Protein A洗脱液（pH3)保持30分钟，使病毒灭活  精制工程中的病毒清除 安装除病毒过滤器  用以上方法计算出总病毒清除指数（Log Reduction Value; LRV)  通过实施小规模工艺中利用模型病毒的spike test，实施病毒验证，以评估 工艺中的除病毒能力 病毒清除 在生产工艺中 总病毒清除指数与病毒验证 Copyright 2012 JGC all rights reserved 利用细胞培养生产蛋白质 30 O2要求量小 剪应力弱 通气量、 搅拌动力小 变化量小 环境变化对应力弱 需要精密的 控制 •控制范围小 •培养罐大小为10～20m3 •分批式培养、灌注式培养 易被CO2氨等 抑制 去除抑制物质的 方法是必要的 Copyright 2012 JGC all rights reserved 抗体药物生产设备构建的观点 31 大规模投资有风险。 考虑到其他抗体药物的产品化，以积累相关的生 产技术。 期望缩短从临床到商业化生产所用的时间。 建设Launch Plant的讨论 （建设从研发到初期生产所需规模的Malti-plant） （１）由实验室到临床生产规模的扩展（scale up) Copyright 2012 JGC all rights reserved 抗体药物生产设备构建的观点 32 在扩展工厂规模的同时担心不确定因素。 期望建设从培养，精制到最后制剂生产的具有实际生 产能力的工厂。 Scale Up技术 Plant Engineering技术的重要性 （２）扩展工厂规模，使其具有实际生产的能力 Copyright 2012 JGC all rights reserved 产量增加与保持原料药质量的一贯性 33 在生产量放大的过程中，如何保持各临床阶段中 抗体药物原料药质量的一贯性，是一个课题 Bench/Pilot Scale 数10～数100 litre Laboratory Scale 数litre Commercial Scale 数10,000 litre 《抗体药物生产的规模扩展与临床阶段》 P1～P2临床试验新药的生产 非临床试验新药～ P1临床试验新药的生产 P3临床试验新药～上市药的生产 药品研发的特性：工艺研发与临床研发相链接。 引用LONZA公司的Web site Copyright 2012 JGC all rights reserved 抗体药物生产工艺技术的最新动向  抗体药物临床试验用药生产工艺的平台化  一次性技术的积极采用  一次性技术的课题  纯化工艺的瓶颈化  抗体药物的高浓度化（从点滴，静注到皮下注射的转变）  抗体药物生产设备的存在方式 34 Copyright 2012 JGC all rights reserved 抗体药物生产工艺技术的最新动向(1/6)  抗体药物临床试验用药生产工艺的平台化  抗体药物的特性是蛋白质的物性差异几乎没有  尽可能将抗体药物临床试验用药的生产工艺平台化  在平台改进的过程中不实施特定品种的工艺优化  抗体药物临床研发中的最大目标是—— POC （Proof of Concept） Fast 35 Copyright 2012 JGC all rights reserved  一次性技术的积极采用  加快产品间转换（不需要清洗） 消除因生产规模的扩大，所致UFW/WFI、C/SIP 及其 他的公用设施的瓶颈化  迅速且灵活地应对临床试验用药突发性增产 36 GE Healthcare Bio-sciences （株） ReadyMate TM （BioQuate） Alfa Laval（株） HyNetics Single-Use Mixing systems Xcellerex Inc. XDR TM Disposable Bioreactor 抗体药物生产工艺技术的最新动向(2/6) Copyright 2012 JGC all rights reserved  一次性技术的课题  保存袋及过滤器的普及  运营成本增加（袋的费用）  使用后的袋的废弃物处理问题  各个工艺设备，单元操作设备的技术成熟度不一致 培养罐，深层过滤器，TFF/UF及低压色谱等一次性产品 虽在日本有销售 但目前这类产品在日本使用仍尚少 关于离心机，在日本国内没有销售 设备供应商全部都是欧美企业 目前，实际应用一次性设备的部分是限定的 37 抗体药物生产工艺技术的最新动向(3/6) Copyright 2012 JGC all rights reserved 抗体药物生产工艺技术的最新动向(4/6)  纯化工艺的瓶颈化  培养技术，实现生产成本降低 生产细胞的高表达化带来的蓄积量的高浓度化(通常2～ 5g/L，最大27g/L）以及培养基等的改良，缩短了培养期 （15～18日→10～12日）  提纯技术，实现蛋白质吸附量极限化 Protein A层析凝胶的成本偏高(400L约6亿日元) 通常采用分批提纯 增加Protein A以及吸附色谱凝胶的吸附量是一 项课题 削减纯化阶段的次数 （由3个工段减为2个工段） 采用其他提纯方法（溢流提纯，非层析纯化的替代方法 (膜色谱法;结晶;沉淀;相位分离）） 技术上的课题很多 38 Copyright 2012 JGC all rights reserved  抗体制剂的高浓度化（从点滴，静注到皮下注射的转变）  抗体药物投药量大 通常采用点滴、静注给药 为了减少患者负担，目前在研发皮下注射方式  高浓度皮下注射（100mg/ml） 液粘度上升带来的操作上的困难 凝聚体（pH，添加剂）将导致抗体药物抗体的产生 发生产品的损耗 超滤浓缩系统的高效化将提高超滤浓缩液的回收率及防 止凝聚体的生成。这是一个技术性课题 39 抗体药物生产工艺技术的最新动向(5/6) Copyright 2012 JGC all rights reserved  抗体药物生产设备  抗体药物生产设备的投资额很大 → 如何有效地使用生产设备  通过Multi-scales/Multi-products提高使用率  通过采用Buffer In-line Mixing System 实现缓冲罐的减容化，并提高灵活性  通过积极采用一次性技术，缩小设备规模 （制药用水设备、排水设备） 40 抗体药物生产工艺技术的最新动向(6/6) Copyright 2012 JGC all rights reserved 41 动物细胞培养法 生物制剂生产设施的业绩（录像） 本项目特征 株式会社Pacific Biologics （现更名为 东洋纺Biologics株式会社） 工厂类型 ：Bio-bulk 建设地点 ：滋贺县 完工年份 ：2004年 职责范围 ：从基本设计到验证（ＯＱ） • 4吨级动物细胞培养生产生物制剂工厂 • 开工前与FDA CBER实施了TYPE-C Meeting （对应c-GMP） Copyright 2012 JGC all rights reserved 42 本项目特征 第一Asubio Pharma株式会社 （现更名为 Asubio Pharma株式会社） 工厂类型 ： Bio-bulk工厂 建设地点 ： 群马县 完工年份 ： 2005年 职责范围 ： 从工厂基本构想到验证 • 生物原料药Launch Plant - Multi-products - Multi-scales • 对应cGMP • 入选2006 FOYA Finalist 微生物培养法 生物制剂生产设施的业绩（录像） 由ISPE等主办的于2004年3月至2005年10月在 欧洲、美国、亚洲等世界各国举办的活动中， 颁给具有最优秀的技术水准的制药相关设施的奖项。 （ Finalist为世界前5名） Copyright 2012 JGC all rights reserved 43 JGC--Long and Diverse Experience 日挥株式会社 事业推进本部 陈凯东 0081-45-6828518 Chen.kaidong@jgc.co.jp Copyright 2012 JGC all rights reserved 44