基于质量源于设计的CHO细胞培养过程优化和代谢特征研究

摘要

近年来随着临床需求的增加，单克隆抗体药物发展迅速，如何提高哺乳动物细胞生产治疗性抗体的产量和质量越来越受到重视。细胞培养是单抗药物生产的关键环节，直接影响到单抗的产量和质量。目前在哺乳动物细胞培养过程的优化研究中，主要关注工艺参数对最终的过程性能——单抗产率等指标的影响，但是对于工艺参数是如何影响过程性能的研究较少，这在一定程度上阻碍了抗体药物的发展。目前仅依据在动物细胞培养过程中获得的理化环境参数、代谢产物和活细胞密度等过程数据，仍不足以了解细胞培养过程。为此，本文基于质量源于设计理念，采用代谢组学分析方法和多变量数据分析技术，深入分析过程数据，发现与工艺参数、理化环境参数、过程性能相关的代谢成分，增加细胞培养过程的理解，并为得到一致的过程性能提供控制策略。主要研究内容和创新成果如下:
　　1、细胞培养过程理化参数与单抗产率的相关性研究。针对不同培养工艺条件下获得的过程数据，包括理化参数和过程性能指标，分别采用单因素数据分析方法和多变量数据分析方法优化了工艺参数，识别了参数之间的相互关系，揭示了不同工艺参数下与单抗产率相关的理化特征。利用PLS模型的回归系数指示细胞不同培养阶段的过程数据对单抗产率的影响。研究表明，多变量数据分析技术能够从过程数据中提取与抗体产率相关的理化特征，为工艺参数的优化和细胞培养过程的监测提供了参考。
　　2、提出了基于质量源于设计理念开发细胞培养上清液的半定量分析方法的新策略。以CHO细胞培养上清液中的六种代表性成分为分析目标，采用风险评估和因子分析筛选出影响HPLC-MS/MS分析质量的关键分析参数;采用响应曲面分析实验设计方法进一步研究了关键分析参数与HPLC-MS/MS分析关键质量属性之间的关系，确定了关键分析参数的操作空间。验证实验和方法学实验结果表明，在质量源于设计理念的指导下，HPLC-MS/MS用于分析单抗分泌细胞培养上清液的代表性成分的响应有了显著的提高，这为开发代谢物的液质联用分析方法提供了参考。
　　3、质量源于设计用于细胞培养工艺参数的优化。以不同pH、培养温度和溶解氧条件下的细胞培养上清液为研究对象，通过PLS回归筛选关键过程参数;利用PCA识别不同水平的关键过程参数下影响显著的代谢物，结合Pearson相关性考察得到与单抗产率相关的代谢物，找到联系关键过程参数与单抗产率的代谢物及相关代谢通路。研究结果表明，质量源于设计有助于关键过程参数的筛选，借助化学计量学方法和代谢组学可以了解单抗生产的关键过程参数与关键质量属性之间的联系。
　　4、不同生产规模下细胞培养过程的代谢特征研究。利用聚类分析方法分别对不同生产规模下的理化环境参数、代谢物和过程性能三者之间的相关性进行研究与比较，识别了与理化环境参数、过程性能相关的代谢物和代谢活动。并以中试规模下细胞培养过程的代谢特征为例，提出过程控制策略。

目录

声明

致谢

摘要

缩略语

第1章 绪论

1．1 生产单克隆抗体细胞培养

1．1．1 细胞培养研究概况

1．1．2 细胞培养过程性能指标

1．1．3 影响细胞培养过程性能的因素

1．2 先进技术在细胞培养研究中的应用进展

1．2．1 代谢组学技术

1．2．2 多变量数据分析技术

1．3 质量源于设计理念在细胞培养研究中的应用进展

1．3．1 质量源于设计概述

1．3．2 质量源于设计在细胞培养工艺优化中的应用

1．3．3 质量源于设计在代谢物分析方法开发中的应用前景

1．4 本文的研究思路与内容

第2章 细胞培养过程理化参数与单抗产率的相关性研究

2．1 前言

2．2 实验部分

2．2．1 细胞培养

2．2．2 过程数据的采集

2．2．3 过程数据分析

2．3 结果与讨论

2．3．1 不同工艺条件下理化参数的特征研究

2．3．2 理化参数指纹图谱的研究

2．4 小结

第3章 基于QbD的代谢物HPLC-MS／MS分析方法研究

3．1 前言

3．2．1 实验部分

3．2．2 结果与讨论

3．2．3 小结

3．3 HPLC-MS分析方法的耐用性研究

3．3．1 实验部分

3．3．2 结果与讨论

3．3．3 小结

3．4 HPLC-MS／MS分析方法学研究

3．4．1 实验部分

3．4．2 结果与讨论

3．4．3 小结

第4章 基于代谢物分析的细胞培养过程优化研究

4．1 前言

4．2 实验部分

4．2．1 细胞培养

4．2．2 细胞培养上清液代谢物研究

4．3 结果与讨论

4．3．1 代谢物定性分析和半定量分析

4．3．2 关键过程参数

4．3．3 细胞培养过程代谢变化

4．3．4 pH引起的代谢变化

4．3．5 温度引起的代谢变化

4．3．6 单抗产率相关性代谢物分析

4．4 小结

第5章 不同规模下细胞培养过程的代谢特征研究

5．1 前言

5．2 实验部分

5．2．1 细胞培养

5．2．2 试剂与仪器

5．2．3 理化分析

5．2．4 样品的制备和代谢物分析

5．2．5 数据分析

5．3 实验结果

5．3．1 中试规模下与过程性能相关的代谢特征研究

5．3．2 小试规模下与过程性能相关的代谢特征研究

5．3．3 不同规模特征代谢活动的比较分析

5．3．4 中试规模下细胞培养过程中的代谢组学研究

5．4 小结

第6章 总结与展望

参考文献

作者简历及在学期间所获得的科研成果