將活體細(xì)胞作為治療藥物進(jìn)行移植的治療方法為許多急性病和慢性病提供了新型的治療選擇。然而細(xì)胞的生物復(fù)雜性卻限制了細(xì)胞治療從實(shí)驗(yàn)室規(guī)模放大到可靠、經(jīng)濟(jì)的生產(chǎn)規(guī)模。我們在這里提出一種應(yīng)對以上挑戰(zhàn)的解決方法——通過質(zhì)量源于設(shè)計(jì)(QbD)的原則來設(shè)計(jì)細(xì)胞的生產(chǎn)工藝。QbD將科學(xué)知識與風(fēng)險(xiǎn)評估整合到了生產(chǎn)工藝開發(fā)中，并已被生物制藥工廠所接受。雖然仍需進(jìn)一步的技術(shù)開發(fā)才能*實(shí)現(xiàn)，但在細(xì)胞治療生產(chǎn)工藝中存在著大量可以與QbD聯(lián)合的機(jī)會。而通過QbD鏈接可測分子，細(xì)胞群細(xì)胞特性與zui終產(chǎn)品質(zhì)量是實(shí)現(xiàn)細(xì)胞治療醫(yī)療轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵步驟。

過去十年使用細(xì)胞作為治療藥物的細(xì)胞治療領(lǐng)域得到了的增長。雖然*個造血干細(xì)胞移植可以追溯到19世紀(jì)50年代，但對于不同適應(yīng)癥的細(xì)胞療法卻是隨著臨床細(xì)胞的培養(yǎng)技術(shù)突破而從近期才開始的。生產(chǎn)臨床應(yīng)用的細(xì)胞治療產(chǎn)品通常需要以下步驟：獲取或生成起始細(xì)胞株；培養(yǎng)；改造；收獲；濃縮；純化；制劑，zui終罐裝（以特定濃度和成分條件制備細(xì)胞治療產(chǎn)品， 分裝到zui弱產(chǎn)品的“容器”中，以及其它分裝后過程）；儲存；以及產(chǎn)品運(yùn)輸。雖然這些步驟與從哺乳細(xì)胞中生產(chǎn)治療蛋白的過程是相似的，但因?yàn)榛铙w細(xì)胞的高度復(fù)雜性，對其作用機(jī)制的不*了解，產(chǎn)品性質(zhì)的不同以及初始材料的多樣性使得細(xì)胞治療產(chǎn)品的生產(chǎn)更為挑戰(zhàn)。而以上這些嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)都可以利用QbD來進(jìn)行解決，而在新的技術(shù)方案的放大實(shí)現(xiàn)中，產(chǎn)品的研發(fā)和生命周期的管理都是監(jiān)管機(jī)構(gòu)所推崇的。

2002年，美國FDA引進(jìn)了cGMP倡議來應(yīng)對藥物生產(chǎn)失敗追尋其潛在原因時(shí)的低效及挑戰(zhàn)，并在2006年協(xié)調(diào)會議上概述了QbD的框架，用系統(tǒng)的方法基于科學(xué)知識與風(fēng)險(xiǎn)評估來進(jìn)行工藝和產(chǎn)品管理。今天，隨著小分子制藥生產(chǎn)對QbD的廣泛接受，越來越多的生物制藥生產(chǎn)也開始將QbD原則貫徹到它們的工藝中。雖然一些監(jiān)管機(jī)構(gòu)，如Health Canada， 目前只接受了針對于典型化藥和生物藥的以QbD為基礎(chǔ)的建議書，而在細(xì)胞為基礎(chǔ)的治療方法中使用QbD可以極大的提高對工藝和產(chǎn)品的理解和產(chǎn)出。事實(shí)上，細(xì)胞治療產(chǎn)品的生物復(fù)雜性使QbD的迭代原則尤為貼近于這種治療方式。

這里我們回顧了主要的QbD概念（BOX 1）并討論其在四個臨床在研細(xì)胞治療產(chǎn)品中的應(yīng)用：多功能干細(xì)胞誘導(dǎo)的心肌細(xì)胞，造血干、祖細(xì)胞(HSPCs)，間質(zhì)干細(xì)胞(MSCs)和嵌合抗原受體(CAR)-T細(xì)胞(表1)。

這四種細(xì)胞治療產(chǎn)品吸引了眾多醫(yī)藥公司爭相投資。在新興的PSC誘導(dǎo)的治療方法中，Ocata Theerapeutics (美國)公司針對致盲癥的PSC誘導(dǎo)視網(wǎng)膜細(xì)胞療法已經(jīng)進(jìn)入臨床實(shí)驗(yàn)，目前已經(jīng)被Aslas Pharma(東京)公司以3.79億美元收購，Novartis(瑞士)公司投資了3500萬美元給Gamida Cell(以色列)公司的臍帶血擴(kuò)增技術(shù)，并達(dá)成與Regenerex(美國)公司在HSPC產(chǎn)品上的*許可與合作事宜。2010年Mesoblast(紐約)公司與Cephalon(現(xiàn)在是Teva公司的子公司，以色列)達(dá)成了一項(xiàng)20億美金的MSC技術(shù)合作項(xiàng)目。針對惡性疾病的CAR-T細(xì)胞療法是Novaritis與賓州大學(xué)(費(fèi)城)；Pfizer公司(紐約)與Cellectis公司(巴黎)；Amgen公司(美國)與Kite公司(美國）；GlaxoSmithKline公司（倫敦）與Adaptimmune公司(英國)；Celgene公司(美國)與Bluebird公司(美國)；Celgene公司與Juno Therapeutics(西雅圖)合作與收購的主題。然而即使這些或其它的細(xì)胞療法已經(jīng)有了令人興奮的臨床進(jìn)展，但生產(chǎn)中仍有許多挑戰(zhàn)需要克服。QbD提供了一個合理的框架來應(yīng)對這些挑戰(zhàn)并促進(jìn)細(xì)胞療法作為一種常規(guī)治療選擇的實(shí)現(xiàn)。如果這些挑戰(zhàn)不被解決將導(dǎo)致全行業(yè)都無法實(shí)現(xiàn)在可控成本條件下生產(chǎn)出高質(zhì)量的產(chǎn)品，也會影響范圍內(nèi)>600個再生醫(yī)學(xué)臨床實(shí)驗(yàn)的產(chǎn)業(yè)化。

應(yīng)用QbD進(jìn)行細(xì)胞生產(chǎn)

生物反應(yīng)器系統(tǒng)因其可規(guī)?；?，易于集成檢測技術(shù)及可以自動響應(yīng)來維持環(huán)境均一性等特點(diǎn)，成為生產(chǎn)治療型蛋白所需的細(xì)胞培養(yǎng)方法。然而，這些系統(tǒng)是為了獲得高蛋白產(chǎn)量而設(shè)計(jì)的，而不會優(yōu)先考慮細(xì)胞本身。相比之下，細(xì)胞治療產(chǎn)品生產(chǎn)過程中生產(chǎn)出的健康的功能細(xì)胞對環(huán)境因素有高度的敏感性。許多生物反應(yīng)器類型，細(xì)胞生產(chǎn)模式，規(guī)模和控制參數(shù)目前已經(jīng)可以應(yīng)用于細(xì)胞治療產(chǎn)品生產(chǎn)中(圖1)。了解這些不同的“模塊”的性能和它們?nèi)绾螒?yīng)用于細(xì)胞治療產(chǎn)品生產(chǎn)對于QbD是至關(guān)重要的，相反也可以應(yīng)用QbD更深入了解以上要點(diǎn)。

QbD包括產(chǎn)品和工藝描述，表征，設(shè)計(jì)，監(jiān)控和持續(xù)改進(jìn)(圖2)。而這些都由對基本生物學(xué)和某一產(chǎn)品及其工藝工程的深入了解來指導(dǎo)。

QbD由目標(biāo)產(chǎn)品質(zhì)量概況(目標(biāo)產(chǎn)品的質(zhì)量指標(biāo)； QTPP)，直接影響產(chǎn)品安全性和有效性的定義屬性(關(guān)鍵質(zhì)量屬性)，通過定義這些會影響性能的參數(shù)(關(guān)鍵過程參數(shù))和建立設(shè)計(jì)空間來限制影響質(zhì)量屬性的參數(shù)變異。接下來，開發(fā)控制策略來保持過程參數(shù)在一個范圍內(nèi)來確保產(chǎn)品質(zhì)量，并且在放大過程中進(jìn)行工藝驗(yàn)證。相對于傳統(tǒng)的基于離散點(diǎn)的控制策略，QbD標(biāo)識了一個可以生產(chǎn)出高質(zhì)量產(chǎn)品的可以接受的操作區(qū)域或多元設(shè)計(jì)空間。一旦實(shí)施，這個生產(chǎn)工藝被監(jiān)控且隨著對工藝的深入理解可以被不斷改進(jìn)(圖3)。

目標(biāo)產(chǎn)品質(zhì)量概況(QTPP)

QTPP描述了所需終產(chǎn)品的屬性，如一致性，效力和純度，這也是QbD的起點(diǎn)。我們展示了四個細(xì)胞治療產(chǎn)品的QTPP作為舉例(圖2)。重要的是，每個細(xì)胞治療產(chǎn)品的一致性，效力和純度的定義取決于各自使用的療法。定義嚴(yán)格，標(biāo)準(zhǔn)容易衡量是建立QTPP的關(guān)鍵。

鑒定  對于蛋白和小分子藥物，鑒定由分子組成來定義。然而，細(xì)胞鑒定(即，表型)是復(fù)雜的連續(xù)體，通常知之甚少。鑒定通?？梢酝ㄟ^細(xì)胞表面某種功能活性相關(guān)的標(biāo)志蛋白存在與否來證明，鑒定使用流式細(xì)胞術(shù)。然而，這種方法可能會遺漏其它由生產(chǎn)工藝或工藝改變引起的表達(dá)變化的信息標(biāo)志。對細(xì)胞效力穩(wěn)定快速的生物分析可以緩解這些擔(dān)心，但也需要更多的關(guān)注標(biāo)準(zhǔn)化鑒定分析。在體內(nèi)鑒定與血液重構(gòu)相關(guān)的細(xì)胞表面標(biāo)志性質(zhì)廣泛應(yīng)用到了對造血系統(tǒng)研究中的鑒定上。在一些情況下，多種細(xì)胞類型的存在有助于臨床，這被反應(yīng)在鑒定屬性上。在2006年，MSC的zui小鑒定標(biāo)準(zhǔn)被提出，這些細(xì)胞主要作為多功能細(xì)胞代替治療被開發(fā)出來。如今，熱點(diǎn)在于免疫分子聯(lián)合含有不同性質(zhì)MSC的更廣泛組織來源，而這需要新的鑒定標(biāo)準(zhǔn)來確定治療相關(guān)的分群。在CAR-T工藝中，目標(biāo)細(xì)胞群必須表達(dá)嵌合抗原受體（CAR）和正確的T細(xì)胞標(biāo)記?？梢杂糜阼b定產(chǎn)品及區(qū)分未轉(zhuǎn)換T細(xì)胞和不良的已轉(zhuǎn)入CAR的細(xì)胞，隨著越來越多特異性CAR被開發(fā)出來，開發(fā)出可以鑒定非需、與細(xì)胞治療產(chǎn)品共反應(yīng)的可靠檢測將成為必需。

效力  細(xì)胞治療產(chǎn)品不僅要有正確的同一性，他們的功能也必須與體外的功能分析中表現(xiàn)的一致。檢驗(yàn)這些功能的關(guān)鍵因素是效力，它能測量藥物活性，是評價(jià)工藝過程變化所帶來的影響的重要手段。測試分泌細(xì)胞因子的生物活性將是一種更合適的效價(jià)測定方法。在前面的例子，CAR-T細(xì)胞破壞靶細(xì)胞作為細(xì)胞工程的結(jié)果，其作用機(jī)制能被更好地理解。CAR-T細(xì)胞與表達(dá)適當(dāng)?shù)陌锌乖?xì)胞在一起孵育可以用來量化T細(xì)胞脫顆粒，細(xì)胞因子的釋放，以及其在體外的增殖和細(xì)胞毒性。CAR-T細(xì)胞由于具有同一性，單一的檢測不能充分定性其多種方式的效力。

效力與力量不同，有劑量依賴性。兩種藥效等效的藥物中，較低強(qiáng)度藥物是藥物。同樣，從風(fēng)險(xiǎn)和成本的角度來看，在低強(qiáng)度或可行的細(xì)胞密度下，具有力的細(xì)胞治療產(chǎn)品是。很多方法可用于確定細(xì)胞密度和存活力，各有優(yōu)缺點(diǎn)。制造商應(yīng)該仔細(xì)考慮哪種方法對產(chǎn)品zui合適，并確保所獲得的數(shù)據(jù)反映了預(yù)期用途。例如，細(xì)胞密度和活力往往是通過測量中間代謝活動來間接測量，可以被其他因素影響，包括改變種群構(gòu)成，線粒體的含量或活性，底物充足、生長介質(zhì)的氧化還原狀態(tài)或溫度。

純度  細(xì)胞治療產(chǎn)品的雜質(zhì)可以包括不合需要的細(xì)胞類型，污染，輔助材料和微粒。細(xì)胞純度的閾值在治療之間有所不同。心肌細(xì)胞治療，移植心肌細(xì)胞瞬時(shí)節(jié)點(diǎn)誘發(fā)心律失常，而非心臟細(xì)胞與心臟組織沒有電磁耦合，也可能導(dǎo)致心律失常。在PSC來源的細(xì)胞治療，僅有1/4000剩余的未分化 PSCs也會導(dǎo)致畸胎瘤。雖然這個閾值低于流式細(xì)胞儀檢測水平–基于表型分析，zui近描述的方法例如對心肌細(xì)胞的代謝選擇或者抗PSCs的篩選可以大大降低這種風(fēng)險(xiǎn)。，在雙臍帶造血干祖細(xì)胞移植中，T細(xì)胞雜質(zhì)可以引起免疫并發(fā)癥，雖然T細(xì)胞和其他細(xì)胞在移植中也有輔助功能。骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞是已知的多功能細(xì)胞，而在CAR-T細(xì)胞療法，增生性幼稚或中央記憶T細(xì)胞在zui后CTP（細(xì)胞治療產(chǎn)品）中的比例可能影響療效。對于基因工程改造獲得的細(xì)胞治療產(chǎn)品，純度分析必須確定所需的改進(jìn)型細(xì)胞的頻率，其他類型的細(xì)胞，和任何的遺傳工程帶來的脫靶效應(yīng)。

細(xì)胞培養(yǎng)對各種污染很敏感，顯著的微生物（細(xì)菌、真菌、支原體）、內(nèi)毒素和細(xì)胞交叉污染，使他們不適合使用。此外，由制造設(shè)備和材料所產(chǎn)生的非細(xì)胞的顆粒物（包括塑料碎片，殘留的載體和纖維）必須被嚴(yán)格控制。CTPS的生產(chǎn)一般需要生物活性物質(zhì)的雞尾酒，包括細(xì)胞因子、小分子、血清和載體。這些輔助材料必須充分除去，以免被視為藥物本身。他們也可以改變其他過程生物可變因素。例如，二甲基亞砜，常用的冷凍保護(hù)劑，可以增加增塑劑從生物反應(yīng)器管道中浸出，和pH值指標(biāo)可以影響細(xì)胞的分化。因此，質(zhì)量目標(biāo)產(chǎn)品配置文件必須描述這些輔助材料在zui終產(chǎn)品中的zui大殘留水平以確保其安全性，而且需要有額外的處理以免影響zui終的細(xì)胞產(chǎn)量。

關(guān)鍵質(zhì)量屬性和關(guān)鍵工藝參數(shù)

在開發(fā)制造工藝流程時(shí)，確定能保證產(chǎn)品質(zhì)量的決定性屬性是必須的。這些關(guān)鍵質(zhì)量屬性可以是物理的，化學(xué)的，生物學(xué)的，或微生物特性或特征，且應(yīng)在適當(dāng)?shù)南薅?，范圍，或分布以保證預(yù)期的產(chǎn)品質(zhì)量。換句話說，關(guān)鍵質(zhì)量屬性是QTPP屬性，直接關(guān)系到產(chǎn)品的安全性和有效性，包括那些在表2中列出的屬性。

關(guān)鍵質(zhì)量屬性受關(guān)鍵工藝參數(shù)和原材料屬性變化的影響，必須加以控制。關(guān)鍵工藝參數(shù)包括細(xì)胞功能特征如生長動力學(xué)、細(xì)胞年齡、細(xì)胞分泌的因子或特異基因的表達(dá)，而非細(xì)胞特征，如原材料屬性、物理化學(xué)參數(shù)（pH、溶解氧、溫度）或外源因子的濃度。闡明相關(guān)的關(guān)鍵質(zhì)量屬性、關(guān)鍵工藝參數(shù)和原料屬性，包括進(jìn)行實(shí)驗(yàn)、機(jī)制建模、使用先驗(yàn)知識和應(yīng)用廣泛的分析技術(shù)。

一旦確定了這些參數(shù)和屬性，就進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評估，按重要性對zui有影響的關(guān)鍵工藝參數(shù)和材料屬性進(jìn)行研究（圖2）。關(guān)鍵質(zhì)量屬性直接決定產(chǎn)品的質(zhì)量，而關(guān)鍵的工藝參數(shù)和材料屬性的影響關(guān)鍵質(zhì)量屬性間接影響產(chǎn)品質(zhì)量。一些關(guān)鍵質(zhì)量屬性可能與可識別的關(guān)鍵工藝參數(shù)和材料屬性無關(guān)（圖3）。

關(guān)鍵質(zhì)量屬性指導(dǎo)工藝過程和產(chǎn)品開發(fā)，并應(yīng)隨著工藝過程知識的發(fā)展而不斷改良。早期的工藝發(fā)展過程中，一個基礎(chǔ)廣泛的多參數(shù)細(xì)胞屬性的分析對于確定在以后的開發(fā)階段集中在一組更為明確的的關(guān)鍵參數(shù)是有用的。值得注意的是，識別和測量關(guān)鍵質(zhì)量屬性的取值是具有挑戰(zhàn)性的。若不首先對關(guān)鍵質(zhì)量屬性有所理解，復(fù)雜的多參數(shù)研究（“設(shè)計(jì)空間”下面討論）可能價(jià)值有限，這些研究確定多種參數(shù)對關(guān)鍵質(zhì)量屬性的影響。因此，早期CTP的發(fā)展應(yīng)著眼于確定關(guān)鍵質(zhì)量屬性，隨著這些基礎(chǔ)知識的增長，日益成熟的經(jīng)驗(yàn)或機(jī)制實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ涂梢杂脕硖剿鞯年P(guān)鍵工藝參數(shù)和材料特性的影響。

產(chǎn)品的安全性和有效性受許多過程參數(shù)的影響，包括生物反應(yīng)器系統(tǒng)的操作特性。例如，攪拌不僅可以確保均勻的環(huán)境條件也改變剪切敏感的細(xì)胞表型。溶氧影響PSCs，HSPCs和間充質(zhì)干細(xì)胞，對效力和純度有潛在影響。即使輕微的pH值變化也會產(chǎn)生重大影響，如果不加以控制，細(xì)胞代謝會降低pH值。代謝副產(chǎn)物也會直接影響結(jié)果。例如，乳酸的積累和pH值的降低與細(xì)胞生長受抑制和PSC 表型損失有關(guān)。媒介交換率和策略（例如，批，分批或灌注）可以用來控制廢物和內(nèi)源分泌因子積累。

CTP生產(chǎn)中使用的反應(yīng)物不斷改進(jìn)。許多候選的CTPs，來源于復(fù)雜的血清基質(zhì)培養(yǎng)在成纖維細(xì)胞上，越來越傾向于通過化學(xué)限制性培養(yǎng)基來培養(yǎng)，無異物，cGMP配方，以減少工藝的可變性。然而，起始試劑的可變性（基礎(chǔ)培養(yǎng)基、重組蛋白、小分子和起始細(xì)胞來源）仍然存在，必須加以量化。減少培養(yǎng)基的組分的策略將減少所需cGMP等級數(shù)，減少大量需驗(yàn)證的試劑。生長因子和小分子在小批量臨床開發(fā)中往往不易獲得，而且價(jià)格昂貴，生長因子活性變化很大，可能對過程結(jié)果產(chǎn)生重大影響?；跇?biāo)準(zhǔn)化和一致的細(xì)胞活性檢測，或是結(jié)構(gòu)敏感的生化檢測，以減輕相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)。

細(xì)胞擴(kuò)大通常是一個經(jīng)濟(jì)考慮，但如果它影響CTP質(zhì)量，可能是一個重要的質(zhì)量屬性.對于病人具有特定性的CTPs，細(xì)胞擴(kuò)大實(shí)現(xiàn)的程度可能影響劑量。生產(chǎn)HSPC和CAR-T療法來源于單一供體的細(xì)胞需要足夠的細(xì)胞擴(kuò)張以達(dá)到靶劑量。相比之下，異源的 CTPs，需要重點(diǎn)考慮細(xì)胞老化和穩(wěn)定性。延長的細(xì)胞擴(kuò)大和酶分離現(xiàn)象也會導(dǎo)致基因異常的累積。細(xì)胞數(shù)量的從而影響效力（削弱的分化潛能）和純度（增加的變異細(xì)胞）。

細(xì)胞信號因子的分泌可能是一個效能屬性或一個關(guān)鍵的過程參數(shù)。在PSC系統(tǒng)中，自分泌和旁分泌信號是需要的，以維持多功能表型。類似地，向心肌細(xì)胞分化的過程中，循環(huán)灌注料可以緩解骨形態(tài)發(fā)生蛋白（BMP）的激動劑和拮抗劑累積所帶來的心室樣細(xì)胞純度降低。培養(yǎng)HSPC也會有這種情況，分泌型細(xì)胞因子的積累是 CTPs質(zhì)量的主要決定因素，因此也是一個關(guān)鍵的過程參數(shù)。相比之下，MSCs通過免疫調(diào)節(jié)因子的分泌獲得療效，從而代表一個關(guān)鍵質(zhì)量屬性。持續(xù)發(fā)展的可測量分泌因子的在線傳感器系統(tǒng)將提高我們對細(xì)胞培養(yǎng)中分泌因子的理解和控制能力。細(xì)胞擴(kuò)大過程取決于起始細(xì)胞數(shù)量和所用試劑的質(zhì)量。HSPC擴(kuò)張產(chǎn)量變化與起始細(xì)胞群的表型（CD34 +的分?jǐn)?shù)）非線性相關(guān)。篩選系統(tǒng)已發(fā)展到可以量化觀察PSC分化潛能的可變性；由于捐贈者個體的差異CAR-T細(xì)胞治療在細(xì)胞輸入量和所輸入細(xì)胞得組分方面，具有高度的可變性。這些療法的效力與細(xì)胞增殖的相關(guān)性，療效可能通過選擇特異性細(xì)胞亞型而受掌控。在病人特異性的細(xì)胞治療療法中，捐贈者的差異與同種異源療法一樣，可以通過QbD方法加以系統(tǒng)研究從而控制或減輕這種變異的來源。

產(chǎn)品設(shè)計(jì)空間

設(shè)計(jì)空間描述關(guān)鍵工藝參數(shù)和關(guān)鍵質(zhì)量屬性材料的交互作用和變化范圍，或“正常操作范圍”，這與保持產(chǎn)品質(zhì)量是相容的。關(guān)鍵工藝參數(shù)的可變性與CTP生產(chǎn)特別相關(guān)，因?yàn)檩斎爰?xì)胞的可變性和關(guān)鍵工藝參數(shù)之間的復(fù)雜相互作用，必須相應(yīng)地加以調(diào)整。設(shè)計(jì)空間內(nèi)的更改不被視為工藝變更，因?yàn)樗鼈儗﹃P(guān)鍵質(zhì)量屬性的影響已經(jīng)被研究并確定是可以接受的。QbD 的這一特征極大地減少了管理機(jī)構(gòu)的負(fù)擔(dān)。FDA的觀點(diǎn)是，在可靠的科學(xué)數(shù)據(jù)和健全的質(zhì)量體系基礎(chǔ)上改變設(shè)計(jì)空間內(nèi)的操作參數(shù)不需要發(fā)布通告。此外，定義良好且經(jīng)過驗(yàn)證的設(shè)計(jì)空間不需要進(jìn)行大量的內(nèi)部測試，因?yàn)橄到y(tǒng)的性能已經(jīng)得到了描述（只剩下發(fā)布測試作為主要測試步驟）。

設(shè)計(jì)空間是在多因素過程、實(shí)驗(yàn)和系統(tǒng)建模的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。我們舉例說明了一個關(guān)鍵工藝參數(shù)和一個材質(zhì)屬性的設(shè)計(jì)空間（圖2）。雖然在一個復(fù)雜的CTP系統(tǒng)中建立一個高度自信的設(shè)計(jì)空間是具有挑戰(zhàn)性的，有兩個互補(bǔ)的工具可以用來指導(dǎo)設(shè)計(jì)空間開發(fā)：實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)（DOE）和系統(tǒng)建模。

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

DOE描述了一組方法，對于有組織和有結(jié)構(gòu)的科學(xué)研究，以理清因素和結(jié)果之間的關(guān)系。生物反應(yīng)器的控制下，使得對細(xì)胞在響應(yīng)一系列關(guān)鍵工藝參數(shù)的變化后的行為做出系統(tǒng)評價(jià)成為可能，從而識別*操作條件和闡明產(chǎn)品工藝的設(shè)計(jì)空間。已有的方法可以在統(tǒng)計(jì)學(xué)上有意義的探索和多參數(shù)過程的界定方法涉及到一系列的測試來確定輸入變量（單獨(dú)或組合）對結(jié)果的影響。DOE可以用來開發(fā)由傳統(tǒng)方法逐步優(yōu)化看起來高不可攀高度的過程，從而增加過程的健強(qiáng)性和成本效率，此外它還可以用來進(jìn)行綜合成本分析。多參數(shù)研究將受益于使用新的小規(guī)模生物反應(yīng)器系統(tǒng)來開發(fā)關(guān)鍵工藝參數(shù)的響應(yīng)面（方框2）。

基于DOE的相互作用的兩個關(guān)鍵工藝參數(shù)的影響的調(diào)查（播種密度、攪拌速率）對PSC培養(yǎng)確定了工藝優(yōu)化，逐步實(shí)驗(yàn)可能會錯過。關(guān)于播種密度的相似研究，培養(yǎng)基體積和補(bǔ)料時(shí)間使用響應(yīng)面分析法以確定細(xì)胞分裂之后細(xì)胞*產(chǎn)量的條件。在對HSPC 的研究中，我們早期研究細(xì)胞擴(kuò)大所必需的細(xì)胞因子，多個研究采用了DOE方法的探索和優(yōu)化細(xì)胞培養(yǎng)。從造血干細(xì)胞產(chǎn)生中性粒細(xì)胞，有研究發(fā)現(xiàn)此過程受四種細(xì)胞因子的交互作用所控制，這一過程如果沒有DOE方法不可能被發(fā)現(xiàn)，使用細(xì)胞因子的簡化模型也不可能發(fā)現(xiàn)。在對MSC的研究中，初步設(shè)計(jì)空間已經(jīng)確定了不同的微載體，細(xì)胞接種密度，葉輪幾何參數(shù)對zui終細(xì)胞擴(kuò)大的影響。

DOE必須將關(guān)鍵過程參數(shù)不僅與細(xì)胞擴(kuò)大相關(guān)的關(guān)鍵質(zhì)量屬性起來，而且還要與身份、效力和純度屬性相關(guān)聯(lián)。我們強(qiáng)調(diào)的是多參數(shù)的調(diào)查應(yīng)該只針對zui重要的關(guān)鍵質(zhì)量屬性；過度分析風(fēng)險(xiǎn)識別無關(guān)的特性，可能導(dǎo)致對生產(chǎn)過程中的狀態(tài)信息的誤導(dǎo)。隨著過程知識的發(fā)展，對關(guān)鍵質(zhì)量屬性和關(guān)鍵過程參數(shù)的反復(fù)評估有助于消除不相關(guān)參數(shù)的研究。

系統(tǒng)建模

鑒于細(xì)胞與環(huán)境之間相互作用的復(fù)雜性，系統(tǒng)建模將使得開發(fā)設(shè)計(jì)空間獲益巨大。大組學(xué)數(shù)據(jù)集提供了構(gòu)建減少參數(shù)的機(jī)制模型的出發(fā)點(diǎn)，這一模型將關(guān)鍵工藝參數(shù)與關(guān)鍵質(zhì)量屬性起來（圖3）。盡管迄今為止還沒有產(chǎn)生過這樣的模型，但各種各樣的模型技術(shù)已被用于整合細(xì)胞和生物信號，以預(yù)測與CTP生產(chǎn)相關(guān)的關(guān)鍵質(zhì)量屬性。干細(xì)胞過渡狀態(tài)的劃分模型指導(dǎo)微環(huán)境調(diào)控和培養(yǎng)補(bǔ)料策略?；诮M學(xué)數(shù)據(jù)的代謝途徑分析和重建已被廣泛應(yīng)用于優(yōu)化生物制藥生產(chǎn)并適用于CTP生產(chǎn)。這些分析，描述了特定氨基酸對于PSC 培養(yǎng)的關(guān)鍵性，而代謝通量分析已被用于描述在不同的氧水平PSCs 指數(shù)生長時(shí)代謝通路的活性，以預(yù)知培養(yǎng)基的配方。zui近，PSCs 來源的心肌細(xì)胞不同的乳酸代謝模型已被利用來實(shí)現(xiàn)高純度的心肌細(xì)胞，表明基于代謝建模來優(yōu)化CTP生產(chǎn)是可行的。

隨著產(chǎn)品的發(fā)展，大量的有價(jià)值的數(shù)據(jù)積累起來。將這些數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)到關(guān)鍵質(zhì)量屬性，以建立起網(wǎng)絡(luò)模型達(dá)到預(yù)測目的技術(shù)得以開發(fā)。例如，統(tǒng)計(jì)工具如多元分析可以識別基因的子集（或其他元素）在組學(xué)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)與所期待反應(yīng)有關(guān)。這種方法確定了多種樣品中的起始和zui終的HSPC的種群構(gòu)成，這一種群構(gòu)成是一個關(guān)鍵的工藝參數(shù)，可被用于作為其他病人特定治療的起始材料變異性種群構(gòu)成的參考?；跀U(kuò)展模型以識別關(guān)鍵過程參數(shù)，基于基因表達(dá)數(shù)據(jù)集，模型設(shè)計(jì)空間的發(fā)展，需要與確定關(guān)鍵工藝參數(shù)相關(guān)的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測和驗(yàn)證。zui近關(guān)于輸入因子與變化的細(xì)胞狀態(tài)的相關(guān)性計(jì)算表明，基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)可以鏈接關(guān)鍵工藝參數(shù)和關(guān)鍵質(zhì)量屬性。CTP領(lǐng)域的有價(jià)值的下一步是使用建模技術(shù)將表型與效力起來。

控制策略

過程分析技術(shù)是一種設(shè)計(jì)、測量、監(jiān)測和控制關(guān)鍵過程參數(shù)（包括pH值、溶氧、溫度、密度和營養(yǎng)水平）的方法，是QbD的一個重要元素。生物制藥的生產(chǎn)工藝使用先進(jìn)的控制策略實(shí)現(xiàn)對工藝變量的在線監(jiān)測和控制，這些技術(shù)同樣適用于CTP生產(chǎn)。的確，CTPS與其他生物制劑相比而言增加的復(fù)雜性，為更先進(jìn)的監(jiān)測和控制策略的創(chuàng)造了一個很好的機(jī)會。zui近，我們的團(tuán)隊(duì)展示了在人類臍帶血擴(kuò)大工藝中，實(shí)時(shí)監(jiān)控和控制可溶性信號因子，以增加細(xì)胞的產(chǎn)出。分泌因子的測量和控制，細(xì)胞群組成和其他先進(jìn)的工藝參數(shù)，這些因素的重要性在細(xì)胞療法中越來越被認(rèn)可。

QbD的未來應(yīng)用

盡管CTPs生產(chǎn)的產(chǎn)業(yè)化面臨諸多挑戰(zhàn)，其前景十分樂觀。幾十年細(xì)胞培養(yǎng)產(chǎn)業(yè)化工藝設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)，提供了在生物反應(yīng)器的放大和強(qiáng)化，細(xì)胞代謝，培養(yǎng)基設(shè)計(jì)，補(bǔ)料策略優(yōu)化和工藝過程控制方面的工業(yè)化基礎(chǔ)。我們對細(xì)胞與環(huán)境相互作用的理解認(rèn)識正在提高，能夠控制細(xì)胞環(huán)境的生物反應(yīng)器系統(tǒng)，正在生成越來越集中于分子和細(xì)胞信息的數(shù)據(jù)集。與此同時(shí)，我們對細(xì)胞狀態(tài)的分子基礎(chǔ)的認(rèn)識，包括粘附依賴，代謝網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，集落形成和增殖的控制，正在不斷提高。雖然我們在此集中討論的是上游生產(chǎn)工藝過程，QbD對下游操作同樣適用。同樣，工藝設(shè)計(jì)只是產(chǎn)品生命周期的一部分，利用這里描述的QbD工具為CTP生命周期創(chuàng)造了靈活可變又經(jīng)得起檢驗(yàn)的工藝。

CTPs的未來取決于細(xì)胞生產(chǎn)低成本技術(shù)的發(fā)展。鑒于CTPs固有的復(fù)雜性和它的生產(chǎn)工藝，將今天試驗(yàn)中CTPs轉(zhuǎn)換成廣泛使用的藥物，QbD方法是*的。