在防止乳酸积累的同时繁殖细胞培养物的过程和系统技术方案

描述了一种预测模型，该模型可以基于初始，测量的浓度和历史数据来预测未来的参数浓度。可以使用多种多元技术来构建能够预测多种和不同的细胞系浓度的预测模型。预测模型也是可伸缩的。在一个实施方案中，确定未来的乳酸浓度轨迹，并且改变或修饰生物反应器内的至少一种条件以将乳酸浓度维持在期望的范围内。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】在防止乳酸积累的同时繁殖细胞培养物的过程和系统优先权要求本申请基于并要求于2017年11月20日提交的美国临时专利申请序列号62/588,464和于2018年10月18日提交的美国临时专利申请序列号62/747,311的优先权，两者均通过引用并入本文。
技术介绍
生物反应器是可以在实验室或工业规模上进行生物反应或过程的装置，在生物制药工业中被广泛使用。生物反应器可用于生产所有不同类型的生物产品。例如，生物产品可以包括细胞培养物和衍生自细胞培养物的材料，衍生自细胞培养物的材料包括饮料、生物燃料、生物能源、生物化学药品、抗生素、氨基酸、酶、单克隆抗体、单体、蛋白质、食品培养物、生物聚合物、酒精、调味剂和香料等等。在一些实施例中，细胞培养物可以生长用于细胞疗法。细胞疗法是通过施用已经离体操纵或改变的自体、异体或异种细胞来预防、治疗、治愈或减轻人类疾病或损伤。细胞疗法的一个目标是修复、替换或恢复受损的组织或器官。细胞培养物通常在分批过程中生长，其中生物材料保留在生物反应器中直到反应时间结束。在这些方法中的某些方法中，可以周期性地或连续地去除并再补充生物反应器中包含的流体介质，以补充流体介质中包含的营养物并可能去除在该过程中产生的有害副产物。在细胞培养物的生长过程中，培养基中关键代谢产物的调节可直接影响所生产产品的质量。例如，长期以来，乳酸浓度一直被认为是在细胞培养物，特别是哺乳动物细胞培养物的生长过程中控制的关键代谢产物之一。通常，在细胞培养的指数生长期产生大量的乳酸，而当细胞进入静止期时观察到消耗。高水平的乳酸可能会对细胞培养过程产生许多负面影响。例如，乳酸积累可能与产品质量和属性的负面影响相关。实际上，细胞培养物中乳酸的极度积累会使细胞培养在商业上无法使用。然而，细胞培养物中的乳酸行为是非常不可预测的。例如，由于调节细胞培养物中乳酸产生和消耗的机制尚不清楚和未知，本领域技术人员已经尝试监测和控制乳酸水平几乎没有成功。细胞代谢行为的高度多元、非线性和随时间变化的性质使得很难识别和纠正乳酸浓度背后的驱动力。历史上，上游生物过程已经通过去除样品进行监测，然后对样品进行分析以分析选定的代谢产物，例如乳酸水平。过去，已经进行了重复的乳酸浓度测量，以预测细胞培养物是否将以乳酸累积状态结束，从而降低产物浓度。不幸的是，以前的乳酸浓度计算在只发现了与乳酸积累有关的问题，该过程太迟而无法制定供给代谢物或操作条件。最近，本领域技术人员已经尝试设计预测性控制模型作为在生物产品生产期间使用的质量控制工具。例如，Quin等人在题为“工业模型预测控制技术的综述”的文章中公开了可商购的模型预测控制技术的概述，其通过引用并入本文。Zupke等人发表了一篇题为“实时产品属性控制以制造具有定义的N-连接的聚糖水平的抗体”的文章，并讨论了使用非线性模型预测控制的问题。Sommeregger等人发表了一篇题为“通过质量控制：对哺乳动物细胞培养生物过程进行模型预测控制的文章”，该文章旨在实施过程分析技术以转向更灵活的质量设计方法。然而，上述文章不仅不能公开乳酸浓度控制系统，而且不能提供与反馈机制结合的过程参数的鲁棒控制。鉴于上述情况，当前需要一种用于监测生物化学和生物制药过程(例如繁殖细胞培养的过程)的改进的过程和系统，该过程和系统允许进行连续或周期性调节以维持生物反应器内的最佳条件。例如，需要一种能够预测细胞培养物中的质量属性浓度并将该质量属性保持在期望限度内的方法和系统。特别地，需要一种方法和系统，该方法和系统不仅能够预测生长的细胞培养物中未来的乳酸浓度，而且能够修饰一个或多个生物反应器对照和/或输入以将乳酸浓度保持在预设的限度内。还需要用于防止乳酸在细胞培养物中积累的改进的方法和系统。
技术实现思路
本公开总体上涉及一种用于繁殖生物材料(例如细胞培养物)的方法和系统。例如，在一个实施例中，本公开的方法和系统针对繁殖的哺乳动物细胞培养物。根据本公开，已经开发了包含预测模型的控制器，该控制器能够在细胞培养的整个温育期内确定鲁棒的质量属性浓度，例如乳酸浓度。预测模型可用于在繁殖期间选择性地改变细胞培养物中的至少一种条件，以将质量属性浓度保持在预设的范围内。例如，通过本公开的方法和系统，细胞培养物可以以在过程结束时防止乳酸在细胞培养物中的积累的方式繁殖。例如，在一个实施例中，本公开涉及一种用于繁殖细胞培养物的方法。该过程包括确定细胞培养物中乳酸的浓度。另外，测量细胞培养物中至少一种乳酸影响参数。乳酸浓度和至少一个乳酸影响参数测量值被发送到控制器。根据本公开，控制器包括预测模型，该模型确定细胞培养物中乳酸的未来浓度。然后基于确定的细胞培养物中乳酸的未来浓度，选择性地改变细胞培养物中的至少一种条件，以将乳酸浓度保持在预设的限度内。如上所述，在一个实施例中，本公开特别地涉及控制细胞培养物中的乳酸浓度。然而，应当理解，本公开的方法和系统可以用于监测和控制细胞培养物中的任何合适的质量属性。除了乳酸之外，质量属性还可包括蛋白质、细胞生长速率、聚糖成分、电荷变体、聚集体、截留(clipping)，二硫键氧化或二硫改组变体。如下所述，该系统和方法特别适合于将乳酸浓度保持在预设范围内。在一个实施例中，细胞培养物在收获前具有温育期。例如，温育期可以为约12小时至约28天。乳酸浓度可以在温育期开始时进行测量并馈送至控制器。根据初始乳酸浓度，控制器可以在整个温育期结束时预测乳酸浓度。控制器还可以配置为确定用于改变细胞培养物中的至少一种状况的纠正措施，以便将乳酸浓度维持在预设的限度内。例如，在控制器确定细胞培养物中乳酸的未来浓度并采取任何纠正措施之前，可以在约12小时至约4天的时间内确定乳酸浓度信息。例如，在控制器做出乳酸预测确定之前，可以在约5％至约40％的温育期来测量的乳酸浓度。可以测量乳酸浓度，并在整个温育过程中将其送至控制器，从而使控制器可以继续做出未来的预测，并根据需要在细胞培养物中进行调整。如上所述，除了乳酸浓度之外，还测量至少一种乳酸影响参数并将其馈送到控制器。乳酸影响参数例如可以包括pH、谷氨酸浓度、葡萄糖浓度、天冬酰胺浓度、温度或营养物给料速率。在一个实施例中，测量至少两个乳酸影响参数，例如至少三个乳酸影响参数，并将测量的数据发送至控制器，用于确定细胞培养物中乳酸的未来浓度。在一个实施例中，在该过程中在细胞培养物中有选择地改变以控制乳酸浓度的至少一种条件是送到细胞培养物中的营养培养基。例如，可以改变营养培养基的成分和/或可以改变营养培养基的流速以影响乳酸水平。例如，营养培养基可以包含碳水化合物源、氨基酸源、维生素、脂质、蛋白质、肽或其混合物。在一个实施例中，在细胞培养物中改变以控制乳酸浓度的至少一种条件是细胞培养物的pH。在又一个实施例中，细胞培养物和营养培养基的pH均被改变和控制，以控制乳酸水平。本公开的系统和过程可用于控制任何合适的细胞培养。在一个实施例中，细胞培养物包含哺乳动物细胞。例如，细胞培养物可用于重组蛋白生产。控制器中包含的用于预测乳酸浓度的预测模型可以基于将乳酸浓度与先前本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于繁殖细胞培养物的方法，包括：/n确定细胞培养物中质量属性的浓度；/n测量细胞培养物中至少一种影响属性的参数；/n将质量属性浓度和至少一个属性影响参数测量值发送给控制器，该控制器包括预测模型，该模型确定细胞培养物中质量属性的未来浓度；和/n基于所确定的细胞培养物中质量属性的未来浓度来选择性地改变细胞培养物中的至少一种条件，以将质量属性浓度保持在预设限度内。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20171120 US 62/588,464;20181018 US 62/747,3111.一种用于繁殖细胞培养物的方法，包括：
确定细胞培养物中质量属性的浓度；
测量细胞培养物中至少一种影响属性的参数；
将质量属性浓度和至少一个属性影响参数测量值发送给控制器，该控制器包括预测模型，该模型确定细胞培养物中质量属性的未来浓度；和
基于所确定的细胞培养物中质量属性的未来浓度来选择性地改变细胞培养物中的至少一种条件，以将质量属性浓度保持在预设限度内。


2.根据权利要求1所述的方法，其中所述质量属性包括乳酸、蛋白质、聚糖、电荷变体、聚集体、二硫键氧化或二硫改组变体。


3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述预测模型使用至少两种不同的多元方法来确定未来浓度。


4.一种繁殖细胞培养物的方法，包括：
确定细胞培养物中乳酸的浓度；
测量细胞培养物中至少一种乳酸影响参数；
将乳酸浓度和至少一个乳酸影响参数测量值发送给控制器，该控制器包括预测模型，该模型确定细胞培养物中乳酸的未来浓度；和
基于确定的细胞培养物中乳酸的未来浓度，选择性地改变细胞培养物中的至少一种条件，以将乳酸浓度保持在预设的限度内。


5.根据权利要求4所述的方法，其中所述乳酸影响参数包括pH、谷氨酸盐浓度、葡萄糖浓度、天冬酰胺浓度、温度或营养物进料速率。


6.根据权利要求4或5所述的方法，其中，测量至少两个乳酸影响参数，并且将所测量的数据发送到所述控制器，以用于确定所述细胞培养物中乳酸的未来浓度。


7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，通过改变供给到所述细胞培养物中的营养培养基来选择性地改变所述至少一种条件。


8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述营养培养基包括碳水化合物源、氨基酸源、维生素、脂质、蛋白质、肽或其混合物。


9.根据权利要求7或8所述的方法，其中，通过改变营养培养基向细胞培养物的流速来改变供给到细胞培养物的营养培养基。


10.根据权利要求7、8或9所述的方法，其中，除了改变供给到细胞培养物中的营养培养基之外，还选择性地改变细胞培养物的pH，以将乳酸浓度保持在预定的限度内。


11.根据权利要求4至10中任一项所述的方法，其中所述细胞培养物在收获之前具有温育期，并且其中所述预测模型预测在所述温育期结束时的最终乳酸浓度。


12.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，细胞培养物在收获之前具有温育期，其中，在所述温育期中，选择性地改变所述细胞培养物中的至少一种条件，以使在温育期结束时细胞培养物的最终的乳酸浓度约小于2g/L、例如约小于1.5g/L、例如约小于1g/L。


13.前述权利要求中任一项的方法，其中所述方法导致细胞培养物的滴度浓度增加。


14.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述细胞培养物包含哺乳动物细胞。


15.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述细胞培养物以分批方法繁殖约12小时至约28天，然后收获。


16.根据权利要求15所述的方法，其中在所述控制器确定所述细胞培养物中的乳酸的未来浓度之前，确定...

【专利技术属性】
技术研发人员：B·J·唐尼，J·M·施密特，J·F·布赖特，
申请(专利权)人：隆萨有限公司，
类型：发明
国别省市：瑞士;CH