如何快速地大規模生產疫苗？夠幾十億人用的那種_風聞
返朴-返朴官方账号-关注返朴（ID：fanpu2019）,阅读更多！2020-11-15 21:49
撰文 | 季靜遠
編輯 | 徐介暉、周聖鈞、高松齡
審核 | 趙鑫、張可人
來源：探臻科技評論
01 大規模生產前的準備
疫苗的開發分為三個主要階段：實驗室內的抗原發現，用於臨牀的小規模生產工藝開發（中試）以及供全球使用的大規模的疫苗生產，整個流程如下圖所示[3]。
從實驗室方法到工業生產過程的轉變需要對疫苗生產方法進行基於科學，技術，法規以及實施方法的改進，整個過程需要涉及多個領域的知識，此過程極為困難並且可能發生許多的失敗。建立穩定的，可重複的生產工藝是成功長期供應疫苗的關鍵。工藝開發，設備選擇和設施設計決定了疫苗生產工藝，而且這一工藝必須滿足動態藥品生產管理規範（Current Good Manufacture Practices，cGMP）。
02 大規模生產的普適流程
建立工作種子庫：為確保每批原料相同，所有生物過程均始於認證的種子庫系統中的分裝，再用於微生物，動物細胞或病毒。
培養：在一系列體積逐漸增加的生物反應器中發酵產生所需數量的細胞以產生產物。在病毒過程中，細胞通常生長至最大密度，然後被病毒感染並維持最大程度的病毒生產。
收穫：使用錯流或末端過濾或離心將活性疫苗中間體從生長培養基中分離出來。
純化：活性疫苗中間體通過過濾和色譜法純化。
批量填充：將純化的疫苗中間體配製成最終有效成分，然後裝入適當的無菌批量容器中。
最終產品的填充和包裝：將配製好的疫苗裝入注射器，小瓶或其他最終遞送容器中，必要時凍幹，貼標籤，包裝並準備好運送到最終目的地。整個流程雖然曲折，但是當這一大規模生產過程完善之後，將以一種極具經濟效益的方式生產數億劑疫苗。整個大規模生產的流程如圖2所示：
03 大規模生產的不同技術路線
具體地，疫苗的製造可分為基於細胞培養、基於微生物和基於卵基載體等三種技術路線，下面逐一進行介紹：
大規模生產方法Ⅰ：基於細胞培養的疫苗生產
可以在具有適當培養基和受控操作條件的生物反應器中使動物細胞大量增殖。細胞生長所需的所有營養物質在培養基製備罐中與高度純化的製藥級水混合，然後進行滅菌並轉移到生物反應器中。淨化水和其他工藝設備的生產是任何製造工廠的重要組成部分。將來自細胞庫的細胞接種物放入第一個種子發酵罐中以啓動該過程。
動物細胞在生物反應器中的生長是一個困難而嚴峻的過程，需要具有精確操作變量控制和絕對無菌性的設備。由於設計不足而導致的設備故障是製造故障或中斷的最常見原因。一旦細胞數量增加了5-10倍，細胞就會轉移到下一階段，進入生產生物反應器，在那裏，細胞又增加了5到10倍。通常，會有一系列的發酵罐，每個發酵罐都比以前的發酵罐大5至10倍。那麼為什麼一次最多隻能擴增10倍細胞呢？原因是10倍的擴展倍數可以兼顧經濟效益和技術難度；擴增倍數如果較小，則會增加資本成本，如果較大，則會增加技術難度。到細胞生長步驟結束時，細胞總數已增加了數千倍。
在最後的生長步驟中，用含有所需抗原的轉基因病毒感染生物反應器中的細胞，並使該病毒繁殖。在病毒生長週期結束時，將生產生物反應器的內容物進行離心或過濾，以將細胞與上清液分離。細胞或上清液都將包含病毒。產品存放在收割儲罐中以進行進一步處理和錯流過濾將病毒與大多數細胞代謝產物分離。
通過色譜分離或錯流過濾從大多數細胞代謝物中分離出病毒，從而可以進行病毒純化。通常，在此步驟中需要大量的緩衝液，工藝開發的目的之一是減少工藝要求，以最低的總成本獲得所需的純度。病毒純化後，將活性疫苗中間體配製為最終成分，並準備批量填充到無菌轉移容器中。然後將散裝疫苗中間體儲存起來，然後進行最終填充和包裝。設備週轉需要自動清潔週期和批次間的維護。
大規模生產方法Ⅱ：基於微生物的疫苗生產
微生物的產生與細胞培養非常相似，但嚴格程度低於細胞培養。將含有無菌培養基的種子發酵罐接種含有合適抗體基因的重組微生物細胞，並對其進行控制以促進最佳的微生物細胞生長。動物細胞培養和微生物細胞生長之間的重要區別在於，微生物細胞通常需要更多數量級的攪拌和通氣，從而大大改變了發酵的性質。細胞以一系列10倍的步驟繁殖，從而在生物反應器中完成生產。
培養結束時，將細胞代謝產物進行離心分離，以將產品與培養基和其他殘留物分離。針對疫苗必需物質，將其回收，清洗並送至大批灌裝。在另一個可能的過程中，在均質器中處理細胞以釋放靶質粒或蛋白質。然後將來自均質器的裂解細胞糊狀物與合適的緩衝溶液重懸在裂解物儲存罐中，然後通過錯流過濾從裂解物中去除殘留的細胞碎片。培養產物，rDNA或蛋白質疫苗中間體應先在色譜柱中純化並儲存在澄清的反應罐中。然後將純化的產品填充到傳輸容器中，並在最終填充和包裝之前進行存儲。
大規模生產方法Ⅲ：卵基載體的疫苗生產
在這個過程中，雞胚成纖維細胞（CEF）被用作宿主細胞來寄生抗原。由卵產生抗體的主要問題是無菌控制。雞蛋來自非無菌環境，並且很難在沒有偶然污染的情況下打開。唯一的保護措施就是無菌技術以及設施和環境的質量，所有的流程都需要在潔淨室中進行無菌操作：這些流程的設施，人員和培訓密集，難以維護且操作成本高。
這種情況説明了生產中的經典難題：儘管雞蛋似乎很便宜，並且可以提供較低的運營成本，所需的大型優質設備，較高的運營費用，規模經濟的可能性以及相對較高的頻率批處理失敗的成本以及成本的組合使人們懷疑是否可以實現明顯的節省。在實驗室水平上，基於發酵罐和細胞培養的操作似乎更為複雜和昂貴，但在大規模生產時，成本多為固定成本，經濟效益更高，失敗率更低，從而降低單位產量的製造成本。
此過程始於在高度專業化的雞羣和設施中生產的受精特定無病原體卵（SPF卵）。SPF雞肉和雞蛋的大小尚未估計出與所需疫苗數量相適應的生產設施，但是，全面設施可能需要約2000萬個雞蛋/年。SPF雞蛋被運送到生產設施，進行可行性檢查和消毒。
從表面消毒過的雞蛋中收穫雞胚。將胚與胰蛋白酶一起孵育以分離CED細胞，然後通過離心從濾液中回收CED細胞。所有這些操作都是手動操作，並且在B級環境中的生物安全罩中進行。回收的CED細胞在滾瓶中被病毒種子感染，並在温暖的房間中孵育。細胞不會在該系統中生長，但是病毒會繁殖。在温育期結束時，收穫細胞和病毒並離心以開始純化過程。破碎回收的細胞以釋放靶病毒顆粒，然後通過離心澄清和純化。製備批量配製的疫苗，並在無菌條件下裝入轉移容器。所有這些操作均在B級環境中在無菌條件下進行。
04 大規模生產的後續處理
在疫苗完成生產之後，灌裝與包裝也是非常昂貴且佔用空間和勞力的活動。在設施規劃方面，這是一個非常重要的考慮因素：填充和包裝空間是潔淨室空間，並且建造和運營非常昂貴。在分裝後的儲藏過程中，要根據不同疫苗品種的儲藏要求，設置相應的儲藏設備，如低温冰櫃 、電冰箱、冷藏櫃和液氮灌等。所有疫苗都應儲藏於冷暗、乾燥處，避免光照直射和防止受潮。運輸疫苗時,要妥善包裝，防止運輸過程中發生損壞。凍幹活疫苗應冷藏運輸。如果量小，可將疫苗裝入保温瓶或保温箱內，再放人適量冰水塊進行包裝運輸；如果量大，應用冷藏運輸車運輸。滅活疫苗宜在2至4℃的温度下運輸。夏季運輸要採取降温措施，冬季運輸要採取防凍措施,避免凍結。細胞結合型度苗如馬立克氏病血清I、II型疫苗必須用液氮 (-196 ℃) 冷凍運輸。運輸過程中，要隨時檢查温度，儘快運達目的地。疫苗運輸時應嚴格按照疫苗貯藏温度要求進行運輸並且儘快運輸。在所有運輸過程中,必須避免日光暴曬[6]。
05 結語
用人工免疫方法預防和控制傳染病，是數百年來人類在同傳染病鬥爭過程中所取得的突出的成就[4]。疫苗開發涉及多個平行途徑，從實驗室到有功效證明的產品開發是一條途徑，從實驗室方法到中試工廠研究再到製造設施設計和啓動的過程開發是另一途徑。我國新冠疫苗的研發是採用了兩條途徑同時進行且每日24h工作三班倒的形式進行疫苗開發，從建設開始到落成共經歷60天。得益於上述提到的疫苗大規模生產技術，疫苗成本將會大幅度降低，中國生物表示，定價將會按照“公共產品”、分類定價、可及可負擔的原則，讓老百姓用得起，用得放心 [2]。
參考資料
[1] 鄭筱倩, 盧豔豔. 揭秘甲型H1N1流感疫苗生產過程[J]. 科學之友(A版), 2009.[2] https://www.thepaper.cn/newsDetail_forward_9065043
[3] Pisano, G.P. (1997). The Development Factory. Harvard Business School Press, Boston, MA.Vaccine Scale-up and Manufacturing
[4] 楊勇, 張垚, 暴學奇. 疫苗中試車間工藝設計分析[J]. 化工與醫藥工程, 2017(01):32-35.
[5] 毛華. 動物疫苗的儲藏和使用方法[J]. 當代畜禽養殖業, 2015, 08(8):53-53.
作者簡介：季靜遠，機械工程系博士生三年級，導師孫偉教授，研究方向：組織工程與藥物遞送，長期關注生物製造等領域。
本文經授權轉載自微信公眾號“探臻科技評論”。