將活體細(xì)胞作為治療藥物進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)胞治療從實驗室規(guī)模放大到可靠、經(jīng)濟的生產(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(QbD)的原則來設(shè)計細(xì)胞的生產(chǎn)工藝。QbD將科學(xué)知識與風(fēng)險評估整合到了生產(chǎn)工藝開發(fā)中，并已被生物制藥工廠所接受。雖然仍需進一步的技術(shù)開發(fā)才能*實現(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，但因為活體細(xì)胞的高度復(fù)雜性，對其作用機制的不*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來進行解決，而在新的技術(shù)方案的放大實現(xiàn)中，產(chǎn)品的研發(fā)和生命周期的管理都是監(jiān)管機構(gòu)所推崇的。

2002年，美國FDA引進了cGMP倡議來應(yīng)對藥物生產(chǎn)失敗追尋其潛在原因時的低效及挑戰(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)險評估來進行工藝和產(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)進入臨床實驗，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)公司的臍帶血擴增技術(shù)，并達成與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)達成了一項20億美金的MSC技術(shù)合作項目。針對惡性疾病的CAR-T細(xì)胞療法是Novaritis與賓州大學(xué)(費城)；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)并促進細(xì)胞療法作為一種常規(guī)治療選擇的實現(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)臨床實驗的產(chǎn)業(yè)化。

應(yīng)用QbD進行細(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，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。

QbD包括產(chǎn)品和工藝描述，表征，設(shè)計，監(jiān)控和持續(xù)改進(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行工藝驗證。相對于傳統(tǒng)的基于離散點的控制策略，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)計空間。一旦實施，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(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。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。檢驗這些功能的關(guān)鍵因素是效力，它能測量藥物活性，是評價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，其作用機制能被更好地理解。CAR-T細(xì)胞與表達適當(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，較低強度藥物是藥物。同樣，從風(fēng)險和成本的角度來看，在低強度或可行的細(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。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)胞瞬時節(jié)點誘發(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。，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，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)南薅龋秶?，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，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，包括進行實驗、機制建模、使用先驗知識和應(yīng)用廣泛的分析技術(shù)。

一旦確定了這些參數(shù)和屬性，就進行風(fēng)險評估，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)計空間”下面討論）可能價值有限，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)驗或機制實驗?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。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。

細(xì)胞擴大通常是一個經(jīng)濟考慮，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)胞擴大實現(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)胞擴張以達到靶劑量。相比之下，異源的 CTPs，需要重點考慮細(xì)胞老化和穩(wěn)定性。延長的細(xì)胞擴大和酶分離現(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)計空間

設(shè)計空間描述關(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)，因為輸入細(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)計空間內(nèi)的更改不被視為工藝變更，因為它們對關(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構(gòu)的負(fù)擔(dān)。FDA的觀點是，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)過驗證的設(shè)計空間不需要進行大量的內(nèi)部測試，因為系統(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)計空間是在多因素過程、實驗和系統(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)計空間是具有挑戰(zhàn)性的，有兩個互補的工具可以用來指導(dǎo)設(shè)計空間開發(fā)：實驗設(shè)計（DOE）和系統(tǒng)建模。

實驗設(shè)計

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)評價成為可能，從而識別*操作條件和闡明產(chǎn)品工藝的設(shè)計空間。已有的方法可以在統(tǒng)計學(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性和成本效率，此外它還可以用來進行綜合成本分析。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，逐步實驗可能會錯過。關(guān)于播種密度的相似研究，培養(yǎng)基體積和補料時間使用響應(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)胞擴大的影響。

DOE必須將關(guān)鍵過程參數(shù)不僅與細(xì)胞擴大相關(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)的機制模型的出發(fā)點，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)模型達到預(yù)測目的技術(shù)得以開發(fā)。例如，統(tǒng)計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。基于擴展模型以識別關(guān)鍵過程參數(shù)，基于基因表達數(shù)據(jù)集，模型設(shè)計空間的發(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、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)工藝使用先進的控制策略實現(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，為更先進的監(jiān)測和控制策略的創(chuàng)造了一個很好的機會。zui近，我們的團隊展示了在人類臍帶血擴大工藝中，實時監(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)計的經(jīng)驗，提供了在生物反應(yīng)器的放大和強化，細(xì)胞代謝，培養(yǎng)基設(shè)計，補料策略優(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，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，將今天試驗中CTPs轉(zhuǎn)換成廣泛使用的藥物，QbD方法是*的。