2024自体细胞疗法：关键挑战与生物工艺创新研究报告

自体细胞疗法：关键挑战与生物工艺创新自体细胞疗法：关键挑战与生物工艺创新 背景介绍背景介绍 自体细胞疗法（即通过分离、编辑和扩增患者自身细胞，并将其回输至患者体内以对抗疾病）是一种新兴的治疗方式，因其能够为患者带来颠覆性的影响而引起了广泛关注。该类疗法能够让部分晚期血液肿瘤患者近乎治愈（即缓解期超过10年）。这种极具颠覆性的治疗模式引发了生物制药领域的广泛关注和投资兴趣。然而由于自体细胞疗法的独特性（即高度个性化，且通常是经过基因编辑的细胞产品），该领域仍存在一系列亟待解决的新挑战。 美国食品药品监督管理局（FDA）批准的第一批嵌合抗原受体T细胞（CAR-T）疗法如今在美国已经获得了一定程度的成功（图1），获批的CAR-T药物的全球销售收入在2023年预计将达到41亿美元。1据估计，超过3万人在临床试验中或产品上市后接受了CAR-T治疗。2同时，前线治疗有关的临床开发仍在继续：2022年，Yescarta和Breyanzi获批，可用于二线治疗大B细胞淋巴瘤。这些产品的成功将持续吸引大量投资，截至2023年10月底，该领域公开披露的融资总额高达38亿美元3，三家专注细胞治疗的生物技术公司进行了首次公开募股。 同时，自体细胞疗法的研发管线持续增长（图2）并呈现出多样化趋势（约7004个自体细胞疗法产品管线），且持续保持着高速的开发进程（预计2023年将启动约1605个自体细胞疗法临床试验）。 这些为患者量身定制的个性化疗法在生产方面仍面临一系列特殊挑战，这些挑战可能会随着未来需求的增长而进一步加剧。越来越多的早期研发管线开始针对拥有较大患者群体的适应症，为了让细胞疗法充分发挥其治疗潜力，以惠及更加广泛的目标患者群体，生物制药企业必须逐步降低产品的生产难度以及销货成本（COGS）。此外，其他类型的产品（例如，双特异性抗体）所带来的激烈的市场竞争可能会对自体细胞疗法的商业化构成威胁，尤其是在上述生产方面的挑战得不到妥善解决的情况下。 本期“领袖视角”中，L.E.K.对自体细胞疗法所面临的一系列挑战进行了总结，并对有助于该类疗法实现规模化生产并提升经济效益的生物工艺解决方案进行了研究与分析（图3）。 关键挑战与生物工艺创新关键挑战与生物工艺创新 L.E.K.总结出七个自体细胞疗法在产品设计和生产流程方面所面临的关键挑战： 1.扩大临床用例2.最小化对非目标组织或细胞的影响3.降低原材料的差异性4.提高细胞编辑效率5.减少人为干预6.降低关键试剂成本7.标准化双向物流和冷链 细胞疗法设计相关挑战细胞疗法设计相关挑战 1.扩大临床用例：扩大临床用例：第一波自体细胞疗法靶向的是同质性非实体瘤中高度保守的抗原（例如，CD19、B细胞成熟抗原），这些抗原能够被输注的CAR-T细胞识别（图4）。为了充分发挥该疗法的潜力，细胞疗法的设计概念还需要在现有基础上进一步满足实体瘤以及其他异质性肿瘤的治疗需求。生物制药企业尤其对实体瘤治疗领域有着浓厚兴趣，因为在所有癌症病例中，实体瘤占比高达90%6，庞大的患者群体意味着巨大的市场机会。这也导致生物制药企业的产品管线发生了转变，目前自体细胞疗法的管线有约40%都集中在实体瘤领域。4然而，从药物设计的角度来看，用自体细胞疗法治疗实体瘤的难度更高，因为实体瘤的肿瘤异质性（和异质性抗原表达）程度更高，免疫抑制性肿瘤微环境（TME）会抑制免疫细胞活性，此外输注的细胞产品可能会难以浸润实体组织。 2.最小化对非目标组织或细胞的影响：最小化对非目标组织或细胞的影响：细胞因子释放综合征（CRS）是细胞疗法最常见的不良事件之一。当前已上市的细胞疗法靶向的是单一抗原，不同批次的产品存在一定差异（例如，T细胞的效力和持久性存在差异），这可能会引发免疫系统的连锁反应，或因毒性反应限制治疗剂量。目前，托珠单抗（tocilizumab）等免疫抑制剂可用于治疗CRS，而下一代细胞疗法（例如，采用新细胞类型的疗法、更加精准的靶向治疗方法）旨在最大程度地减少CRS的发生。从实际效果来看，相较于老一代CAR-T疗法（例如，Kymriah和Yescarta），最近获批的药物（例如，Breyanzi）的确表现出更低的CRS患病率。7,8,9 生产过程中的挑战生产过程中的挑战 缩短从采集细胞到回输至患者体内的时间、降低生产成本以及减少不同批次之间的差异是个性化细胞疗法所面临的核心挑战。目前，商业化自体细胞疗法一次完整的治疗周期为三到五周10，治疗周期较长的主要原因在于需要将患者的细胞运往生产地，生产过程较长且批次失败率较高（可能会超过10%），还需要协调最终产品的交付。在某些情况下，治疗周期拉长意味着患者可能需要进行过渡性治疗，这可能会导致患者的毒性反应和并发症增加，最终降低细胞疗法的有效性。 提高生产效率是缩短治疗周期的关键，一方面需要缩短整体的生产时间，另一方面需要避免因人为失误和污染导致的批次差异，以降低失败率。从经济效益和患者健康的角度来看，失败率高不仅会导致成本高企，还有可能会导致产品延期上市（强生和传奇生物的Carvykti曾因产能问题在英国延期上市）。已经上市的CAR-T产品可能需要好几年才能改进生产工艺并降低失败率，因为优化生产工艺时一般使用的是非疾病状态的材料。 3.降低生产原料的差异性：降低生产原料的差异性：由于自体细胞疗法的本质特征，患者的健康状况、预处理程度、相关淋巴细胞水平、从患者体内提取的细胞数量限制（即单采率）都可能会导致生产原料出现显著差异。此外，单采设备相关因素（例如，采集流程和设备、冷冻设备、人员经验）也会导致生产原料出现较大差异，从而导致不同生产批次的品质不稳定。血液和生物治疗促进协会（Association for the Advancementof Blood and Biotherapies）、细胞治疗认证基金会（Foundation for the Accreditation ofCellular Therapy）等组织正在着手制定工作流程标准（例如，单采、产品标签）。此外，在已经上市的第一代细胞疗法的基础上进行生产流程的优化至关重要。这些做法能够极大推动未来自体细胞疗法的成功，随着细胞疗法的目标患者群体越来越大，生物制药企业可能还需要在更广泛的地区建立新的单采或生产设施。 4.提高细胞工程效率：提高细胞工程效率：目前工程化T细胞主要通过病毒载体制备，即利用慢病毒（例如，Kymriah）或γ逆转录病毒（例如，Yescarta）将CAR插入到靶细胞中。更多使用病毒转导的原因在于，常见的低成本化学转染方法，包括病毒载体生产中用于细胞系转染的方法（例如，聚乙烯亚胺、脂质体转染胺），在免疫细胞中的转染效率较低。以病毒载体为基础的方法的进步（例如，Penn Medicine的24小时临床前CAR-T生产工艺）有望提升细胞工程效率，并进一步改善细胞疗法的有效性（即细胞扩增需求降低，可能会改善工程化细胞的质量）。然而，病毒载体仍然是影响销货成本的一个重要因素，也是导致供应链更加复杂的因素。例如，慢病毒成本可占生产一个批次的总成本的10%-25%11,13，因为慢病毒制备所需的质粒DNA成本昂贵，慢病毒的质量也不稳定，且产量较低。慢病毒供应受限甚至可能会让药物的生产陷入瓶颈（例如，百时美施贵宝在Breyanzi生产中遇到的慢病毒供应挑战）。 不以病毒为载体的细胞工程方法也已经出现。例如，利用仪器设备进行转染（例如，电转染）已成为一种可行的替代方案，但仍然面临一系列关键挑战，其中包括由于外界条件对细胞造成的压力而导致细胞活性较低。鉴于每个批次的细胞治疗产品都是根据患者个体特征定制的，并且每次单采的细胞数量有限，这一挑战尤为令人担忧。另外，该类方法在扩增时间（例如，细胞倍增时间）以及大规模生产方面也面临挑战（如果采用电转染方式，细胞扩增之前还需要进行额外的操作）。 5.减少人为干预：减少人为干预：相较于成熟的生产流程（例如，单克隆抗体的生产流程），当前的细胞疗法生产过程需要更多人为干预。现有的细胞治疗设备遵循模块化的方法，主要侧重于单项操作（例如，转导/转染、细胞激活、细胞扩增、灌注/完成），以及部分需要经过培训的人员手动转移的操作，这些工作都进一步推高了劳动力成本。目前，越来越多生物制药企业选择采用目标导向的一次性闭环系统，以精简生产流程，同时降低污染风险（例如，美国FDA最近就Kymriah的生产工艺问题向诺华发布了无标题信）。目前，大规模量产中使用最多的细胞扩增系统是Cytiva公司的Xuri系统，但未来有可能会被多功能（例如，筛选、激活、扩增）全自动系统所取代（例如，被广泛采用的Miltenyi Prodigy系统，或Lonza的封闭全自动系统Cocoon）。 尽管上述解决方案能够简化生产流程，但劳动力仍然是影响生产成本的关键因素，占每批次总成本的25%-50%，11,12,13具体取决于开发阶段、设备的模块化程度以及生产流程的自动化水平。模块化的设备也需要手动操作进行衔接，这增加了污染或出现人为失误的风险。此外，当前的加工设备已经针对CAR-T细胞进行了优化，但通常无法灵活地针对其他细胞类型进行优化（例如，自然杀伤细胞在细胞扩增过程中可能需要更大的体积）。 6.降低关键试剂成本：降低关键试剂成本：自体细胞疗法的生产需要对关键原料（例如，CD4或CD8筛选）进行均质化处理，因此需要一些额外步骤（例如，细胞激活），从而导致成本上升、生产时间延长。 细胞疗法的生产过程中，T细胞激活至关重要，最流行的细胞分选方法是磁珠细胞分选（MACS）或荧光激活细胞分选（FACS）。目前，磁珠细胞分选（例如，Miltenyi的MACS、赛默飞的Dynabeads）是晚期临床研究和商业化产品生产的首选方法，但同时也是导致成本增加的重要因素，每次分选的成本超过5,000美元13（占每批次产品生产总成本的5%-10%13）。如果细胞分选过程中需要同时使用多个标记物，连续的分选步骤以及相应的磁珠需求将进一步推高成本。此外，可能还需要其他（通常是手动的）步骤来降低残留物水平，以达到临床质量标准，这些都会导致成本增加、生产周期延长。FACS是磁珠分选的替代方案，这种分选方法的自由度更高，能根据表面标记分离细胞，但其通量有限，良好生产规范（GMP）选择较少，并且需要经验丰富的全职人员进行操作，这些因素限制了FACS在大批量细胞分选中的使用。 除了磁珠，免疫细胞的制备还高度依赖一些特殊耗材（例如，细胞因子）和符合GMP规范的培养基，这些也是导致成本增加的重要因素，尤其在早期开发阶段，生产需要一定程度的定制材料，但由于疗法尚未实现规模量产，供应商难以通过规模经济大量盈利，因此其定制材料的价格通常较为高昂。 7.标准化双向物流和冷链：标准化双向物流和冷链：自体细胞疗法的生产不同于传统的中心化生产模式，患者的细胞必须经历从医疗中心（例如，单采设备）收集、运输到中心化生产设施、制成药品、送至患者手中这一系列环节。为了满足商业化的需求，试点规模的工艺流程被迅速采用，然而低温保存、身份链（COI）和监管链（COC）等解决方案并未针对大规模生产进行优化。 目前，大多数低温保存都要用到液氮，然而这种方式难以维持均匀的温度，并且在大规模应用和可持续性（例如，液氮的批量存储和运输）方面面临挑战。随着生产需求的增加，这些挑战可能会被进一步放大。液氮还会因气体释放带来污染风险，因此在符合GMP规范的设施中，这种类型的冷冻方式通常无法使用。此外，在运输过程中，由于生化毒性和渗透压造成的细胞损失与冷冻前后的暴露时间高度相 关，产品质量可能会因在冷冻前长时间接触细胞冷冻介质（例如，二甲亚砜）而受到负面影响。 身份链和监管链流程尚未标准化，向电子系统和电子批次记录的过渡可能会出现断层。例如，审计记录涉及纸质文件以及多个电子平台，开发人员、CDMO、医疗中心等不同相关方可能会面临软件不兼容的挑战，以及不同地区的监管要求（例如，法国的数据存储规则更为严格）。 生物工艺创新生物工艺创新 L.E.K.总结出六个最有