细胞和基因疗法 (CGT) 为肿瘤、遗传性疾病、免疫疾病和其它治疗领域有巨大医疗需求的患者提供了新的治疗方法的潜力。治疗性医疗设备的这种快速变革性发展必须伴随着有效的生产，才能将这些复杂的疗法大规模地提供给患者。随着这个新行业的发展，我们确定了可以构建其转型的创新。

获批的 CGT 产品目前每年总共使数千名患者受益，这些产品是使用成本高、效率低、主要是手动操作且通常不适合其目的的工艺生产，这些工艺主要是从结构较简单的生物制品的生产中继承而来的。分析方法也有很大的改进空间。生产核酸、将其载体化至病毒或非病毒载体，并将其转移到患者体内或体外的细胞中的新技术不断涌现。它们可以共同产生定义更明确的生化实体，从而产生更精确的药物，同时降低成本和缩短上市时间。这将导致更低的剂量、更低的毒性、更高的疗效、更好的可及性以及最终更大的临床影响。随着专为 CGT 设计的生产工艺的推出，个性化治疗的能力和生产基础设施的形态也可能发生转变。

开发这些新技术的是一小部分大型跨国公司以及下表中列出的大约一百家初创企业和中小型企业 (SME)，他们正在寻求通过重新利用针对其它应用开发的方法，或利用生物学、工程学、物理学、化学和数据科学领域的定制创新，改进 CGT 生产流程的每一步。这些创新包括新的核酸形式和病毒生物合成方法、非病毒基因治疗“打印机”、细胞治疗“GMP 盒”、微流控或基于包封的细胞培养、体内细胞治疗、非层析分离、先进的 GMP 细胞分选以及用于纳米级分析的新光学方法。在接下来的几年里，作为一个行业，我们将需要生产数以千计的候选药物，以用于临床试验，并有望以大幅增加的规模生产数十种新药。这将需要在质量和生产力方面进行重要的工艺改进。产品就是工艺：我们必须不断改进两者。

简介

经过几十年漫长而“动荡”的发展轨迹，CGT 现在已经为一些血液肿瘤和罕见适应症的患者提供了突破性的药物和前所未有的医疗价值。因此，大量投资涌入 CGT 生物制药公司（2021 年全球超过 200 亿美元），并且越来越多地涌入产能和新技术的构建。在最近的一份报告中，麦肯锡估计，风险资本 (VC) 在 2019-2021 年向新的细胞治疗平台投资了 77 亿美元，向新的基因治疗平台投资了 76 亿美元。CGT 领域正在进行 2000 多项临床试验，更多疗法处于临床前开发的各个阶段。由于许多不确定因素和缺乏历史数据，准确的失败率很难预测。因此，模型的输出将与其输入一样错误。然而，到目前为止，CGT 候选药物从 1 期到2 期、从 2 期到 3 期以及总体上从研究性新药 (IND) 申请到生物制品许可申请 (BLA) 的转变率明显高于小药物分子。假设没有系统毒性或耐久性问题，高批准率和管线规模解释了为什么包括美国食品和药物管理局 (FDA) 在内的绝大多数生物制药行业参与者和专家现在预计未来 5 年将有数十个新的 CGT 获批，并在 2030 年后进一步加速。

2021 年商业化的三款领先 CGT 产品，Kymriah、Yescarta 和 Zolgensma，当年总共治疗了不到 5000 名患者（总销售额为 26 亿美元）。大多数当前的 CGT 生产系统和工艺都无法规模放大，效率也不够高，无法在 2030 年治疗可能增加 50-100 倍（25 到 50 万）的患者，可能涉及 50 种不同的适应症，包括较早的治疗线和影响更大的疾病患病率。这些工艺还需要足够灵活，以支持强化的研究工作，包括针对数千项临床试验的小规模临床生产。总体而言，CGT 的这种预期成功可能必须与大幅降价相匹配，而数字化、自动化和Pharma 4.0 的发展也可能导致放弃“罕见病商业模式”，回到“重磅炸弹”药物的经济性。对于某些 CGT，这将需要大幅降低生产成本，以将销售产品的成本占收入的比例 (COGS%) 降低到接近生物制品的水平（占销售额的 10-20%）。在这方面，需要较少洁净室占地的低劳动力密集型工艺将具有优势。

表1. 参与CGT生产创新的109家初创企业和中小企业(250人以下)。

除了规模和成本之外，另一个日益受到关注的问题是安全性，治疗中出现的严重不良事件 (TESAE) 以及最近腺相关病毒 (AAV) 和嵌合抗原受体 T 细胞 (CAR-T) 试验中的患者死亡导致试验中断。FDA 最近发布了一份关于 AAV 风险的简报文件，预计将加强监管审查，影响生产、质量保证 (QA) 和质量控制 (QC)。根据多个工艺指标，当前工艺仍然效率低下。

由更好的分析支持的、更好的生产工艺流程可以直接有助于为患者提供更易于部署、定义更明确、更安全和更高效的药品。例如，自动化可以减少自体嵌合抗原受体 T 细胞疗法 (CAR-T) 的批次失败，这在某些情况下可以转化为避免死亡。此外，更好的生产和纯化工艺可能会增加细胞群或载体化基因药物的纯度，从而增加效力并可能降低剂量和毒性。对于某些模式，新生产策略还可以实现真正的个性化。

尽管详细工艺复杂多样，但在高水平上，任何CGT的生产都只涉及几个主要步骤和中间体。在大多数情况下，工艺涉及如图1所示的两到三个主要子流程。

本文将介绍在改进图 1 中突出显示的三个主要步骤方面的持续进展，并分为两大部分；第一部分涉及基因治疗，第二部分侧重于细胞治疗。为了保持一致性和篇幅合理，我们在 CGT（不包括组织工程）中的先进治疗药物产品 (ATMP) 中重点关注免疫细胞治疗 - 组织和器官生物打印等细胞治疗领域的创新或诱导多能干细胞（iPSC）和间充质干细胞（MSC）的生产不包括在这里。对于基因治疗，我们主要关注 AAV 和 LNP，因为许多相关方法可有效用于其它病毒（如 LV 和 AAV）或 其它非病毒产品。这只是几个主要步骤和中间体。在大多数情况下，工艺流程涉及两个或三个主要子流程，如图 1 中所述。

图 1 三种 CGT 的生产路线。A) 一种是从核酸开始 - DNA 或 RNA，天然的或修饰的，线性的或环状的 - 在细菌中产生，或通过化学或使用酶产生的前体本身的生物催化作用产生。B) 然后，这些遗传物质至少包含赋予 CGT 生物学功能的序列，例如必须将目的替代基因 (GOI) 或编辑一个或多个基因或调节其表达的方法包装到载体中。载体可以是生物的：通常是病毒，通过进化强烈选择以有效感染细胞，例如腺相关病毒 (AAV) 和慢病毒 (LV)，或者可能来自各种来源的外泌体。或者，可以使用许多合成纳米载体，脂质纳米颗粒 (LNP) 是迄今为止最有效的。这些载体可用作疫苗，如腺病毒和 mRNA 产品已显示出对 Covid-19 的作用。更多包含 LNP 的疫苗正在开发中，包括针对癌症、遗传疾病和其它治疗领域的疫苗。载有 mRNA 或 DNA 的 LNP 可用于比疫苗更高剂量的基因治疗，并使用与对 Covid-19 非常有效的相同工艺制造。LNP 还可用于在“体内产生的免疫细胞疗法”这一新兴领域中原位修饰血细胞。C) 大多数细胞疗法需要第三次转化，其中使用所述载体对选定的免疫细胞进行体外修饰和扩增。在自体细胞疗法中，细胞需要来自患者，例如，基于自体 CAR-T，迄今为止最有效的方式，也是迄今为止最复杂的生产方式（N=1 并且高度可变）。在异体细胞疗法中，一个健康的、HLA 匹配的供体可以提供经过修饰的 T 细胞，为数十名患者生成现成的 CAR-T 和 TCR-T。Caribou（美国加州伯克利）CB-011 候选产品旨在整合“免疫隐形”系统以减轻对 HLA 匹配的需求。可用于数千名患者的通用型 CAR-T 也可以通过基因工程 iPSC（诱导多能干细胞）产生。一种不同的异体方法使用非 HLA 限制性供体免疫细胞，例如 γδ-T 细胞，无需对其进行基因编辑，从而进一步简化生产过程，将成本降低到仅原始成本一小部分。AAV：腺相关病毒；CAR-NK：嵌合抗原受体-自然杀伤细胞 LNP：脂质纳米颗粒；LV：慢病毒；TCR-T：T细胞受体T细胞疗法。