如何快速大规模生产疫苗？十亿人可以使用的那种
2020年9月7日，新冠肺炎灭活疫苗首次在中国国际服务贸易博览会上公开亮相。中国生物和科兴公司的工作人员透露，高档生物安全生产设施正在建设中，预计新冠肺炎的疫苗将于2020年底上市，两家公司的年生产能力为3亿只[2]。3亿反映了中国抗击疫情的力度和速度，那么这些疫苗是如何大量生产的呢？本文将简要介绍疫苗是如何在车间生产的。本文将介绍疫苗是如何在车间生产的，总字数3375，阅读时间11分钟左右。
作者|纪景元
编辑|许杰辉、周、高松龄
审计|赵鑫、张可仁
资料来源：《探索科技评论》
图片来源：郑，陆燕燕。揭示甲型H1N1流感疫苗的生产过程[J]。《科学之友》(A版)，2009年。
01批量生产前的准备
疫苗开发分为三个主要阶段：实验室抗原发现、临床使用的小规模生产工艺开发(中试)和全球使用的大规模疫苗生产。整个过程如下图[3]所示。
图1。疫苗从实验室研发到大规模生产的过程[3]
从实验室方法向工业化生产过程的转变，需要在科学、技术、法规和实施方法的基础上改进疫苗生产方法。整个过程需要涉及很多领域的知识，难度极大，可能会导致很多失败。建立稳定且可重复的生产流程是成功长期供应疫苗的关键。疫苗生产流程由流程开发、设备选择和设施设计决定，并且该流程必须符合当前的良好生产规范(cGMP)。
02批量生产的通用流程
工作种子库的建立：为保证每批原料相同，所有的生物过程都是从经过认证的种子库系统中的分装开始，然后用于微生物、动物细胞或病毒。
培养：在一系列体积逐渐增加的生物反应器中发酵，以产生所需数量的细胞来生产产品。在病毒过程中，细胞通常生长到最大密度，然后被病毒感染，保持最大的病毒产量。
收获：使用错流或末端过滤或离心从生长培养基中分离活性疫苗中间体。
纯化：通过过滤和色谱法纯化活性疫苗中间体。
分批灌装：将纯化的疫苗中间体制备成最终的有效成分，然后包装到适当的无菌分批容器中。
最终产品的灌装和包装：将制备好的疫苗放入注射器、小瓶或其他最终输送容器中，必要时冷冻干燥，贴上标签，包装，为最终目的地的好运做好准备。虽然整个过程是曲折的，但大规模生产工艺完善后，会以非常经济的方式生产出数亿剂疫苗。整个量产过程如图2所示：
图2。疫苗的大规模生产过程[3]
03批量生产的不同技术路线
具体来说，疫苗制造可以分为三种技术路线：基于细胞培养的、基于微生物的和基于卵载体的，分别介绍如下：
大规模生产方法:基于细胞培养的疫苗生产
动物细胞可以在具有合适培养基和受控操作条件的生物反应器中增殖。细胞生长所需的所有营养物质在培养基制备罐中与高纯度药物级水混合，然后灭菌并转移到生物反应器中。纯净水和其他工艺设备的生产是任何制造厂的重要组成部分。将来自细胞库的细胞接种物放入第一个种子发酵罐中以开始该过程。
动物细胞在生物反应器中的生长是一个困难而严峻的过程，需要操作变量控制精确且绝对无菌的设备。设计不足导致的设备故障是制造故障或中断最常见的原因。一旦细胞数量增加5-10倍，细胞就移动到下一阶段并进入生产生物反应器，在那里细胞数量增加5-10倍。一般会有一系列的发酵罐，每个比以前的发酵罐大5到10倍。那么为什么一次最多只能扩大细胞10倍呢？原因是10倍的扩张倍数可以兼顾经济效益和技术难度；放大倍数小，增加资金成本，大，增加技术难度。到细胞生长步骤结束时，细胞总数增加了数千倍。
在最后的生长步骤中，用含有所需抗原的转基因病毒感染生物反应器中的细胞，并繁殖病毒。在病毒生长周期结束时，生产生物反应器的内容物被离心或过滤，以从上清液中分离细胞。无论是细胞还是上清液都会含有病毒。产品储存在收集罐中，用于进一步加工和错流过滤，以将病毒与大多数细胞代谢物分离。
病毒可以通过色谱分离或错流过滤从大多数细胞代谢物中纯化出来。通常这一步需要大量的缓冲溶液，工艺开发的目的之一是降低工艺要求，以最低的总成本获得所需的纯度。病毒纯化后，将活性疫苗中间体制备成最终组分，准备分批装入无菌转移容器。然后，储存大量疫苗中间体，最后灌装和包装。设备周转需要自动清洁周期和批次间维护。
图3基于细胞培养的疫苗生产[3]
大规模生产方法:基于微生物的疫苗生产
微生物的产生与细胞培养非常相似，但严格程度低于细胞培养。将含有无菌培养基的种子发酵罐用含有合适抗体基因的重组微生物细胞接种，并进行控制以促进微生物细胞的最佳生长。动物细胞培养和微生物细胞生长的重要区别在于，微生物细胞通常需要更多数量级的搅动和通气，这极大地改变了发酵性质。细胞在一系列10次的步骤中繁殖，从而在生物反应器中完成生产。
在培养结束时，细胞代谢物被离心以从培养基和其他残留物中分离产物。根据疫苗的基本物质，将其回收、清洗并送往大规模灌装。在另一个可能的过程中，细胞在匀浆器中处理以释放目标质粒或蛋白质。然后，将来自均化器的溶解的细胞糊用合适的缓冲溶液重新悬浮在裂解物储罐中，然后通过错流过滤从裂解物中除去残留的细胞碎片。培养产物、rDNA或蛋白质疫苗中间体应在色谱柱中纯化，并储存在透明的反应罐中。然后将纯化的产品装入运输容器中，并在最终灌装和包装前储存。
图4基于微生物的疫苗生产[3]
大规模生产方法:卵基载体疫苗生产
在这个过程中，鸡胚成纤维细胞(CEF)被用作宿主细胞寄生抗原。鸡蛋产生抗体的主要问题是无菌控制。鸡蛋来自非无菌环境，如果没有意外污染，很难打开。唯一的保护措施是无菌技术以及设施和环境的质量。所有工序都需要在洁净室进行无菌操作：这些工序的设施、人员和培训都很密集，维护困难，运行成本高。
这种情况说明了生产中的经典问题：虽然鸡蛋似乎很便宜，可以提供较低的运营成本，但所需的大规模高质量设备、较高的运营成本、规模经济的可能性、相对较高频率的批量故障成本以及成本的组合让人怀疑是否可以实现明显的节约。在实验室层面，基于发酵罐和细胞培养的操作似乎更复杂和昂贵，但在大规模生产中，成本大多是固定的，经济效益更高，故障率更低，从而降低了单位产量的制造成本。
这一过程始于在高度专业化的鸡和设施中生产的受精的特定无病原体蛋(SPF蛋)。SPF鸡和鸡蛋的大小尚未估计到适合生产设施，但综合设施可能需要约2000万个鸡蛋/年。SPF鸡蛋被运送到生产设施进行可行性检查和消毒。
从表面灭菌的鸡蛋中收获鸡胚。用胰蛋白酶孵育胚胎以分离CED细胞，然后通过离心从滤液中回收CED细胞。所有这些操作都是手工操作，在B类环境的生物安全柜中进行。回收的CED细胞用滚动瓶中的病毒种子感染，并在温暖的房间中孵育。细胞不会在这个系统中生长，但病毒会繁殖。在孵育期结束时，收获细胞和病毒并离心，开始纯化过程。将回收的细胞破碎以释放目标病毒颗粒，然后通过离心进行澄清和纯化。准备批量疫苗，并在无菌条件下将其放入转移容器中。所有这些操作都是在B类环境的无菌条件下进行的。
图5基于卵的载体的疫苗生产[3]
04量产后续处理
疫苗生产后，灌装和包装也是一项非常昂贵的活动，需要占用空间和劳动力。在设施规划方面，这是一个非常重要的考虑因素：灌装和包装空间是一个洁净室空间，建造和运营成本非常高。在分装后的贮存过程中，应根据不同疫苗品种的贮存要求，设置相应的贮存设备，如低温冷柜、冰箱、冷柜、液氮冲洗等。所有疫苗应储存在寒冷、黑暗和干燥的地方，以避免阳光直射和潮湿。运输疫苗时，应妥善包装，以防运输过程中损坏。冻干活疫苗应冷藏运输。量少的话可以将疫苗放入保温瓶或培养箱中，然后在包装中放入适量的冰水块进行运输；如果数量较大，应采用冷藏车运输。灭活疫苗应在2-4下运输。夏季运输应采取降温措施，冬季运输应采取防冻措施，避免冰冻。细胞结合疫苗，如马立克氏病血清型和型疫苗，必须在液氮(-196)中运输。运输过程中，随时检查温度，尽快到达目的地。疫苗应严格按照疫苗储存温度的要求尽快运输。在所有运输过程中，必须避免日晒[6]。
05结论
利用人工免疫预防和控制传染病是人类几百年来在与传染病的斗争中取得的杰出成就。疫苗开发涉及许多平行的方法，其中一种是从实验室到已证实有效的产品开发，另一种是从实验室方法到中试工厂研究到制造设施设计和启动的过程开发。中国的新冠肺炎疫苗研发是以24小时三班倒的方式同时进行的。从施工到竣工需要60天。由于上述大规模疫苗生产技术，疫苗成本将大大降低。中国生物表示，定价将基于“公共产品”、分类定价、可及性和可负担性的原则，让普通人买得起、用得放心[2]。
参考材料
[1]郑，卢炎艳。揭示甲型H1N1流感疫苗的生产过程[J]。《科学之友》(A版)，2009年。[2]https://www.thepaper.cn/newsDetail_forward_9065043
[3]皮萨诺，G.P. (1997)。开发工厂。马萨诸塞州波士顿哈佛商学院出版社。疫苗的扩大和生产
杨勇，张瑶，鲍雪琪。引用该论文王志平，王志平，王志平.化工与制药工程，2017(01):32-35。
华茂。动物疫苗的储存和使用[J]。当代畜禽育种，2015，08(8):53-53。
作者简介：季景元，三年级机械工程系博士生，导师孙伟教授，研究方向：组织工程与药物传递，长期关注生物制造等领域。
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