转型生物制造：2025年哺乳动物细胞系的生物过程优化将重新定义未来五年的生产力、质量和创新
- 执行摘要：2025年的关键趋势和市场驱动因素
- 市场预测2025–2029：增长预测和地区热点
- 技术创新：生物过程中的自动化、人工智能和数字双胞胎
- 细胞系工程的进展：CRISPR、合成生物学和稳定性
- 过程强化：灌流、连续处理和放大策略
- 以质量为设计（QbD）和监管演变
- 可持续性和绿色生物过程举措
- 关键参与者和战略合作（例如，Thermo Fisher、Cytiva、Sartorius）
- 挑战：上游和下游优化中的瓶颈
- 未来展望：新兴机会和颠覆性技术
- 来源与参考文献
执行摘要：2025年的关键趋势和市场驱动因素
哺乳动物细胞系的生物过程优化在2025年仍然是生物制药行业的核心焦点，推动这一点的是对单克隆抗体、重组蛋白和细胞与基因疗法等高级疗法的需求不断增长。该行业正在见证快速的技术进步，主要趋势集中在过程强化、自动化和数字工具的整合，以提高生产力、一致性和监管合规性。
一个主要驱动因素是强化和连续生物处理策略的采用。公司们正在越来越多地从传统的进料批处理流程转向灌流和其他连续制造方法，这些方法提供更高的细胞密度、改善的产品产量和缩小的设施占地面积。领先的生物过程设备制造商如Sartorius AG和默克 KGaA正扩展他们的产品组合，提供适合高通量、灵活制造环境的可扩展、一次性生物反应器和先进的过滤系统。
自动化和数字化正在改变过程开发和制造。实时分析、过程控制软件和人工智能的整合正在实现对关键过程参数的预测监测和自适应控制。像Cytiva和Thermo Fisher Scientific Inc.这样的公司处于前沿，提供数字平台和自动化解决方案，简化细胞系开发、培养基优化和过程放大。这些创新正在缩短市场上市时间，并改善批间一致性，这对监管批准和商业成功至关重要。
另一个显著趋势是细胞培养基和进料策略的优化。定制化的化学定义、无动物成分的培养基正在成为标准，支持更高的浓度和产品质量。像Lonza Group Ltd.和Gibco（Thermo Fisher Scientific）这样的供应商正投资于先进的培养基配方和高通量筛选服务，以加速过程开发并满足新型生物制剂的具体需求。
可持续性和监管合规性也在塑造这一格局。越来越强调减少生物处理操作中的资源消耗、废物产生和碳足迹。行业机构和监管机构鼓励采用更环保的技术和强大的质量管理系统，进一步推动过程优化的创新。
展望未来，预计在接下来的几年中，生物处理、数字化和自动化将继续融合，重点关注灵活的、模块化的制造平台。这一演变将支持复杂生物制剂、个性化医疗和下一代疗法的快速开发和商业化，使哺乳动物细胞系的生物过程优化成为生物制药行业增长和韧性的基石。
市场预测2025–2029：增长预测和地区热点
2025年至2029年，全球哺乳动物细胞系生物过程优化市场预计将实现强劲增长，推动因素包括对生物制剂、生物仿制药以及高级细胞和基因疗法的需求不断上升。生物药物日益复杂，加之对更高产量、成本效率和监管合规的需求，促使生物制药制造商在创新优化策略上进行投资。主要驱动因素包括高通量筛选、过程分析技术（PAT）和数字生物处理平台的采用。
北美预计将继续在该领域保持领导地位，主要得益于大型生物制药公司和合同开发与制造组织（CDMO）如Lonza、Thermo Fisher Scientific和Cytiva的存在。这些公司在自动化、一次性技术和数据驱动的过程控制方面进行大量投资，以提高细胞系的生产力和产品质量。例如，Thermo Fisher Scientific继续扩大其细胞培养基和生物过程解决方案的产品组合，同时Lonza正在推进其GS Xceed®表达系统，以简化细胞系开发和放大。
欧洲预计将迎来显著增长，尤其是在德国、瑞士和英国等国家，它们拥有强大的生物制造基础设施和支持性监管框架。像Sartorius和默克 KGaA这样的公司处于前沿，提供集成的生物过程优化平台和用于实时监测和控制的数字工具。该地区也受益于公共-私人伙伴关系和旨在增强当地生物生产能力的政府融资。
亚太地区正逐渐成为一个充满活力的热点，中国、韩国和印度正在投资生物制造能力和技术转让。当地参与者和全球公司正在建立新设施和合作，以满足日益增长的国内和出口对生物制剂的需求。WuXi AppTec和Samsung Biologics正在扩展其服务，提供先进的细胞系开发和过程优化，以吸引跨国客户。
展望未来，市场预计将在2029年前见证高个位数的年均复合增长率（CAGR），数字化、人工智能和连续生物处理将是关键的促进因素。地区热点将继续发展，随着政府和行业领袖优先考虑供应链韧性、创新和监管协调，以支持下一代基于哺乳动物细胞的治疗药物。
技术创新：生物过程中的自动化、人工智能和数字双胞胎
在2025年，哺乳动物细胞系生物过程优化的格局正在迅速发生转变，驱动这一转变的是自动化、人工智能（AI）和数字双胞胎技术的整合。这些创新正在解决在过程效率、可扩展性和产品一致性方面长期存在的挑战，领先的生物过程公司和技术提供商在引领其采用。
自动化现在是现代生物处理设施的基石，能够进行高通量筛选、实时监测和关键过程参数的精确控制。由Sartorius和Thermo Fisher Scientific等公司开发的自动化生物反应器系统，广泛应用于上游处理，允许进行并行实验和快速优化细胞培养条件。这些系统减少了人工干预，最小化了人为错误，促进了可重复性，这对于监管合规和放大至关重要。
AI和机器学习算法越来越多地嵌入生物过程开发工作流。像Cytiva和默克 KGaA（在美国和加拿大以MilliporeSigma运营）这样的公司正在投资于基于AI的平台，分析来自细胞培养实验的大数据集，实现细胞生长、生产力和产品质量的预测建模。这些工具能够识别过程变量和结果之间的微妙关联，加速设计实验（DoE）并减少达到最佳条件所需的时间。
数字双胞胎——物理生物过程的虚拟复制品——正在成为过程优化的变革性工具。通过整合实时传感器数据和历史过程信息，数字双胞胎允许进行计算机模拟实验、情景分析和主动故障排除。西门子和GE HealthCare是提供为生物制造量身定制的数字双胞胎解决方案的技术领先者，允许用户在实验室或生产区域实施之前模拟过程变化并预测其影响。
展望未来，这些技术的融合将进一步增强过程的稳健性和灵活性。未来几年可能会更广泛地采用闭环控制系统，其中AI算法可以根据数字双胞胎反馈实时自动调整过程参数。这将支持行业向连续制造和个性化生物制剂的转变，并促进对数据完整性和过程透明度日益变化的监管期望的合规。
总之，自动化、AI和数字双胞胎正在重塑2025年的哺乳动物细胞系生物过程优化，主要行业参与者积极开发和部署这些技术，以推动生物制药制造中的效率、质量和创新。
细胞系工程的进展：CRISPR、合成生物学和稳定性
在2025年，哺乳动物细胞系生物过程优化的格局正在迅速演变，这一趋势受到如基于CRISPR的基因组编辑、合成生物学和增强稳定性策略等细胞系工程技术进步的推动。这些创新使得开发具有卓越生产力、产品质量和稳健性的细胞系成为可能，这对于有效制造生物制剂，如单克隆抗体、疫苗和细胞疗法至关重要。
CRISPR/Cas9及相关基因组编辑工具已成为精确高效修改哺乳动物细胞系的核心，特别是中国仓鼠卵巢（CHO）细胞，这仍然是重组蛋白生产的行业标准。像Lonza和Sartorius这样的公司正在积极将基于CRISPR的方法整合到他们的细胞系开发平台中，使得能够实现靶向基因敲除、敲入和途径优化，以提高产量和产品一致性。例如，CRISPR被用来敲除负责不良糖基化模式的基因，或在安全港位点插入转基因，以确保在延长的培养期间内稳定和可预测的表达。
合成生物学进一步扩展了细胞系优化的工具包。模块化的遗传电路、合成启动子和可调表达系统被部署用于微调细胞代谢和应激反应。默克 KGaA（在美国和加拿大以MilliporeSigma运营）已投资于合成生物学平台，允许对工程细胞系进行快速原型设计和筛选，加速从设计到制造的路径。这些方法还促进了“设计师”细胞系的开发，旨在满足特定产品属性的需求，例如改善的蛋白质折叠或减少宿主细胞蛋白杂质。
稳定性仍然是大规模生物处理中的关键问题。最近的进展集中在遗传和表观遗传稳定性上，像Cytiva这样的公司提供解决方案，用于克隆选择和监测，以确保在整个生产过程中始终如一的性能。自动化高通量筛选和单细胞分析技术被采用，以便在开发早期识别和选择最稳定和高产的克隆，从而减少生产失败的风险。
展望未来，人工智能和机器学习与细胞系工程的整合预期将进一步加速优化工作。根据从工程细胞系生成的大数据集进行的细胞行为和产品质量的预测建模，将使生物过程的设计和控制变得更加科学合理。随着监管机构越来越认识到这些先进工程方法的价值，下一代细胞系的采用将成为行业标准，支持对复杂生物制剂和个性化药物日益增长的需求。
过程强化：灌流、连续处理和放大策略
过程强化是当前哺乳动物细胞系生物过程优化的核心主题，重点在于灌流、连续处理和先进的放大策略。随着生物制药行业进入2025年，这些方法正在迅速被采用，以满足对生物制剂日益增长的需求，提高生产力并降低制造成本。
灌流培养涉及持续添加新媒体和去除废物同时保持细胞的存在，正在获得显著的发展。这种方法相比传统的进料批处理工艺，能够实现更高的细胞密度和产品浓度。领先的生物过程设备制造商如Sartorius和默克 KGaA（在美国和加拿大以MilliporeSigma运营）已扩展其一次性生物反应器和细胞保留装置的产品组合，这些设备专为高强度灌流操作设计。这些系统正在与先进的过程分析技术（PAT）集成，以实现实时监测和控制，进一步增强过程的稳健性和产品质量。
连续生物处理则将灌流的原则扩展到下游纯化中，也正在获得更广泛的采用。像Cytiva和Thermo Fisher Scientific这样的公司正在积极开发模块化、可扩展的平台，以支持端到端的连续生产。这些解决方案旨在减少设施占地、降低资本支出，并实现灵活的多产品制造。在2025年，几家生物制药制造商预计将推出使用完全或部分连续处理的商业产品，标志着从试点规模演示过渡到常规生产。
放大策略也在同步演变，重点在于在从实验室到商业规模的操作中保持过程性能和产品质量。如今，大型行业参与者普遍采用用于过程开发的高通量、自动化迷你生物反应器系统。像Eppendorf和Sartorius等公司提供平台，使快速筛选细胞系和过程条件成为可能，加速识别大规模制造的最佳参数。
展望未来，数字工具的整合——如基于人工智能的过程建模和数字双胞胎——预计将进一步简化过程强化工作。行业领导者正在投资这些技术，以实现预测控制和实时优化，支持向更灵活、高效的生物制造的过渡。随着监管机构继续为连续和强化处理提供指导，这些策略的采用将进一步扩大，为行业在2025年及后续年的灵活性和韧性奠定基础。
以质量为设计（QbD）和监管演变
以质量为设计（QbD）原则已成为哺乳动物细胞系生物过程优化的核心，监管期望和行业实践正在向基于风险、数据驱动的方法汇聚。在2025年，QbD在生物过程开发中的整合正在加速，这一过程由监管演变和对生物制剂及先进疗法的稳健可扩展制造平台的需求推动。
美国食品和药物管理局（FDA）和欧洲药品管理局等监管机构继续完善其对QbD的指导，强调定义设计空间、识别关键质量属性（CQA）和实施实时过程监测的重要性。FDA对QbD的持续支持在其不断更新的药品质量/CMC指导以及鼓励早期与赞助商接洽讨论生物制剂的QbD策略中得以体现。类似地，EMA关于过程验证和生命周期管理的指导也越来越与QbD原则相一致，促进主要市场之间的协调。
在实践中，领先的生物制药制造商正在将QbD嵌入其细胞系开发和上游过程优化工作流中。像Sartorius AG和默克 KGaA（在美国和加拿大以MilliporeSigma运营）等公司提供用于高通量筛选、过程分析技术（PAT）和数字双胞胎的先进平台，从而实现实时数据收集和预测建模。这些工具支持最佳过程参数的识别，并促进连续过程验证，这是QbD的关键原则。
QbD的采用也在生物制剂日益复杂的背景下加速，包括双特异性抗体、细胞与基因疗法以及其他需要精确控制细胞系性能和产品质量的方式。像Cytiva和Thermo Fisher Scientific这样的供应商正在扩大其在自动化细胞系开发、一次性生物反应器和集成数据管理系统方面的产品，以支持QbD驱动的过程优化。
展望未来，下一几年预计将见证进一步的监管协调和数值化QbD框架的广泛采用，通过借助人工智能和机器学习进行过程控制和偏差预测。包括国际制药工程学会在内的行业协会和标准组织正在积极制定最佳实践和培训项目，以支持QbD在哺乳动物细胞系生物过程中的实施。因此，QbD有望继续成为监管合规和制造卓越的基石，在不断变化的生物制药环境中保持其重要性。
可持续性和绿色生物过程举措
可持续性和绿色生物过程正迅速成为哺乳动物细胞系生物过程优化的核心，生物制药行业面临着日益加剧的监管、环境和社会压力，要求其减少生态足迹。在2025年，领先的制造商和技术提供商正加快采用生态友好型实践，关注能源效率、最小化废物和在生产生命周期中使用可再生资源。
一个关键趋势是向一次性技术（SUTs）的转变，尽管最初引发了对塑料废物的担忧，但与传统不锈钢系统相比，已证明能显著减少水和能源消耗。像默克 KGaA和Cytiva这样的公司是这一领域的先锋，提供旨在降低资源使用和提高过程效率的先进SUT生物反应器和过滤系统。这些系统减少了对强清洁化学品的需求，并降低了制造设施的整体碳足迹。
另一个重大进展是整合过程分析技术（PAT）和数字化，以实时优化资源利用。通过利用先进传感器和数据分析，制造商可以精确控制营养供应、氧气供应和废物去除，从而减少过剩的消耗和排放。Sartorius AG和Thermo Fisher Scientific正在大量投资数字生物处理平台，以实现预测建模和自适应控制，支持可持续性和产品质量。
废物增值也正在获得关注，企业正在探索将细胞培养副产品转化为有价值的二次产品或能源。例如，一些设施正在试点对使用过的培养基进行厌氧消化，以生成生物气体，从而推动生物制造园区的循环经济模型。此外，使用无动物成分和化学定义的培养基，由Lonza Group等供应商推动，减少了与原材料采购和处理相关的环境影响。
展望未来，预计未来几年将进一步促进行业领导者、监管机构和可持续性组织之间的合作，以建立绿色生物处理的标准化度量和最佳实践。例如，BioPhorum Operations Group的可持续工作组可能会影响全球对绿色技术和透明报告的采用。随着该行业持续创新，可持续性将继续成为优化哺乳动物细胞系生物过程的关键驱动力，在生产力与环境管理之间取得平衡。
关键参与者和战略合作（例如，Thermo Fisher、Cytiva、Sartorius）
在2025年，哺乳动物细胞系生物过程优化的格局受到领先生物过程技术提供商、设备制造商和生物制药公司之间动态交互的影响。关键参与者如Thermo Fisher Scientific、Cytiva和Sartorius通过内部研发和战略合作推动创新，旨在提高细胞培养基础制造的生产力、可扩展性和重复性。
Thermo Fisher Scientific仍然是一个主导力量，提供涵盖细胞系开发、培养基优化和先进的生物反应器系统的综合解决方案。在2024–2025年，该公司扩展了其Gibco细胞培养组合，并推出了新的高通量过程开发自动化平台，目标是单克隆抗体和先进疗法的生产。Thermo Fisher与主要生物制药公司和CDMO的合作专注于加速过程放大和数字化生物过程工作流，利用其基于云的数据管理和分析工具。
Cytiva（前GE HealthCare Life Sciences的一部分）继续成为一个关键参与者，特别是在上游生物处理。该公司的Xcellerex生物反应器系统和ReadyToProcess一次性技术广泛应用于灵活且可扩展的制造中。在2025年，Cytiva正深化与既有制药制造商和新兴生物技术公司的合作，以共同开发下一代过程强化策略，包括灌流培养和连续处理。Cytiva的全球Fast Trak培训和创新中心网络也支持技术转移和劳动力技能提升，这对于快速采用新优化工具至关重要。
Sartorius因其综合的生物过程解决方案而得到认可，包括ambr自动化迷你生物反应器平台和可扩展的Flexsafe一次性袋。Sartorius近期与亚洲和欧洲领先生物制造商宣布联合投资，旨在共同创建数字双胞胎和基于人工智能的过程控制系统，旨在减少过程变异性并改善产量一致性。该公司的Biostat STR生物反应器和集成的PAT（过程分析技术）工具正被越来越多地应用于生物制剂和细胞疗法的商业生产中。
其他 notable contributors包括默克KGaA（在美国和加拿大的MilliporeSigma），正在投资于模块化生物处理设施和先进的培养基配方，以及Eppendorf，正在扩大其生物处理仪器组合以适应小型和中型应用。预计在2025年，设备供应商与合同开发和制造组织（CDMO）之间的战略联盟将更加紧密，重点是在自动化、实时分析和数字过程控制的整合上，以满足日益增长的对高效、灵活和合规生物制造的需求。
挑战：上游和下游优化中的瓶颈
哺乳动物细胞系生物过程优化仍然是生物制药制造的基石，但随着行业进入2025年，上游和下游流程面临持续的瓶颈。在上游，追求更高产量和产品质量的驱动受到细胞系变异性、培养基复杂性和对稳健过程控制的需求的挑战。尽管在细胞系工程和培养基配方方面取得了进展，但在不同规模和批次之间实现一致的高产生产仍然困难。例如，即使是领先的供应商如Cytiva和Sartorius仍在投资新生物反应器设计和过程分析技术（PAT）以解决这些问题，但对关键质量属性（CQA）的实时监测和控制仍然不完善，尤其是在商业生产规模放大时。
上游的另一个瓶颈是细胞系向强化和连续处理的适应。尽管灌流和连续生物处理提供了效率提升，但在长时间运行中保持细胞存活率、生产力和遗传稳定性也引入了新的挑战。像默克KGaA（在美国和加拿大的MilliporeSigma）和Thermo Fisher Scientific正在开发下一代培养基和供料策略以支持这些先进过程，但由于需要广泛的流程开发和验证，普及受到阻碍。
在下游，高生产力的兴起使瓶颈转移到了纯化和产品回收方面。高浓度的培养物可能会使传统的色谱和过滤系统超负荷，导致能力限制和产品损失或杂质带入的风险增加。Pall Corporation和Repligen Corporation等公司正在创新高容量树脂、一次性技术和连续纯化平台，但与上游过程的集成和监管验证仍然是障碍。
此外，新生物药物形式的复杂性，如双特异性抗体、融合蛋白、细胞和基因疗法，加剧了上游和下游的挑战。这些分子通常需要量身定制的过程解决方案，增加了开发时间和成本。像生物技术创新组织（BIO）这类行业团体正在倡导协调的监管框架和最佳实践，以简化过程优化和技术的采用。
展望未来，克服这些瓶颈的前景持谨慎乐观态度。数字工具、自动化和先进分析的整合预计将增强过程理解和控制，但广泛实施将需要重大投资和跨学科合作。随着行业在2025年及以后迈进，已建立供应商的创新步伐以及新技术提供商的崛起将至关重要，以解决这些持续的挑战。
未来展望：新兴机会和颠覆性技术
在2025年及未来几年，哺乳动物细胞系生物过程优化的格局有望发生重大转变，这一转变受高级自动化、数字化和新型细胞工程策略融合的推动。随着对复杂生物制剂（包括单克隆抗体、细胞和基因疗法以及重组蛋白）的需求不断增加，制造商正面临越来越大的压力，以提高生产力、一致性和可扩展性，同时降低成本和时间。
最具颠覆性的趋势之一是将人工智能（AI）和机器学习（ML）整合到生物过程开发中。这些技术实现了对关键过程参数的实时监测和预测控制，促进了快速优化和故障排除。领先的生物过程设备供应商如Sartorius AG和默克KGaA正在积极开发数字生物处理平台，利用AI驱动的分析加速过程开发并确保从小规模到商业生产的稳健放大。
另一个快速发展的领域是高通量和自动化过程开发工具的采用。像Cytiva和Thermo Fisher Scientific Inc.这样的公司正在扩大其自动化生物反应器系统和微流控平台的组合， enabling parallel experimentation and data-rich process characterization. 这些系统预计将显著缩短开发时间，并改善细胞培养过程的可重复性。
细胞系工程也进入了一个新纪元，基于CRISPR的基因组编辑和合成生物学方法使得创建高生产力和高稳定性的哺乳动物细胞线成为可能。Lonza Group Ltd.和Samsung Biologics正在投资于专有的细胞系开发技术，承诺提供更高的产量、改善的产品质量和更低的遗传漂移风险。这些创新尤其与生产下一代生物制剂相关，其中产品复杂性和监管期望日益增加。
展望未来，连续生物处理与强化的上下游操作的融合预计将进一步颠覆传统的批量制造。像Danaher Corporation（Cytiva和Pall的母公司）等行业领导者正在推进模块化、封闭且完全自动化的系统，以支持灵活制造和快速产品转换。这一变化预计将增强供应链韧性，使行业能够更灵活应对市场需求。
总之，未来几年，哺乳动物细胞系生物过程优化将受到数字化转型、高级自动化和创新细胞工程的影响。这些颠覆性技术将解锁效率、可扩展性和产品质量的新机会，为行业持续增长和创新提供基础。
来源与参考文献
- Sartorius AG
- Thermo Fisher Scientific Inc.
- WuXi AppTec
- Samsung Biologics
- 西门子
- GE HealthCare
- Eppendorf
- 欧洲药品管理局
- 国际制药工程学会
- Pall Corporation
- Repligen Corporation
- 生物技术创新组织（BIO）
