曹家明 許超群 曾憲放
摘要:針對(duì)畢赤酵母(Pichia pastoris)在發(fā)酵過(guò)程中發(fā)生的染菌現(xiàn)象,按照質(zhì)量控制要素及工藝流程進(jìn)行全面分析。通過(guò)對(duì)工作種子庫(kù)、一級(jí)種子、二級(jí)種子、濾芯、發(fā)酵罐及發(fā)酵菌體進(jìn)行系統(tǒng)排查發(fā)現(xiàn),染菌是由賽多利斯取樣閥密封圈磨損及試驗(yàn)人員的不規(guī)范操作造成的。因而在試驗(yàn)操作、設(shè)備維護(hù)、車(chē)間管理、文件修訂、人員培訓(xùn)等方面實(shí)施一系列糾正預(yù)防措施,隨后進(jìn)行多批次的發(fā)酵生產(chǎn)。結(jié)果表明,試驗(yàn)結(jié)果與歷史數(shù)據(jù)具有高度的一致性,從而避免了染菌現(xiàn)象的再次發(fā)生。
關(guān)鍵詞:畢赤酵母;發(fā)酵;染菌分析;預(yù)防策略
中圖分類(lèi)號(hào): S182?文獻(xiàn)標(biāo)志碼: A
文章編號(hào):1002-1302(2020)08-0265-07
收稿日期:2019-03-18
基金項(xiàng)目:國(guó)家“重大新藥創(chuàng)制”科技重大專(zhuān)項(xiàng)(編號(hào):2015ZX09101035、2017ZX09308003);上海市“科技創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃”生物醫(yī)藥領(lǐng)域科技支撐項(xiàng)目(編號(hào):18431905600);上海市科技人才計(jì)劃(編號(hào):16QB1404200)。
作者簡(jiǎn)介:曹家明(1985—),男,江蘇常州人,碩士,工程師,主要從事生物藥物開(kāi)發(fā)、基因工程菌發(fā)酵、蛋白藥物純化等方面的研究。E-mail:caojiaming@walvax.com。
自從Cregg等于1985年利用重組畢赤酵母(Pichia pastoris)成功表達(dá)外源蛋白[1]以來(lái),畢赤酵母因高效表達(dá)外源蛋白、操作簡(jiǎn)單、易于培養(yǎng)、生產(chǎn)成本低廉等優(yōu)點(diǎn)而受到科學(xué)家和工業(yè)界的青睞,目前已有超過(guò)500個(gè)蛋白在畢赤酵母中表達(dá)成功,表達(dá)產(chǎn)物包括干擾素、酶制劑、抗體等[2-4]。美國(guó)食品藥品監(jiān)督管理局(Food and Drug Administration,簡(jiǎn)稱(chēng)FDA)認(rèn)定畢赤酵母是一般公認(rèn)安全的(generally regarded as safe,簡(jiǎn)稱(chēng)GRAS)微生物,為其在醫(yī)藥和食品中的應(yīng)用鋪平了道路[5]。目前,人們已經(jīng)在該系統(tǒng)中成功表達(dá)了胰島素、彈性蛋白酶、S-腺苷基甲硫氨酸、干擾素、白細(xì)胞介素、溶菌酶等多種治療性藥物[6-7]。隨著畢赤酵母表達(dá)系統(tǒng)研究的不斷推進(jìn),會(huì)有更多外源蛋白在畢赤酵母中表達(dá),從而在醫(yī)學(xué)、微生物學(xué)等相關(guān)領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。
隨著發(fā)酵技術(shù)、生物反應(yīng)器設(shè)計(jì)制造的發(fā)展更新,生產(chǎn)過(guò)程中的染菌率已經(jīng)明顯下降,然而染菌仍是發(fā)酵產(chǎn)業(yè)的最大“敵人”,染菌輕者會(huì)降低產(chǎn)品的產(chǎn)率及質(zhì)量,嚴(yán)重者會(huì)造成發(fā)酵失敗,不僅會(huì)增加發(fā)酵的生產(chǎn)成本,打亂生產(chǎn)計(jì)劃,還會(huì)造成環(huán)境污染[8-9]。宋磊等從染菌時(shí)間、類(lèi)型、范圍3個(gè)方面探討透明質(zhì)酸發(fā)酵染菌的原因,提出防止發(fā)酵染菌及染菌后的補(bǔ)救措施[10]。任石茍等對(duì)乳酸生產(chǎn)過(guò)程中的染菌原因進(jìn)行分析,提出了預(yù)防和治理措施[11]。李素榮等通過(guò)加強(qiáng)菌種、無(wú)菌用具、環(huán)境、人員培訓(xùn)等的管理,使染菌率由9.64%降至1.20%[12]。丁瑋云等介紹了賴(lài)氨酸發(fā)酵染菌的危害性及由設(shè)備引起的染菌原因,并提出防控措施[13]。劉利通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)跟蹤調(diào)查,得出設(shè)備、空氣和員工操作失誤引起的染菌概率最大,應(yīng)該從這3個(gè)方面入手減少染菌[14]。目前的染菌研究多集中于抗生素、谷氨酸等傳統(tǒng)產(chǎn)品在發(fā)酵過(guò)程中的染菌途徑、不同發(fā)酵階段染菌對(duì)發(fā)酵的影響及防治措施等方面[9,15-16],鮮有針對(duì)藥品生產(chǎn)質(zhì)量管理規(guī)范(good manufacturing practices,簡(jiǎn)稱(chēng)GMP)環(huán)境下發(fā)酵生產(chǎn)中染菌排查的報(bào)道[17]。本研究以筆者所在公司車(chē)間在進(jìn)行畢赤酵母發(fā)酵表達(dá)外源蛋白的生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的1例染菌現(xiàn)象為列,對(duì)可能的染菌過(guò)程進(jìn)行分析、排查,并采取相應(yīng)的預(yù)防和整改措施,以期為醫(yī)藥企業(yè)在重組菌發(fā)酵生產(chǎn)中出現(xiàn)染菌現(xiàn)象時(shí)進(jìn)行快速排查及預(yù)防提供一些思路。
1?材料與方法
1.1?試驗(yàn)試劑
酵母粉,購(gòu)自O(shè)XOID公司;蛋白胨,購(gòu)自日本制藥株式會(huì)社;甘油,購(gòu)自湖南爾康制藥股份有限公司;胰蛋白胨大豆瓊脂培養(yǎng)基 (tryptone soy agar,簡(jiǎn)稱(chēng)TSA培養(yǎng)基)平板,購(gòu)自上海源培生物科技股份有限公司。
1.2?酵母浸出粉胨葡萄糖培養(yǎng)基(yeast extract peptone dextrose medium,簡(jiǎn)稱(chēng)YPG培養(yǎng)基)
YPG培養(yǎng)基配方如下:20 g/L蛋白胨、10 g/L酵母粉、20 g/L甘油。用2 L錐形瓶分裝1 L培養(yǎng)基,在30 L發(fā)酵罐中裝入8 L培養(yǎng)基,在210 L發(fā)酵罐中裝入120 L培養(yǎng)基,于121 ℃滅菌20 min。
1.3?儀器與設(shè)備
NLF22 30 L發(fā)酵罐,購(gòu)自瑞士比歐生物工程公司;BIOSTATC-plus 30 L發(fā)酵罐,購(gòu)自賽多利斯公司;P 210 L發(fā)酵罐,購(gòu)自瑞士比歐生物工程公司;立式壓力蒸汽滅菌器,購(gòu)自上海博迅實(shí)業(yè)有限公司;全溫振蕩培養(yǎng)箱,購(gòu)自哈爾濱東聯(lián)電子技術(shù)開(kāi)發(fā)有限公司;顯微鏡,購(gòu)自重慶光學(xué)儀器廠。
1.4?試驗(yàn)方法
(1)人員操作排查。相應(yīng)批次的試驗(yàn)人員回顧相關(guān)操作,分析可能的風(fēng)險(xiǎn)環(huán)節(jié)。(2)工作種子庫(kù)排查。領(lǐng)取1支工作種子,吸取100 μL,稀釋一定倍數(shù)后涂布TSA平板,培養(yǎng)2~3 d后觀察菌落形態(tài),并挑取單菌落進(jìn)行鏡檢。(3)一級(jí)種子排查。領(lǐng)取1支工作種子,接種于YPG培養(yǎng)基中,于 30 ℃、200 r/min培養(yǎng)24 h,取1 mL發(fā)酵液稀釋至一定倍數(shù)后涂布平板,培養(yǎng)2~3 d后觀察菌落形態(tài),并挑取單菌落進(jìn)行鏡檢。(4)濾芯檢查。拆下壓縮空氣管路及發(fā)酵罐上的濾芯,檢查外觀,并進(jìn)行完整性測(cè)試。(5)空培試驗(yàn)。30L發(fā)酵罐設(shè)置攪拌轉(zhuǎn)速300 r/min、培養(yǎng)溫度30 ℃、通氣量 10 L/min,不進(jìn)行接種,空培72 h后,觀察是否有雜菌生長(zhǎng)現(xiàn)象。210 L發(fā)酵罐設(shè)置攪拌轉(zhuǎn)速 300 r/min、培養(yǎng)溫度30 ℃、通氣量100 L/min,不進(jìn)行接種,觀察是否有雜菌生長(zhǎng)現(xiàn)象;空培48 h后,若210 L發(fā)酵罐未染菌,則進(jìn)行甘油、甲醇補(bǔ)料操作,觀察是否有雜菌生長(zhǎng)現(xiàn)象;空培72 h后,若210 L發(fā)酵罐未染菌,則模擬移種操作,將30L發(fā)酵罐中未染菌的培養(yǎng)基按正常移種操作移入210 L發(fā)酵罐中繼續(xù)空培48 h,觀察是否有雜菌生長(zhǎng)現(xiàn)象。(6)接種培養(yǎng)。對(duì)空培正常的30 L發(fā)酵罐進(jìn)行接種,按照“(5)空培試驗(yàn)”中的培養(yǎng)條件進(jìn)行二級(jí)種子培養(yǎng),培養(yǎng)6 h后無(wú)菌取樣鏡檢,涂布平板培養(yǎng),檢查是否有染菌。(7)菌體檢查。在超凈工作臺(tái)中無(wú)菌刮取最近批次的發(fā)酵菌體,適當(dāng)稀釋后涂布于平板上,37 ℃ 培養(yǎng)2~3d,觀察是否有雜菌生長(zhǎng)。(8)染菌判斷。在培養(yǎng)過(guò)程中觀察pH值是否有明顯變化(波動(dòng)大于1表示變化明顯),溶氧量(由發(fā)酵罐自帶電極測(cè)量)有無(wú)明顯下降(波動(dòng)大于20%表示變化明顯),發(fā)酵液顏色是否澄清,是否有異常氣味,鏡檢觀察是否有雜菌等,若有其中1項(xiàng)發(fā)生明顯變化,則認(rèn)為發(fā)生染菌。
2.2.8?染菌調(diào)查試驗(yàn)小結(jié)
(1)經(jīng)過(guò)試驗(yàn)人員的回憶與分析,存在一些不規(guī)范操作;(2)NLF22 30L發(fā)酵罐在進(jìn)行空培、取樣操作、接種操作、二級(jí)種子培養(yǎng)的過(guò)程中,通過(guò)取樣鏡檢并稀釋涂平板,未發(fā)現(xiàn)有染菌現(xiàn)象;(3)C-plus 30 L發(fā)酵罐在空培過(guò)程中發(fā)生染菌,經(jīng)過(guò)對(duì)取樣閥進(jìn)行嚴(yán)格處理和更換密封圈后進(jìn)行空培及二級(jí)種子培養(yǎng),未發(fā)現(xiàn)染菌現(xiàn)象;(4)P 210 L發(fā)酵罐進(jìn)行了空培、取樣、移種、補(bǔ)料等操作,共進(jìn)行160h的試驗(yàn),未發(fā)現(xiàn)有染菌現(xiàn)象;(5)不同發(fā)酵罐最近發(fā)酵的菌體均未出現(xiàn)染菌;(6)分析染菌原因,可能是存在不規(guī)范的試驗(yàn)操作現(xiàn)象。C-plus 30 L發(fā)酵罐取樣閥的設(shè)計(jì)造成密封圈極易磨損。
2.3?預(yù)防及糾正措施
筆者所在公司的車(chē)間環(huán)境為GMP條件,發(fā)酵罐均為進(jìn)口的全自動(dòng)發(fā)酵系統(tǒng),且發(fā)酵規(guī)模遠(yuǎn)小于大宗產(chǎn)品,因此環(huán)境和設(shè)備所帶來(lái)的影響較小。然而,由于在研發(fā)階段一些操作未被寫(xiě)入相關(guān)文件中,并且一些員工入職時(shí)間短,因此筆者從生產(chǎn)流程和人員入手,對(duì)可能造成染菌的環(huán)節(jié)采取預(yù)防及糾正措施,并以文件的形式固定下來(lái),并對(duì)相關(guān)人員進(jìn)行了系統(tǒng)培訓(xùn),具體措施如下。
2.3.1?溶液滅菌
2.3.1.1?搖瓶溶液的滅菌?(1)搖瓶溶液滅菌結(jié)束后應(yīng)讓滅菌鍋?zhàn)匀唤禍刂?00 ℃以下,使壓力降至0 MPa,嚴(yán)禁直接手動(dòng)卸壓,否則會(huì)因壓力下降過(guò)快造成封口膜鼓脹甚至松脫。(2)搖瓶溶液在用滅菌鍋滅菌后應(yīng)及時(shí)開(kāi)蓋并取出,放置于桌面或超凈臺(tái)內(nèi)自然冷卻,用75%乙醇表面消毒后置于超凈工作臺(tái)內(nèi),不得放在水池內(nèi)用純化水冷卻。
2.3.1.2?補(bǔ)料溶液的滅菌?(1)滅菌前應(yīng)將補(bǔ)料軟管插針套筒前端旋開(kāi),并檢查內(nèi)部棉塞的狀態(tài),如果有變色或異味應(yīng)立即更換。插針套筒頂端應(yīng)避免靠近滅菌鍋底部,防止滅菌過(guò)程中混入不潔凈的水。(2)檢查補(bǔ)料瓶呼吸過(guò)濾器的狀態(tài),如發(fā)現(xiàn)破損、變形、進(jìn)水、變色,應(yīng)立即更換。在呼吸過(guò)濾器上標(biāo)明開(kāi)始使用的日期,并在每次滅菌前標(biāo)記滅菌的次數(shù),重復(fù)滅菌滿(mǎn)20次后立即更換。(3)與四閥組對(duì)接的隔膜閥在滅菌時(shí)應(yīng)使其處于開(kāi)啟狀態(tài),滅菌結(jié)束取出補(bǔ)料瓶時(shí)應(yīng)旋緊隔膜閥。(4)溶液在滅菌前需要確認(rèn)呼吸器正常、軟管已被止血鉗夾緊。
2.3.2?搖瓶接種?(1)接種前開(kāi)啟紫外燈照射搖瓶溶液的時(shí)間不少于30 min。(2)搖瓶用75%乙醇噴灑消毒后放入超凈工作臺(tái)內(nèi),開(kāi)啟風(fēng)機(jī)吹干搖瓶外壁。(3)用帶濾芯的吸頭進(jìn)行接種。
2.3.3?將種子液轉(zhuǎn)移至接種瓶中?搖瓶揭開(kāi)封口膜后,將瓶口立即靠近乙醇燈火焰并旋轉(zhuǎn)瓶身,對(duì)瓶口進(jìn)行烘烤。倒種子液時(shí),接種瓶不應(yīng)放在雙人超凈工作臺(tái)的中間位置。
2.3.4?發(fā)酵準(zhǔn)備工作?(1)發(fā)酵罐檢漏。發(fā)酵罐定期做保壓測(cè)試,對(duì)于發(fā)現(xiàn)泄漏的地方應(yīng)采取措施解決。(2)30 L發(fā)酵罐的清洗。發(fā)酵罐的清洗要全面,將30 L發(fā)酵罐的可拆卸零部件浸泡于堿液中,包括墊圈、電極堵頭、空氣過(guò)濾器外殼等。30 L發(fā)酵罐的清洗過(guò)程包括3步:(1)用純化水清洗干凈;(2)用0.25 mol/L堿液浸泡2 h以上;(3)用純化水沖洗干凈。用堿液浸泡時(shí),需要打開(kāi)發(fā)酵罐底閥和取樣閥,確認(rèn)堿液與閥芯充分接觸進(jìn)行浸泡,在取樣閥與底閥出口處連接軟管并用止血鉗夾緊。
2.3.5?30 L發(fā)酵罐的滅菌?在對(duì)30 L發(fā)酵罐進(jìn)行滅菌的過(guò)程中,對(duì)取樣閥和底閥進(jìn)行同步滅菌。
2.3.6?30 L發(fā)酵罐種子的培養(yǎng)?在30 L發(fā)酵罐的培養(yǎng)過(guò)程中,應(yīng)調(diào)節(jié)尾氣閥門(mén),使罐壓維持在 20 kPa。
2.3.7?30~210 L發(fā)酵罐的移種?(1)對(duì)移種管路滅菌30 min,在滅菌過(guò)程中注意觀察接頭部分是否有蒸汽泄露。(2)將移種管路接頭部分的墊圈浸泡于堿液中,使用前清洗干凈,如有變形或破損,應(yīng)立即更換。(3)在移種過(guò)程中,保持30 L發(fā)酵罐的進(jìn)氣和排氣處于通路狀態(tài),并調(diào)節(jié)尾氣閥,維持罐壓在50 kPa左右。
2.3.8?過(guò)程取樣?(1)取樣前后都需要對(duì)取樣管路進(jìn)行蒸汽滅菌,時(shí)間設(shè)為5~6 min。滅菌時(shí)遵循蒸汽流動(dòng)方向依次打開(kāi)取樣管路上的隔膜閥,滅菌結(jié)束后則倒序關(guān)閉隔膜閥。(2)210 L發(fā)酵罐取樣時(shí)先打開(kāi)隔膜閥,后打開(kāi)取樣閥。在發(fā)酵過(guò)程中,每隔24 h通過(guò)取樣鏡檢及平板涂布來(lái)判斷是否染菌。
2.3.9?210 L發(fā)酵罐滅菌?在滅菌過(guò)程中注意觀察閥組、堵頭部分是否有泄露;滅菌完成并冷卻至設(shè)定溫度進(jìn)入保壓模式后,注意觀察罐壓的變化。
2.3.10?210 L發(fā)酵罐發(fā)酵過(guò)程的補(bǔ)料?(1)四閥組補(bǔ)料口對(duì)接后滅菌30 min。(2)開(kāi)啟補(bǔ)料閥組時(shí),注意開(kāi)啟對(duì)應(yīng)的四閥組,不要錯(cuò)開(kāi)未滅菌的補(bǔ)料四閥組。(3)注意推閥的開(kāi)啟和關(guān)閉狀態(tài),防止在補(bǔ)料過(guò)程中軟管崩開(kāi)。
2.3.11?維護(hù)保養(yǎng)?(1)30 L發(fā)酵罐進(jìn)氣端濾芯暫定半年更換1次,每批在放罐后拆下并觀察有無(wú)明顯污染、變形或松動(dòng)。(2)210 L發(fā)酵罐進(jìn)氣端空氣過(guò)濾器暫定2批次更換1次,尾氣濾芯每批次更換1次,如需延長(zhǎng)使用次數(shù),則應(yīng)在使用前進(jìn)行完整性測(cè)試,檢測(cè)合格后方可繼續(xù)使用。(3)每個(gè)批次均對(duì)發(fā)酵罐密封圈進(jìn)行檢查。(4)每個(gè)季度均對(duì)發(fā)酵罐進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)。(5)每個(gè)月均對(duì)超凈工作臺(tái)采用0.2%新潔爾滅/75%乙醇擦拭輪換進(jìn)行消毒;每個(gè)月對(duì)滅菌鍋內(nèi)的水進(jìn)行更換。
2.3.12?GMP管理方面?(1)完善操作人員的交接班記錄。(2)對(duì)相關(guān)人員定期進(jìn)行GMP知識(shí)、車(chē)間管理、發(fā)酵操作等方面的培訓(xùn)。(3)將“2.3.1”節(jié)至“2.3.11”節(jié)中的內(nèi)容整合進(jìn)發(fā)酵罐的操作規(guī)程及工藝規(guī)程中。(4)升級(jí)工藝規(guī)程和發(fā)酵罐SOP。