近年来，生物制药产业正经历从传统单克隆抗体向双特异性抗体、融合蛋白、多特异性抗体等复杂生物药快速升级的重要阶段。随着肿瘤免疫治疗、自身免疫疾病治疗以及罕见病治疗需求不断增长，复杂生物药正逐渐成为全球创新药研发的核心方向。然而，与传统单抗相比，这类分子在表达、组装、翻译后修饰以及规模化生产过程中面临更多挑战。如何实现高产量、高质量以及稳定可放大的生产工艺，已经成为决定产品商业化成功与否的重要因素。 

本文介绍的这篇英文综述论文的英文原文标题为“ Challenges and solutions for upstream processing of complex biologics”。这篇论文2026年3月上线发表在了华人抗体协会旗下期刊《Antibody Therapeutics》(牛津大学出版社出版，影响因子4.8)。此文的5位作者均来自金斯瑞旗下子公司蓬勃生物（GenScript ProBio Biotechnology Co., Ltd.），其中通讯作者为蓬勃生物的生物药工艺开发和研发负责人（Head of Biologics PD and R&D）李颖博士。此文的英文全文可点击链接免费下载：https://doi.org/10.1093/abt/tbag006 。

值得一提的是，这篇关于上游工艺开发的综述论文可以说另外一篇下游工艺开发的综述论文的姊妹篇，该文的英文标题为：“Challenges and solutions for the downstream purification of therapeutic proteins”, 该文也发表在了《Antibody Therapeutics》，通讯作者同样为李颖博士。该文自从2023年11月发表以来迄今（2026年10月9日）已经被引用了67次，阅读/下载量已经近18000次。该文的英文全文可点击链接免费下载：https://doi.org/10.1093/abt/tbad028。

这篇中文文章聚焦于上述的上游工艺开发的综述论文，该文系统总结了复杂生物药上游开发过程中的关键挑战，并结合产业实践提出了一系列创新解决方案。从提高表达量到调控乳酸代谢，从控制电荷异质性到优化糖基化，再到利用人工智能构建未来智能工厂，这些技术进展正在重塑现代生物制造的发展格局。 

在复杂生物药开发过程中，首先面临的是表达量不足的问题。双抗和融合蛋白通常具有更加复杂的结构，需要多个蛋白链正确配对和折叠。由于存在重链和轻链错配、代谢负担增加以及细胞应激增强等问题，许多产品被归类为“难表达分子”。传统工艺下产量往往不足1 g/L，严重影响产业化进程。 

为了提升产量，行业开始广泛采用工艺强化策略。其中强化流加培养技术成为最具代表性的解决方案之一。通过N-1灌流扩大种子培养密度，将接种密度从传统水平提升数倍以上，可以显著提高活细胞密度，从而实现更高体积产率。研究案例显示，该策略可使最终产量提升超过两倍，同时维持产品纯度和关键质量属性稳定。 

除了培养策略优化，培养基设计正在成为影响产量的重要变量。氨基酸不仅是蛋白质合成的基础原料，更深度参与细胞代谢调控。通过代谢组学分析，研究人员发现三羧酸循环以及丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代谢与细胞生产力密切相关。针对关键氨基酸进行精准补料，可以显著提高单位细胞生产能力。部分案例显示，通过重新平衡氨基酸组成，单位细胞产率能够提高超过50%。 

在大规模培养中，二氧化碳和渗透压控制同样至关重要。过高的pCO2会抑制细胞生长，影响蛋白表达；过高渗透压虽然可能提高单位细胞产量，却会限制细胞增殖。因此，建立兼顾细胞密度与生产能力的工艺窗口，对于商业化放大尤为重要。 

除了产量挑战，乳酸控制一直是CHO细胞培养中的经典难题。细胞在高糖环境下往往倾向于通过糖酵解途径快速获取能量，并将大量丙酮酸转化为乳酸。当乳酸持续积累时，不仅导致培养液酸化，还会影响细胞活力、降低蛋白表达并影响产品质量。 

当前先进的乳酸调控理念已经从简单降低葡萄糖浓度发展为系统代谢工程调控。一方面，通过动态补料和葡萄糖限制策略减少糖酵解流量；另一方面，通过增强线粒体氧化代谢促进丙酮酸进入三羧酸循环。研究表明，补充丙酮酸、α-酮戊二酸、苹果酸等代谢中间体，能够有效促进乳酸再利用，提升细胞能量效率。 

其中，动态补料被认为是未来工艺平台的重要方向。与固定比例补料不同，动态补料根据实时代谢需求调整营养供应，可避免后期乳酸反弹，提高工艺稳定性。实践数据显示，该策略能够显著提高细胞活率和工艺一致性，同时实现更高蛋白产量。 

对于复杂生物药而言，质量挑战往往比产量挑战更加关键。其中最受关注的问题之一便是电荷异质性。抗体在培养过程中会发生脱酰胺、氧化、糖基化以及二硫键变化等翻译后修饰，从而产生酸性变体和碱性变体。过多酸性变体可能改变药物药代动力学行为，降低受体结合能力，甚至影响疗效与免疫原性。 

为了降低酸性变体比例，研究人员开发出多种上游调控手段。例如通过适当降低培养pH减缓脱酰胺反应；补充色氨酸降低蛋白氧化；补充锰离子缓解氧化应激；优化补料组成降低活性氧生成。此外，降低培养体系中的半胱氨酸浓度同样能够有效减少二硫键还原和半胱氨酸化修饰，从而降低酸性峰比例。 

聚集体和片段也是复杂生物药开发中的常见难题。聚集体会增加免疫原性风险，而片段则可能导致药效下降。其产生机制涉及蛋白表面疏水暴露、二硫键错配、蛋白酶降解以及氧化还原失衡等多个层面。 

针对这一问题，低温培养已经成为行业广泛采用的控制策略。温度下降能够降低蛋白降解酶活性，改善蛋白折叠过程，并减少聚集体生成。同时，甘油、DMSO、盐离子以及金属离子调控也被证实能够改善蛋白稳定性。 

值得关注的是，铜离子在多个案例中表现出独特价值。作为氧化还原调节因子，铜离子能够帮助维持二硫键稳定，减少错误配对和聚集体形成。研究数据显示，在特定项目中补充铜离子后，主峰纯度提升近10个百分点，而细胞生长和产量并未受到明显影响。 

对于存在严重片段问题的融合蛋白产品，灌流培养技术展现出巨大优势。灌流工艺通过持续补充新鲜培养基并移除代谢废物，使培养环境长期保持稳定状态。相关研究案例中，蛋白片段比例从16%以上降至1%左右，同时产量超过20 g/L，远高于传统流加培养工艺。 

如果说产量和纯度决定制造效率，那么糖基化则直接影响生物药的临床价值。糖基化被认为是抗体和融合蛋白最关键的质量属性之一。不同糖链结构会影响药物稳定性、半衰期、免疫原性以及效应功能。 

随着抗体药物设计不断进步，行业对于糖型控制的要求越来越高。例如高半乳糖化可能增强补体活性，高唾液酸化可以改善药代动力学特征，而去岩藻糖化则能够增强ADCC效应，成为肿瘤治疗抗体开发的重要方向。 

研究显示，通过添加尿苷、锰离子和半乳糖组成的UMG组合，可显著提升唾液酸化水平。进一步联合地塞米松或铜离子时，不仅能够实现更高比例唾液酸修饰，还可同步提高产量。这种工艺调控方式避免了复杂细胞工程改造，为快速实现目标糖型提供了高效工具。 

在另一项IgG项目中，通过添加岩藻糖类似物抑制岩藻糖转移酶活性，成功将去岩藻糖化水平提高数倍，同时维持稳定产量。这一策略对于开发高效ADCC抗体和下一代肿瘤免疫治疗产品具有重要意义。 

伴随复杂生物药不断发展，传统经验驱动的工艺开发模式正在向数据驱动模式转型。人工智能、数字孪生以及先进过程分析技术正在成为生物制造领域的新引擎。数字孪生技术通过整合细胞生长、代谢数据和工艺参数，能够预测细胞密度、代谢状态和最终产量，大幅降低实验成本。 

与此同时，拉曼光谱、在线传感器和PAT-on-a-chip等先进分析平台正在实现关键质量属性实时监测。研究者甚至能够同时追踪超过百种代谢物变化，并通过机器学习模型自动优化培养过程。这种实时反馈机制不仅提高了开发效率，也为未来实时放行提供技术基础。 

展望未来，复杂生物药上游开发将朝着智能化、自优化和连续化制造方向发展。通过人工智能与PAT深度融合，生物反应器有望像自动驾驶系统一样实时识别偏差并自动调整运行参数，实现真正意义上的智能制造。 

对于创新药企业、CDMO以及生物技术公司而言，这不仅是一场技术升级，更是一场产业变革。从双抗、融合蛋白到未来多功能创新分子，先进上游生产平台正在成为决定竞争力的核心基础设施。谁能够率先建立高效、稳定、智能的制造体系，谁就将在下一轮全球生物医药竞争中占据优势地位。 

可以预见，随着培养基科学、代谢工程、工艺强化、糖工程以及人工智能技术持续突破，复杂生物药生产能力将实现质的飞跃。一个更加高效、更可预测、更具成本优势的生物制造新时代正在加速到来，并将持续推动全球创新疗法惠及更多患者。

参考文献

Shuya Xu, Yunlong Wang, Yawen Yu, Felix Zhu, and Ying Li. "Challenges and solutions for upstream processing of complex biologics." Antibody Therapeutics 9, no. 2 (2026): 139-149. DOI：https://doi.org/10.1093/abt/tbag008.

Shuo Tang, Jiaoli Tao, and Ying Li. "Challenges and solutions for the downstream purification of therapeutic proteins." Antibody therapeutics 7, no. 1 (2024): 1-12. DOI: https://doi.org/10.1093/abt/tbad028

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