数智自动化与CGT大规模生产

来源:先进细胞智造系统研发平台

建设单位:深圳赛动智造科技有限公司

时间:2025-03-12

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刘沐芸
细胞产业关键共性技术国家工程研究中心 主任
中国(深圳)综合开发研究院  特约研究员
《中华细胞与干细胞杂志》 副总编辑

根据刘沐芸主任在“全国干细胞临床研究管理与医学伦理审查能力建设培训班”的主题发言整理而成



国际再生医学产业概况


CGT(细胞与基因治疗)疗法潜力巨大,被誉为现代医学的下一份支柱。据国际再生医学产业联盟的研究显示,目前,全球有超过2000家以细胞与基因治疗、组织工程等为主营业务的市场主体活跃在国际再生医学产业领域,其中美国占45%,中国占28%,欧洲和日本分别占15%和7%。


该报告显示,不同地区聚焦的技术领域有些不同,北美地区的公司在基因治疗方面相对突出,有632个聚焦基因治疗的企业,而亚太地区的公司在细胞免疫治疗方面相对出色,有521个企业。


2024年,美国FDA和中国的NMPA先后批复了间充质干细胞上市,用于治疗GVHD(移植物抗宿主病)。据国际再生医学产业联盟显示,截止2024年底,国际上已有近2000项CGT疗法进入临床试验阶段,覆盖从罕见病到肿瘤、自身免疫性疾病的广泛领域;预计到2030年,将有50-75款CGT产品获批上市,这一数据不仅彰显了技术的突破性,更揭示了产业化的巨大机遇。


从临床试验分布来看,CGT的应用正从罕见病向流行病延伸。截至2024年,全球Phase III临床试验数量已达107项,其中实体瘤治疗占比显著增长,2024年2月,首个针对实体瘤的细胞治疗获批,标志着CGT技术迈入了更广阔的战场。


从全球CGT投融资来看,CGT产业呈现快速全球化趋势。2024年数据显示,北美仍以1230家市场主体和11.8亿美元投资领跑,亚太地区以1029家开发者和1.5亿美元投资紧追其后。中国作为新兴力量,年增长率超过30%,正逐步成为全球CGT创新的重要一极。



细胞治疗科学进展快于产业发展的速度


目前,我国已有7款细胞治疗产品获批上市,覆盖淋巴瘤、多发性骨髓瘤等适应症。FDA也已经批复了首个治疗实体瘤的细胞疗法,Car-T在非肿瘤疾病治疗上也显示出良好的应用前景。与此同时,2024年CGT领域研究也取得了里程碑的进展,一项应用体内编辑的CRISPR技术进入III期临床试验,CAR-T治疗也完成了体内修饰的概念测试,预示着未来Car-T临床治疗可能不再需要复杂的处理和质控,将由复杂的体外生产转向简单易行的体内编辑。


从这些进展来看,CGT在科学上取得了巨大的成功。那我们来看看,科学上取得巨大成功的CGT疗法在临床治疗上如何?CGT疗法的临床价值毋庸置疑,但高昂的治疗费用正成为患者可及性的“致命门槛”。以我国已上市的CAR-T产品为例:复星凯特的阿基仑索注射液,单针价格120万元;南京凯德生物的伊基仑索注射液,单针价格高达166.67万元;科济药业的洋沃基奥仑索注射液,2024年上市后定价115万元/针。而刚获批在美国上市的干细胞治疗定价是,每次静脉输注时19.4万美元,一个疗程需要8次。所以说,CGT疗法还只是科学上的成功,并未走向产业上的成功,离人人可及的临床应用还很远。


同时,我们必须认识到,CGT产品天价并非偶然,而是有着结构性的成因。其背后是繁琐的生产流程、依赖人工操作以及高洁净级别设施的巨额投入。例如,一款CAR-T产品需经过10多个专业工程师的手工步骤,而同时仅高级别的洁净室建设成本就占总支出的18%。


所以CGT产品昂贵的价格背后,是其复杂的成本结构:生产过程高度依赖人工数量和熟练程度;供应链与设施投入巨大,B级洁净室建设、冷链运输、质控环节等推高固定成本;同时,支付体系尚未成熟,商业保险覆盖率低,医保纳入难度大,导致患者自付压力沉重。



细胞治疗生产仍然处于人工、开放的操作


经过十多年的发展,最先进的细胞与基因治疗,仍然是制备工程师穿着防护服坐在生物安全柜旁边,手伸进生物安全柜里面开展很多开口操作。这就带来了高额的固定投资和维护成本,以及高洁净级别的厂房设施建设和大量高素质的制备工程师团队的人力成本。


更重要的是,完全依赖手工制备细胞存在人工操作的“经验陷阱”与CGT产业化困局因此,我们不禁要问,当CGT产品生产工艺停留在“经验驱动”阶段,我们要如何才能跨越从实验室的手工艺术到大规模生产的工业科学


从技术哲学的视角来看,当前人工生产工艺面临三种结构性的矛盾。


一.工艺表征的“最小化困境”


现有手工操作仅满足“可接受”标准,而非“可重复、可放大”的工业化生产要求,依赖操作者个体经验的工艺,本质上是一种“黑箱系统”——我们知其然,却难以知其所以然。


二.数据积累的“不可重叠性”


不同批次间的“误差”或“经验”无法通过统计学方法叠加分析。这导致两个严重后果:一是历史生产数据难以转化为工艺知识,产生常见的知识鸿沟(Knowledge Gap);二是质量偏差呈现非线性累积效应,以CAR-T生产为例,人工操作的不合格率是自动化产线的3.2倍。


三.人力资源的“规模悖论”


CGT产业正陷入“工程师供给不足→依赖个体熟练度→工艺稳定性差→进一步扩大人力需求”的恶性循环。数据显示,我国CGT企业工程师离职率高达23%,远高于生物药行业离职率平均水平(12%)。


当前,CGT产业存在产能扩展误区,许多企业试图通过扩建厂房或增加工程师人数解决产能问题,结果却陷入恶性循环:固定成本飙升,工程师短缺加剧,工艺数据依旧零散。这种“治标不治本”的策略,恰恰暴露了传统模式的局限性。



工业发展史对CGT大规模生产的启发


回顾工业发展史,四次工业革命呈现出鲜明的范式跃迁特征:


蒸汽时代(18世纪):以机械力解放体力劳动,但生产系统是“确定性物理规则”的延伸;


电气时代(20世纪初):标准化流水线催生规模经济,但工艺控制依赖“经验统计模型”;


信息时代(1970年代):计算机实现局部自动化,但数据与物理系统仍处于“弱耦合”状态;


智能时代(21世纪):数字孪生、物联网与AI推动“信息-物理-生物系统”三元融合,生产活动从“经验驱动”转向“数据涌现”


这种跃迁对CGT产业具有重要启发:当细胞作为“活体药物”进入工业化生产时,电气时代的“经验统计”范式显然难以满足其动态、复杂性需求。


以汽车行业为例,20世纪50年代的生产线需数百名工人,而如今特斯拉的“超级工厂”仅需5人即可完成全流程。这种效率革命,正是CGT产业亟需的范式转变。然而,CGT生产技术的革新远滞后于其他行业,这种技术停滞,已成为制约其产业化的最大瓶颈。


所以,CGT行业是否也可以应用数智技术推动CGT产品的生产从“经验依赖”到“数据驱动”?当细胞治疗进入产业化阶段,“可重复性”比“创新性”更具战略价值


工艺科学化:建立基于QbD(质量源于设计)理念的工艺模型,将操作者隐性知识显性化为关键工艺参数(CPP)。例如,通过DOE(实验设计)量化离心速度、培养时间等变量对细胞活率的影响权重。


数据连续性:构建覆盖“原料-过程-产品”的全生命周期数据链。我们团队开发的数字孪生系统显示,当数据采集频率从“批次级”提升至“分钟级”时,工艺偏差预测准确率可从68%提高至92%。


人机协同进化:不是简单替代人工,而是通过数字化工具,将操作者从重复劳动升级为“工艺优化师”。临床试验表明,这种模式能使新工程师培训周期缩短40%,操作失误率降低57%。


据此,数智化技术可贯穿CGT产业链的上游原料供应、中游生产制造与下游临床分发。例如,云计算实现工艺参数实时优化,物联网监控设备运行状态,人工智能则通过生产过程中的历史数据预测细胞产品的质量风险。



自动化设备与数智化产线的比较


自动化设备仅解决“工段级优化”(如封闭式离心、培养),其本质是“机械思维的延伸”——通过刚性程序替代人工操作,但无法突破经验驱动、数据孤岛的桎梏;而数智化产线则通过全生命周期、生产控制系统、物料管理系统的集成,实现“生产关系的重构”——工艺参数与关键质量属性(CQA)的实时映射,使生产过程成为知识积累和创造的载体。


这种差异的根源在于:当前人工操作的生产方式、生产过程是一种“输入-输出”的线性过程,又称为“黑箱模型”;而数智化生产范式下,生产过程成为是一种“数据-知识-决策”的复杂网络,也就是常说的“白箱模型”。


因此CGT降本增效的关键在于数智技术带动的生产方式与生产关系的重构,自动化设备仅能替代单一工段,而数智化产线可实现端到端闭环。以某细胞公司部署的产线为例,其通过全封闭管路系统和多批次并行生产,将效率提升36%,厂房面积缩减53%。



数智技术推动CGT从科学上的成功走向产业成功


企业需在工艺开发早期规划自动化产线方案,重点关注多产品并行处理的兼容性与产能弹性。促进CGT的研发与生产从“记录驱动”转向“数据驱动”,传统CGT生产流程(如开放式操作、人工记录)本质上是“黑箱知识体系”的产物,其核心问题不在于技术落后,而在于知识产生方式的结构性缺陷:


信息碎片化:生产数据散落在纸质记录、设备日志与操作者经验,形成“数据孤岛”;

因果链断裂:人工验证(如“Manual Viewing & Verification”)割裂了工艺参数与质量属性的动态关联;

知识不可积:不同批次间的“隐性经验”无法通过统计学叠加形成普适规律。这种模式导致一个悖论:越是复杂的生产工艺,其知识积累效率反而越低。


而数据驱动的新流程的核心价值,在于将生产活动转化为“数据-知识-决策”的连续流,在数据密集型工具的推动下,CGT的工艺优化将成为产生新的科学发现的一个新方法和新路径。


国家政策为CGT产业新型工业化注入强心剂:《产业结构调整指导目录(2024年)》将细胞治疗列为鼓励类产业;2022年10月底,国家药监局发布流新版《细胞治疗产品生产质量管理指南》,新版GMP强调“以科技控风险”,更允许封闭式生产在D级洁净室运行,为企业节省数亿元合规成本。


封闭式生产的洁净级别可从B级降至D级,直接降低建设成本70%。新法规(比如“开放人工同一区域不得同时生产不同品种的细胞产品,同一生产操作间不得同时生产相同品种的不同批次细胞产品等”)这一要求佐证了前面提到的人力资源困境和固定成本高居不下的根本原因。这些政策红利为全密闭连续生产线技术提供了换道超车的的发展机会。


联合有影响力的细胞公司、搭建眼见为实的全密闭连续性产线,应对行业和专业长期形成的“经验主义”;密闭式的连续数智产线在D级环境下实现细胞制剂的高质量、大规模的生产。全密闭的数智自动化生产方案,完全可以改变行业的成本结构,低成本地实现产品的高质量、大规模生产供给。


全自动细胞智造平台将设施建设周期缩短46.2%,面积从465㎡的B级环境下降至218㎡的D级环境,不仅是空间的集约,也是洁净级别的下降。更值得关注的是,该平台通过机器学习实现“合格细胞=有效细胞”,质控效率提升70%。


细胞制剂智造平台运行效率总体提升36%,其中自动取样提升效率40%,多批次并行处理,产能提升30%,智能排产提示功能设备和场地利用率达50%。


某企业部署细胞制剂智能制造平台后,效率提升52%,其中智能备料环节节省80%人力,全流程质控自动化减少70%时间。这些数据证明,数智化不仅是技术升级,更是成本与质量的革命。


更重要的是,通过数智技术的应用,推动了CGT生产的协同发展进化,从过去的人工操作、离散的自动化设备中的生产过程“数据孤岛”到数智化产线应用下的生产过程的“知识涌现,当CGT的研发生产过程从“材料提交”迈向“数据共享”,也就意味着CGT产业逻辑正在发生范式跃迁,工艺优化从制备工程师的“个体经验”正转向生产企业的“集体智慧”,推动离散的个人经验转化为企业的公共科学资产,弥补工艺知识鸿沟,达成了“细胞生物学复杂性”与“工程确定性”的融合。


CGT大规模生产的发展方向,密闭、自动、数智化。从系统论视角看,数智化产线的优势源于三大特性:


涌现性(Emergence):分散的工艺数据通过机器学习产生超越局部最优的全局策略。例如,矩阵式培养平台通过分析10万+批次数据,发现培养温度与培养基流速的非线性耦合效应,将细胞活率提升12%(p<0.05)。


鲁棒性(Robustness):数字孪生技术实现“预测-控制-验证”闭环。麻省理工学院团队证明,基于数字孪生的自适应控制可将批次间差异从±18%降至±5%(Nature Biotechnology, 2023)。


可扩展性(Scalability):模块化架构支持多产品共线生产。赛动智造的CellAuto Matrix™平台已实现免疫细胞与干细胞产品生产的柔性切换,设备利用率提升40%。

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