实验设计（DOE）是对实验进行组织、计划、执行和统计分析的价值的方法之一。虽然可以通 过在单一生物反应器内重复实验获得DoE 结果，但设计开发并行实验的微型生物反应器系统（如 ambr15 或ambr250 系统）为完成 DoE 提供了更优异经济的条件。由于工艺开发过程中涉及到众多互相关联的参数，如细胞系的建立，培养基筛选以及反应器操作参数的优化等，DoE 逐渐成为获得工艺知识重要且可或缺的方法。DoE 仅提高了工艺开发效率，还被用于协助确定高品质产品的生产工艺。

　　实验设计：有效策略

　　在生物制药工艺中，缩短开发时间和 降低生产成本是关键的目标。在此背景下，工艺分析技术（PAT）工具与灵活可靠的生物工艺开发设备的联合应用便成了有效优化现有生产工艺和开发新工艺的基础。FDA鼓励使用PAT来更好地理解和控制生产过程，基于统计的DoE方法则被广泛应用于优化条件，用zui少时间和实验量获得*工艺条件的过程中（1）。

　　DoE概念即根据一系列计划好的实验同步改变工艺参数，然后通过一个已验证的数学模型来说明结果。该模型后续可用于解释、预测和优化，还可助于更好地理解工艺。对比每次改变一个因素的单因素实验，DoE方案可以用zui少的实验量获得*化得结果，因此可以缩短开发时间，减少人工投入。

　　基础培养基和流加培养基组份的 优化对形成*的重组细胞系生长及合成活性药物蛋白环境至关重要（2）。另一个影响工艺开发的关键目标是优化基本工艺参数，如温度、pH和溶氧（3）。通常，培养基和工艺参数的优化是密切相关的，DoE正好胜任此类任务（1）。

　　从培养基和补料开发转移至工艺优化

　　除去特定细胞系的产率，培养基对药物蛋白和单克隆抗体的产量和效价有着重要影响。细胞需要大量和微量营养糖组合，如糖，无机盐，维生素，氨基酸和其它支持细胞生长和蛋白生产的成份等。由于每一种细胞都具有*的营养需求，以及培养基成分复杂，采用具有高通量平行实验能力的微型反应器系统成为打破工艺开发瓶颈的有力手段。

　　以往基础和补料培养基配方的确定是通过逐次改变因素的大量经验性试验摸索获得的（4）。这种方法虽然简单便捷，但是它忽略了成份之间的相互作用，可能无法获得*配方，而且相当费时。应对的*策略就是采用高通量微型反应器结合 DoE 设计方法来缩短培养基开发时间。

　　除了改进培养基组份，补料控制策略的优化对流加工艺也是有利的。实际方法取决于生物反应器系统本身和细胞系。而一个经典的持续补料的 流加策略已被证明可成功应用于大肠杆菌和巴斯德毕赤酵母的培养。出于控制简单和可放大的考虑，哺乳动物细胞培养采用阶梯式推进补料方法是行业内zui普遍的做法（5, 6）。

　　拥有 12 或 24 个一次性搅拌反应器的新 ambr250 工作站（TAP Biosystems公司，赛多利斯子公司之一），是一种有效的应用于微生物发酵或细胞培养早期工艺开发高通量比例缩小模型。该系统所具备的能力包括连续实时监视和控制关键参数，增加的补料取样选项，使得它比传统小试和中试反应器相比，具有等效但更高 效的工艺放大效果（7–9）。

　　自动化工作站的特点是具有一个集成液体处理器，它可以移除一次性容器的盖子，用于初始培养基的装载、接种、取样和补料流加。培养或补料培养基可以通过移液模块转移预配方培养基，或者可根据导入的实验设计数据系统自动配制不同成份的培养基。除了单次流加（10 μL 至 10 mL） 方式，内置泵还允许线性或指数性地连续进料，范围从 20 nL/h 到20 mL/h。

　　一旦zui主要的培养基成份和它们的*范围被确定，则工艺可以被转移至一个较大的小试规模系统中进行验证可放大性，并继续进行优化操作 参数和工艺条件。

　　Biostat® B-DCU II 台式生物反应器（Sartorius Stedim Biotech）是一种专门设计用于六个玻璃反应器或一次性 反应器并行实验的小试系统。它在行业中被广泛用于工艺优化和验证（10）。每个反应器都有独立的控制参数和自动测量功能。系统经预先配置，可立即使用，并且它们可以用于微生物发酵或细胞培养。

　　结论

　　高通量细胞培养的缩小生物反应器系统，如 ambr15 和 ambe250 系统，可提高筛选的效率与有效性，以及工艺开发和工艺表征的实践。它们提供 的优势在于以较小的培养体积同时进行大量实验的操作。与此同时，小规模的一次性搅拌釜容器能够提供与大规模生物反应器具有优异可比性的培养环境和生物反应器性能（7–9）。摒弃试错优化的传统方式，采用先进的DoE 方法，实现快速、有效的地鉴定关键工艺参数，促使成本的显著降低与开发时间的大量缩减。