【实验技术成果】基于柔性设计的抗体药物生产制备综合实验技术的开发与应用
抗体药物是21世纪生物技术、生物医药领域的战略制高点。抗体药物的中试生产在学校受实验场地、多条件探索实验周期长等限制，一直无法展开综合实验教学。然而，建设基因工程抗体药物中试生产类虚拟仿真实验是一种有效打破时空限制的途径。因此，围绕虚拟仿真技术特点和实验目标定位，设计了5大模块108步操作的虚拟仿真实验内容还原了抗体药物中试生产全貌全过程。与此同时，我们还将构建的“虚”工业化中试生产与“实”实验室小试研究相结合，设计了综合实验项目。通过虚实结合、产教融合的实验技术项目，充分培养了学生的设计能力、创新能力和产业化生产管理能力。
本研究的主要内容如下：
1、柔性设计抗体药物中试生产虚拟仿真实验开阔学生产业化视野
（1）1:1还原抗体药物GMP生产工厂工艺全貌全过程。
利用虚拟仿真技术开发了GMP（Good Manufacturing Practice of Medical Products，GMP）中试生产虚拟工厂。学生可以第一视角身临其境漫游抗体药物GMP中试生产工厂（图1），了解整个中试生产车间全貌和工艺全过程。
图1 抗体药物GMP中试生产虚拟工厂漫游图
（2）实现GMP中试生产工厂布局的柔性设计
学生可自由设计工厂布局。系统自动生成GMP工厂平面设计图纸及整个工厂鸟瞰图（图2），实现了可以自由设计中试工厂布局的功能。
图2 GMP工厂车间设计全貌图
（3）实现GMP中试生产工艺过程的柔性设计
学生可自主进行实验方案设计，只有流程逻辑正确且所选参数恰当（图3），才可以进入后续的仿真操作。
图3抗体药物GMP生产各个生产阶段流程设计
（4）实现GMP中试生产过程3D虚拟仿真操作
项目构建了包含物料准备、培养准备、工程细胞培养与蛋白表、蛋白质的分离纯化、质量检测、制剂灌装等多个环节3D仿真操作（图4）。
A 细胞培养 B 发酵放大
C 分离提取 D 质量监测
F 药物制剂和罐装
图4 抗体药物GMP中试生产3D仿真操作练习界面
2.实验室级的柔性设计实操实验，学生可以进行多条件探索，给学生充分的容错试错空间，提升学生的综合实践能力。
设计开发了实验室级柱层析综合设计虚拟仿真实验（图5）及4个微视频（图6），学生可以自主选择柱子类型、填料类型、层析过程的流速、过程参数等。
图5 柱层析综合实验的柔性设计
图6微视频部署实验教学中心网站
3. 设计产教融合综合实验项目选题，从工厂到实验室两个维度训练学生的综合能力。
选题从实验室操作到工厂虚拟仿真一体化设计，让学生从工厂到实验室两个维度都得到充分训练 (图7)。
图7学生综合实验过程图片
综上，我们采用虚拟仿真技术、柔性设计技术及产教融合科教融合的理念，积极推动实验教学改革，将抗体药物生产制备的工厂设计、工艺流程设计、3D仿真操作及实操实验等一体化设计，构建了从实验室研究到工业化生产的综合实验项目，不断提高课程的高阶性、创新性、挑战度。
该成果获2024年华中科技大学第十三届实验技术成果一等奖。
作者单位:生命科学与技术学院
撰稿：白云
审核：卢群伟、刘亚丰
