隨著重組DNA技術(shù)的商業(yè)化，制藥行業(yè)已經(jīng)轉(zhuǎn)變?yōu)閺募?xì)菌發(fā)酵或哺乳動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)中生產(chǎn)蛋白質(zhì)藥物。這些生物藥的開發(fā)需要選擇一種基于安全性和有效性的優(yōu)化制劑配方，以確保藥物的可生產(chǎn)性，同時(shí)保持質(zhì)量和穩(wěn)定性。此外，制劑需要根據(jù)其預(yù)期的給藥途徑以及最終藥物產(chǎn)品的銷售進(jìn)行適當(dāng)設(shè)計(jì)，后者常與充滿競(jìng)爭(zhēng)性的市場(chǎng)環(huán)境相聯(lián)系，通過易用性更充分地滿足患者需求的產(chǎn)品將具有額外優(yōu)勢(shì)。將生物候選藥物開發(fā)成成功的藥物產(chǎn)品必須解決所有相關(guān)挑戰(zhàn)。在本文中，我們將重點(diǎn)關(guān)注在制劑的設(shè)計(jì)、開發(fā)和放大過程中需要解決的挑戰(zhàn)和問題，以便在生產(chǎn)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)一致且穩(wěn)健的產(chǎn)品性能。

生物制品的生產(chǎn)首先是在生物細(xì)胞系統(tǒng)中表達(dá)蛋白質(zhì)，然后需要通過層析等多種技術(shù)進(jìn)行回收和純化。一般，整個(gè)生物生產(chǎn)過程是在一系列稱為“單元操作”的步驟中執(zhí)行的。生物藥最后的純化步驟需要一種能夠有效地將產(chǎn)物成分置換至藥物底物原液制劑成分的技術(shù)。藥物底物再進(jìn)行額外的單元操作，以獲得最終的藥物產(chǎn)品。每個(gè)單元操作都可能使治療性蛋白質(zhì)受到各種應(yīng)力的影響。因此，這些工藝步驟的成功將高度依賴于制劑的適當(dāng)設(shè)計(jì)以及工藝和工藝設(shè)備的優(yōu)化。

從工藝流程鏈最后的層析純化步驟收獲后，需要一個(gè)單元操作將層析洗脫緩沖液的成分與選定的制劑成分置換。這可以使用體積排阻層析法或使用離子交換層析以結(jié)合/洗脫模式進(jìn)行。但層析可能導(dǎo)致蛋白質(zhì)的進(jìn)一步稀釋和大體積處理要求，且結(jié)合/洗脫離子交換層析法可能受到離子強(qiáng)度和洗脫緩沖液pH要求的限制，繼而需要額外的置換步驟。工業(yè)中用于緩沖液置換和濃縮的主要技術(shù)是一種稱為切向流過濾 (TFF) 的超濾/洗濾操作形式。在這項(xiàng)技術(shù)中，蛋白質(zhì)溶液在壓力下循環(huán)“切向”流過超濾膜。膜上保持著壓力差，允許水和小溶質(zhì)選擇性通過，但不允許大分子通過。該技術(shù)特別適用于低至中等濃度的蛋白質(zhì)藥物制劑。然而，由于開發(fā)和生產(chǎn)>100 mg/mL的高濃度制劑的需求的出現(xiàn)，使TFF系統(tǒng)的應(yīng)用遇到了新的挑戰(zhàn)，因?yàn)樗璧目缒ね靠赡軐?dǎo)致膜邊界處更高的濃度梯度。這取決于蛋白質(zhì)與表面相互作用以及解折疊的傾向，可能導(dǎo)致通量衰減，最終導(dǎo)致膜污染。此外，蛋白質(zhì)對(duì)工藝過程產(chǎn)生的氣-液界面很敏感，會(huì)發(fā)生變性，蛋白質(zhì)流經(jīng)管路的連續(xù)循環(huán)和泵的脈沖也會(huì)引起空化，導(dǎo)致蛋白質(zhì)解折疊和沉淀。因此，當(dāng)暴露于這些應(yīng)力條件時(shí)，能夠穩(wěn)定天然蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的緩沖液配方將會(huì)減輕這些問題。除了蛋白質(zhì)在TFF過程中遇到的應(yīng)力外，另一個(gè)潛在的限制是濃縮高粘度蛋白質(zhì)溶液的能力。特別是，高粘度可能導(dǎo)致高背壓，在TFF過程中超過泵的能力。此外，在蛋白質(zhì)濃縮過程中，隨著粘度的增加，擴(kuò)散系數(shù)隨之降低，可導(dǎo)致膜表面附近的蛋白質(zhì)濃度非常高，從而進(jìn)一步降低跨膜通量。較高的粘度使得從TFF單元中回收濃縮蛋白質(zhì)也非常困難，導(dǎo)致步驟收率降低，影響工藝的經(jīng)濟(jì)性。其中一些挑戰(zhàn)可以通過重新設(shè)計(jì)或修改TFF設(shè)備來克服。通過設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)闹苿┡浞絹斫档腿芤赫扯纫灿兄诮鉀Q此類生產(chǎn)工藝的一些限制。如在高濃度抗體中添加適當(dāng)?shù)馁x形劑有可能顯著降低粘度，因?yàn)檫@種抗體的高粘度是由可逆的蛋白質(zhì)自結(jié)合引起的，后者似乎是由高濃度下的靜電吸引相互作用所控制的。增加制劑的離子強(qiáng)度或添加特定化合物可以降低這些相互作用和粘度。在需要更大幅度降低粘度的情況下，可以通過在更高溫度下運(yùn)行該工藝來進(jìn)一步改進(jìn)TFF工藝。在較高的溫度下，粘度較低，在特定的跨膜壓力下，抗體可以獲得更高的膜通量。然而，在這種情況下，長時(shí)間暴露在較高的工藝溫度條件下可能會(huì)損害蛋白質(zhì)的穩(wěn)定性。因此，制劑設(shè)計(jì)變得至關(guān)重要，不僅要降低粘度，而且要控制高溫下的降解。這可能是一項(xiàng)非常具有挑戰(zhàn)性的工作，因?yàn)槲锢斫到夂突瘜W(xué)降解途徑可能有對(duì)溶液條件的依賴性非常不同。

制劑步驟之后，就需要存儲(chǔ)藥物底物原液，以便管理產(chǎn)品庫存，也就是說，生產(chǎn)活動(dòng)可能會(huì)產(chǎn)生大量的藥物底物原液，需要在一段時(shí)間內(nèi)存儲(chǔ)。通常也希望盡量減少生產(chǎn)活動(dòng)數(shù)量，因此需要提供一個(gè)強(qiáng)大的配方，以確保藥物底物的穩(wěn)定性，有時(shí)可能長達(dá)數(shù)年。冷凍藥物底物原液是一種具有明顯優(yōu)勢(shì)的策略，已在行業(yè)中廣泛使用。這需要過濾并將大量的原液分裝到儲(chǔ)存容器中，然后冷凍。在高蛋白質(zhì)濃度情況下，特別是在高粘度下，使用0.2 μm過濾器進(jìn)行過濾可能會(huì)更加困難，因此在這一步驟中，降低粘度的配方可能是有益的。由于水凍結(jié)以及制劑溶質(zhì)和蛋白質(zhì)的排除，大體積冷凍步驟會(huì)導(dǎo)致冷凍濃縮。如果在解凍過程中沒有混合溶液/冰混合物，則蛋白質(zhì)將暴露于濃度和熱梯度中。另外，由冰和蛋白質(zhì)組成的基質(zhì)的形成會(huì)導(dǎo)致冰表面附近蛋白質(zhì)構(gòu)象的改變，這是由于疏水鍵的減弱和蛋白質(zhì)在冰表面的吸附。蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的破壞可使通常在蛋白質(zhì)內(nèi)部的疏水性部分暴露，加上冷凍過程中蛋白質(zhì)濃度的增加，可導(dǎo)致蛋白質(zhì)聚集增加。因此，凍融容器的設(shè)計(jì)是非常重要的，以確保在解凍步驟中有效的傳熱和混合。盡管凍融系統(tǒng)的發(fā)展可以最大限度地減少解凍過程中梯度的形成，但在冷凍過程中蛋白質(zhì)仍然可能暴露在冰表面。因此，制劑賦形劑，如某些糖，可以起到冷凍保護(hù)劑的作用，幫助穩(wěn)定蛋白質(zhì)構(gòu)象，并且經(jīng)常被包括在內(nèi)。這類賦形劑的一個(gè)重要考慮因素是它們?cè)诶鋬鲞^程中不易結(jié)晶，一些容易結(jié)晶的糖可能導(dǎo)致相分離，從而不再能夠保護(hù)蛋白質(zhì)在冷凍過程中免受損害。已被證明作為冷凍保護(hù)劑有效的制劑成分包括海藻糖和蔗糖等雙糖。藥物底物冷凍原液儲(chǔ)存設(shè)計(jì)的另一個(gè)重要考慮因素是冰/水/溶質(zhì)冷凍基質(zhì)的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg'。在高于 Tg' 的溫度下儲(chǔ)存冷凍制劑會(huì)導(dǎo)致分子移動(dòng)性增加，從而導(dǎo)致降解增強(qiáng)，特別是蛋白質(zhì)聚體的形成。此外，基于不銹鋼合金 316L的傳統(tǒng)冷凍/儲(chǔ)存容器易受氯化物腐蝕。金屬腐蝕和金屬離子滲入蛋白質(zhì)制劑可導(dǎo)致金屬誘導(dǎo)的蛋白質(zhì)藥物氧化降解。因此，制劑開發(fā)可能需要篩選不會(huì)促進(jìn)金屬腐蝕的其它抗衡離子。這里，開發(fā)替代材料，尤其是用于凍融儲(chǔ)存系統(tǒng)的塑料一次性用品將很有吸引力。另一個(gè)考慮因素是開發(fā)更高濃度的藥物底物制劑，這些制劑可以冷凍，從而減少用于儲(chǔ)存的體積，繼而減少儲(chǔ)存容器用量。

藥物產(chǎn)品的生產(chǎn)挑戰(zhàn)將取決于所選的最終形式。對(duì)于液體產(chǎn)品，尤其是高濃度的液體產(chǎn)品，可能需要添加降低粘度的賦形劑，因?yàn)楫a(chǎn)品的粘度會(huì)影響灌裝前的除菌過濾以及灌裝設(shè)備的準(zhǔn)確性。特別是，高粘度液體可能導(dǎo)致藥物產(chǎn)品過濾時(shí)間過長，或?qū)е鹿嘌b針出現(xiàn)“懸滴”，從而導(dǎo)致藥物殘留到下一個(gè)藥瓶中。灌裝過程中產(chǎn)生氣-液界面和泵空化會(huì)導(dǎo)致蛋白質(zhì)變性，但可以通過在配方中添加表面活性劑等來緩解。但一些常用的表面活性劑容易降解，如聚山梨醇酯 20 和 80，這可能會(huì)影響蛋白質(zhì)藥物的穩(wěn)定性，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)特定氨基酸殘基的氧化是由于表面活性劑中的過氧化物而發(fā)生的。

治療性蛋白的生產(chǎn)需要多個(gè)單元操作，這些操作使蛋白質(zhì)受到不同的環(huán)境和壓力影響。條件和應(yīng)力的變化會(huì)導(dǎo)致蛋白質(zhì)藥物的物理和化學(xué)變化，從而影響安全性和有效性。此外，高粘度等物理性質(zhì)可能會(huì)使單元操作難以成功地實(shí)現(xiàn)其目標(biāo)?？梢酝ㄟ^重新設(shè)計(jì)工藝和設(shè)備來緩解這些問題?；蛘?，開發(fā)適當(dāng)?shù)闹苿┡浞娇梢栽谏a(chǎn)步驟中提供幫助，通過保護(hù)蛋白質(zhì)免受特定操作期間遇到的應(yīng)力或克服工藝限制?？偟膩碚f，制劑和儲(chǔ)存工藝的開發(fā)不僅在于最終產(chǎn)品的穩(wěn)定性和較長的保質(zhì)期，首要是通過從藥物底物到最終藥物產(chǎn)品的過程成功生產(chǎn)蛋白質(zhì)藥物。

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