本文描述了與生物藥物產(chǎn)品的凍干相關的挑戰(zhàn)。采用質量源于設計（QbD）方法和SP Line of Sight™技術套件， 提供了一個豐富的數(shù)據(jù)環(huán)境，其中許多挑戰(zhàn)可以被克服。Line of Sight™包含全套的設備、技術和PAT工具，可以簡化凍干制劑從早期開發(fā)到生產(chǎn)放大，加速商業(yè)化生產(chǎn)。從事于生物制劑的公司需要靠得住的流程和經(jīng)過驗證的數(shù)據(jù)來交付成功的產(chǎn)品。

生物藥物在治療許多改變生活的疾病方面顯示出了巨大的前景，甚至包括一些曾經(jīng)被認為無法治愈的疾病。然而，由于生物材料的敏感性，它需要專門的開發(fā)和制造工藝。凍干的穩(wěn)定性對保持產(chǎn)品的生物活性、結構完整性和質量均一性是非常有吸引力的，而所有這些都是產(chǎn)品成功的關鍵。

1、背景介紹

臨床管線中50%的藥物由生物制劑組成。大的生物分子，通常是蛋白質或抗體，給藥需要不同于標準固體或半固體藥物制劑的制造能力。生物藥物和抗體-偶聯(lián)藥物(ADCs)不僅生產(chǎn)成本很高，而且有些還不如其他制劑或分子穩(wěn)定。在儲存和運輸過程中保存它們的活性也是非常困難的。此外，產(chǎn)品溫度監(jiān)測的重要性不能低估，特別是當工藝轉移到具有無菌環(huán)境的較大設備時，應將測量產(chǎn)品溫度的解決方案視為開發(fā)策略的一部分。

為了克服這些要求并延長保質期，冷凍干燥是相對較好的方式。凍干過程將產(chǎn)品的溫度降低到冰點以下，然后使用受控真空升華除去水或其他溶劑。至少41%的生物藥品和幾乎所有ADCs都是冷凍干燥的，以保持其物理結構。ADCs的凍干可保障在儲存和運輸過程中連接“ payload”與antibody的 linker的穩(wěn)定性。凍干生物制劑可以快速復水，同時保持其生物活性。

冷凍干燥過程中的每一部分都對產(chǎn)品的質量和完整性有很大的影響。隨著技術的進步和更多工具的運用，人們可以更好地理解如何測量和記錄影響最終產(chǎn)品的參數(shù)，從而對產(chǎn)品本身有更多的了解。美國FDA和其他監(jiān)管機構強烈建議采用質量設計（QbD）方法，以確保產(chǎn)品性能。FDA早在2011年1月發(fā)布的過程驗證指南中指出：“企業(yè)需要繼續(xù)從獲得的知識中受益，并通過調整在整個過程生命周期中不斷改進，使得生產(chǎn)問題的根源迅速得到糾正”。這種從試錯方法到基于科學的凍干過程方法的轉變，為這些生物藥物的體內(nèi)產(chǎn)品性能提供了信心。

2、QbD方法—優(yōu)化凍干生物制劑

生物藥物數(shù)量的增加往往服務于小目標人群，這導致對開發(fā)人員和制造商的更大要求，以提高產(chǎn)量和更好的產(chǎn)品質量來提高效率。批次內(nèi)部和批次之間的一致性是基于從物理外觀和結構完整性到生物活性等幾個特性的整體質量參數(shù)。注射用藥物在生產(chǎn)過程中也要求高度無菌。在無菌環(huán)境中，通過加強對冷凍干燥過程的控制，可以縮短開發(fā)時間，提高穩(wěn)定性和質量。

圖1：質量源于設計（QbD）方法

要解決這些挑戰(zhàn)，首先要在產(chǎn)品生命周期的早期對其有一個很好的理解。從一開始就更好地開發(fā)冷凍干燥工藝以實現(xiàn)較理想的的大規(guī)模商業(yè)化，并從長遠來看降低經(jīng)濟負擔。然而，即使有了這些知識，擴大規(guī)模對生物藥物制造商來說仍然是一個持續(xù)的挑戰(zhàn)。凍干設備的性能和操作在開發(fā)和生產(chǎn)規(guī)模之間可能存在差異，這導致在每個階段對凍干參數(shù)進行耗時和昂貴的重新優(yōu)化，以實現(xiàn)產(chǎn)品的成功凍干。

藥品生產(chǎn)QbD方法的一部分是利用過程分析技術(PAT)改進冷凍干燥工藝，以便能夠很好地定義關鍵工藝參數(shù)，并及時了解和監(jiān)測其對產(chǎn)品質量的影響。要特別注意這些參數(shù)將創(chuàng)造一個優(yōu)化的設計操作空間，從而降低成本。

3、理解設計空間

作為QbD方法的一部分，一種系統(tǒng)的開發(fā)方法從預定義的目標開始應用，并強調對產(chǎn)品和過程的理解。這得到了科學知識和質量風險管理的支持，以建立一個設計空間和已定義的操作變量集，以保持批處理的一致性（圖2）。這些參數(shù)以圖形方式表示為多維點，以定義維護批處理一致性所需的操作變量集。 在設計空間（操作空間）內(nèi)的操作將使產(chǎn)品達到預定義的質量。

圖2：凍干工藝的設計空間

設計空間的簡化描述——設備能力極限和產(chǎn)品知識的多維表示

4、一套工具—用于生物制藥凍干生產(chǎn)放大

Line of Sight™

認識到生產(chǎn)放大的內(nèi)在挑戰(zhàn)和對改善生物藥物開發(fā)和制造結果的愿望，ATS SP創(chuàng)建了Line of Sight (LoS)。

LoS是一套工具——技術和設備，可用于開發(fā)和生產(chǎn)的每個階段，以提高凍干過程控制、效率、質量和一致性。

這套技術和PAT被內(nèi)置到小型冷凍干燥機中，通過大型商業(yè)化生產(chǎn)凍干機為研究和生產(chǎn)凍干專業(yè)人員提供了一種清晰的，由實時數(shù)據(jù)支持的流程方法。這種方法還使得一種設備的技術和方法可以復制并直接與另一種設備進行比較。

LoS的工具包括：

● Lyoccapsule™微型冷凍干燥機：7瓶開發(fā)-適用于昂貴的藥物和早期配方或工藝開發(fā)；

● LyoStar™4.0研發(fā)型冷凍干燥機：凍干工藝開發(fā)和優(yōu)化的“主力”及”優(yōu)選工具“；

● LyoConstellation™系列大型冷凍干燥機：不僅可以進行凍干工藝開發(fā)，還可以提供無菌GMP操作。

所有這些凍干機都配備PAT工具，包括：

● ControLyo®技術用于晶核控制 ；

● SMART™技術用于加速初級干燥開發(fā)和優(yōu)化；

● LyoFlux* TDLAS蒸汽質量流量傳感器，非侵入式實時監(jiān)測關鍵產(chǎn)品和過程數(shù)據(jù)；

● 無線Tempris*傳感器用于產(chǎn)品溫度測量；

5、提高凍干工藝效率

凍干效率依賴于獲得具有較少浪費（材料、能量、時間、金錢）的高質量產(chǎn)品。創(chuàng)建設計空間的預定義的操作變量集決定了過程效率。擁有更大的設計空間，或要工作的參數(shù)，可以增加重復執(zhí)行成功工藝的概率，即使面對潛在的問題，包括計劃外的過程偏差。LoS可以通過理解流程參數(shù)如何影響關鍵的產(chǎn)品屬性來擴展特定目標的設計空間。

6、一次干燥工藝優(yōu)化工具

SMART冷凍干燥技術

SMART冷凍干燥技術是一項PAT工具，使用壓力溫度測量(MTM)技術來確定凍干餅的阻力和升華界面的產(chǎn)品溫度。隨著AutoMTM允許研究人員在報告關鍵工藝和產(chǎn)品參數(shù)時運行自己的預定周期。SMART技術已被證明可以節(jié)省大量寶貴的開發(fā)時間，并提供過程相關的關鍵產(chǎn)品數(shù)據(jù)。

在與一家大型制藥公司和兩家生物技術公司的比較研究中，SMART技術被用于開發(fā)對應配方的優(yōu)化周期。所有三個實驗室報告表明，他們在不到三個月的時間內(nèi)收回了投資，平均開發(fā)時間縮短了62天。此外，科學家通常能夠在單次實驗運行后產(chǎn)生一個優(yōu)化的工藝，這樣就有時間進行進一步的實驗來測試工藝極限。這些結果還意味著，一種配方可以比目前的時間框架提前幾個月進入中試生產(chǎn)階段。

圖3：投資回報(ROI)示例：使用傳統(tǒng)方法VS Smart 技術開發(fā)工藝

7、準確測量蒸汽質量流量

PAT工具——TDLAS

圖4：應用于Lyostar 凍干機上的TDLAS技術

通過LoS技術套件中的另一個PAT工具（TDLAS）可以對凍干過程和放大進行有效實時監(jiān)測和測量。LyoFlux傳感器使用可調諧二極管激光吸收光譜(TDLAS)技術來測量水蒸氣濃度和流速，由此可以得出特定配方的升華界面溫度。LyoFlux可以在短短三個實驗中計算特定產(chǎn)品的工藝設計空間參數(shù)，而傳統(tǒng)上至少需要5次或6次運行。使用LyoFlux技術，可以通過一次運行獲得最大升華速率來確定設備性能。一旦該設備的設備能力建立，可以確定用于產(chǎn)品的小瓶的傳熱系數(shù)Kv。同樣，LyoFlux可以通過改變腔室壓力和監(jiān)測各自壓力設定點的升華速率，在一次測試中執(zhí)行多個實驗。LyoFlux還可以確定在小瓶中冷凍干燥過程中的餅阻力。這簡化了生產(chǎn)冷凍干燥機的使用，并盡可能大限度地減少了進行多組實驗所需的停機時間，從而獲得產(chǎn)品屬性和設備性能數(shù)據(jù)，以便進一步分析設計空間。

8、對冰成核的精確控制

ControLyo技術

過冷程度是冷凍干燥放大的一大挑戰(zhàn)。溫度越低，過冷的程度就越高，導致冰晶變小。這會影響升華率和產(chǎn)品溫度分布，導致實驗室生成周期和商業(yè)制造生成周期之間的性能差異。冷凍是一個隨機過程，凍干機內(nèi)的小瓶在不同時間隨機發(fā)生成核，產(chǎn)生異質批次和藥品耐藥性的可變性。

ATS SP Scientific的ControLyo技術利用惰性氣體和一系列增壓和減壓步驟，實現(xiàn)在較高溫度下控制所有小瓶瞬時成核。這將極大限度地減少過冷，并產(chǎn)生盡可能大的冰晶。當冰升華時，大晶體產(chǎn)生更大的空腔，使內(nèi)部區(qū)域后續(xù)干燥的阻力更小，潛在干燥時間短，最終產(chǎn)品更容易復水。研究表明，成核溫度每升高1℃，一次干燥時間減少3%。在某些情況下，ControLyo已被證明可以將周期時間從7.5縮短到5.5天，提高了生產(chǎn)率并提供了經(jīng)濟效益。

圖5：ControLyo技術精確控制冰成核

許多新型生物藥物的配方復雜，蛋白質含量高，灌裝量大，在冷凍干燥時面臨著很大的挑戰(zhàn)。使用ControLyo可以確保較低的產(chǎn)品阻力，并提高批內(nèi)與批間產(chǎn)品的均一性。因此，能為產(chǎn)品提供更積極的周期，擴大設計空間。ControLyo的另一個優(yōu)點是，它可以安裝或改裝到任何冷凍干燥機上。

9、只需7個小瓶—加速凍干工藝開發(fā)

由于生物制劑的活性藥物成分（API）價格昂貴，可用于冷凍干燥開發(fā)和優(yōu)化的數(shù)量有限。LoS技術套件內(nèi)的冷凍干燥機包括一個微型凍干機Lyoccapsule（圖6），配備了創(chuàng)新的PAT工具和技術，且與SP其它更大規(guī)模的凍干機保持一致性。

Lyoccapsule只需7個小瓶，使用的材料更少，資源和準備時間也更少。這使得篩選更多的配方和優(yōu)化干燥條件成為可能，遠比在大型冷凍干燥機中更好。大一點規(guī)模的研發(fā)型及中試放大型凍干機，如LyoStar 4.0或 LyoConstellation，有助于進一步的工藝開發(fā)、優(yōu)化、實驗室規(guī)模的穩(wěn)定性研究和放大。LyoConstellation凍干機的范圍可以進一步用于從幾百到幾千瓶的批次的全面商業(yè)化生產(chǎn)。

圖6：LyoCapsule: 7瓶微型研發(fā)型凍干機

10、從早期開發(fā)到商業(yè)化的平穩(wěn)過渡

無論是在早期開發(fā)階段、臨床階段、中試批次還是商業(yè)化生產(chǎn)階段，有效生產(chǎn)高質量產(chǎn)品的關鍵參數(shù)都是相同的。然而，由于每個階段設備之間的差異，從一個階段轉移到另一個階段通常需要反復優(yōu)化。

LoS技術套件由產(chǎn)品開發(fā)的每個階段（Lyoccapsule, LyoStar 3, LyoConstellation)的凍干機組成，旨在通過在每個凍干機中提供經(jīng)過驗證的技術(SMART, LyoFlux TDLAS, Tempris和ControLyo)的連續(xù)性來盡可能大限度地減少這些差異。這種方法在每個階段對結果進行了有意義的比較。

一些生物技術和制藥公司已經(jīng)認識到LoS對放大產(chǎn)品凍干過程的重要性。一家生物技術公司的一位科學家曾報告說：“Lyoccapsule可以用更少的API測試更多的條件，從而限制了財務風險。在產(chǎn)品開發(fā)的放大過程中使用相同的技術可以提供對產(chǎn)品更全面的理解，并且比傳統(tǒng)的試錯方法增加了成功的可能性。

11、結論

人類生長激素、胰島素和紅細胞刺激劑等生物制劑的開發(fā)，為新的治療方式和生物療法開辟了道路，這些藥物可以用于對抗許多以前無法治愈的疾病。隨著臨床階段的評估，許多分子的市場規(guī)模呈指數(shù)級增長。由于其復雜性和特點，生物制品的開發(fā)、制造和分銷面臨著許多挑戰(zhàn)。通過凍干來穩(wěn)定藥物被認為是保持藥物產(chǎn)品的生物活性、結構完整性和均一性的理想方法。

SP Line of Sight™

在明確的設計空間內(nèi)開發(fā)和制造的QbD方法被認為是理想的實踐之一，任何監(jiān)管機構都期望采用。從對產(chǎn)品和條件的準確監(jiān)測到整個冷凍干燥過程，ATS SP Line of Sight™工具套件支持QbD，以改進開發(fā)過程并保障生產(chǎn)的成功。LoS的設備設計和整合技術增加了操作空間的靈活性，提高了批量一致性，產(chǎn)量和產(chǎn)品質量。

圖5：SP Line of Sight （LoS)

此外，該行業(yè)對凍干工藝的關鍵工藝參數(shù)和產(chǎn)品質量的非侵入式測量越來越感興趣。這是由自動化的興起推動的，因為 FDA要求將人員從流程中移除，以保護產(chǎn)品免受操作人員的傷害，以及開發(fā)高效配方以保護操作人員免受產(chǎn)品的影響。

LoS的一系列冷凍干燥器和創(chuàng)新技術使凍干條件在產(chǎn)品開發(fā)的早期階段得到優(yōu)化，提供產(chǎn)品知識，然后順利轉移到臨床和生產(chǎn)階段，而無需在每個階段進行昂貴的重新優(yōu)化。通過靈敏和無菌的監(jiān)測裝置和已建立的技術，可以準確、非侵入式地測量關鍵的凍干產(chǎn)品參數(shù)，提供一個豐富的數(shù)據(jù)環(huán)境。

這里的證據(jù)證明了優(yōu)質生物藥品生產(chǎn)設施所能獲得的價值。通過投資ATS SP全套放大化技術，產(chǎn)品可以更有效地通過不同的開發(fā)階段走向商業(yè)化。這些技術為持續(xù)理解受過程變量影響的質量屬性提供了相同水平的產(chǎn)品和過程知識。這些努力簡化了開發(fā)過程并建立了一致的產(chǎn)品質量，以降低長期經(jīng)濟負擔并支持更佳患者治療效果。

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