本文描述了與生物藥物產(chǎn)品的凍干相關(guān)的挑戰(zhàn)。采用質(zhì)量源于設(shè)計(jì)（QbD）方法和SP Line of Sight?技術(shù)套件， 提供了一個(gè)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(shè)備、技術(shù)和PAT工具，可以簡(jiǎn)化凍干制劑從早期開(kāi)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(guò)驗(yàn)證的數(shù)據(jù)來(lái)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(rèn)為無(wú)法治愈的疾病。然而，由于生物材料的敏感性，它需要專門(mén)的開(kāi)發(fā)和制造工藝。凍干的穩(wěn)定性對(duì)保持產(chǎn)品的生物活性、結(jié)構(gòu)完整性和質(zhì)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(guān)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(zhì)或抗體，給藥需要不同于標(biāo)準(zhǔn)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(chǔ)存和運(yùn)輸過(guò)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(cè)的重要性不能低估，特別是當(dāng)工藝轉(zhuǎn)移到具有無(wú)菌環(huán)境的較大設(shè)備時(shí)，應(yīng)將測(cè)量產(chǎn)品溫度的解決方案視為開(kāi)發(fā)策略的一部分。

為了克服這些要求并延長(zhǎng)保質(zhì)期，冷凍干燥是相對(duì)較好的方式。凍干過(guò)程將產(chǎn)品的溫度降低到冰點(diǎn)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(jié)構(gòu)。ADCs的凍干可保/障在儲(chǔ)存和運(yùn)輸過(guò)程中連接“ payload”與antibody的 linker的穩(wěn)定性。凍干生物制劑可以快速?gòu)?fù)水，同時(shí)保持其生物活性。

冷凍干燥過(guò)程中的每一部分都對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量和完整性有很大的影響。隨著技術(shù)的進(jìn)步和更多工具的運(yùn)用，人們可以更好地理解如何測(cè)量和記錄影響最/終產(chǎn)品的參數(shù)，從而對(duì)產(chǎn)品本身有更多的了解。美國(guó)FDA和其他監(jiān)管機(jī)構(gòu)強(qiáng)烈建議采用質(zhì)量設(shè)計(jì)（QbD）方法，以確/保產(chǎn)品性能。FDA早在2011年1月發(fā)布的過(guò)程驗(yàn)證指南中指出：“企業(yè)需要繼續(xù)從獲得的知識(shí)中受益，并通過(guò)調(diào)整在整個(gè)過(guò)程生命周期中不斷改進(jìn)，使得生產(chǎn)問(wèn)題的根源迅速得到糾正”。這種從試錯(cuò)方法到基于科學(xué)的凍干過(guò)程方法的轉(zhuǎn)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(wù)于小目標(biāo)人群，這導(dǎo)致對(duì)開(kāi)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(zhì)量來(lái)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(jié)構(gòu)完整性到生物活性等幾個(gè)特性的整體質(zhì)量參數(shù)。注射用藥物在生產(chǎn)過(guò)程中也要求高度無(wú)菌。在無(wú)菌環(huán)境中，通過(guò)加強(qiáng)對(duì)冷凍干燥過(guò)程的控制，可以縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間，提高穩(wěn)定性和質(zhì)量。

圖1：質(zhì)量源于設(shè)計(jì)（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(duì)其有一個(gè)很好的理解。從一開(kāi)始就更好地開(kāi)發(fā)冷凍干燥工藝以實(shí)現(xiàn)較理想的的大規(guī)模商業(yè)化，并從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看降低經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。然而，即使有了這些知識(shí)，擴(kuò)大規(guī)模對(duì)生物藥物制造商來(lái)說(shuō)仍然是一個(gè)持續(xù)的挑戰(zhàn)。凍干設(shè)備的性能和操作在開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)規(guī)模之間可能存在差異，這導(dǎo)致在每個(gè)階段對(duì)凍干參數(shù)進(jìn)行耗時(shí)和昂貴的重新優(yōu)化，以實(shí)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(guò)程分析技術(shù)(PAT)改進(jìn)冷凍干燥工藝，以便能夠很好地定義關(guān)鍵工藝參數(shù)，并及時(shí)了解和監(jiān)測(cè)其對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的影響。要特別注意這些參數(shù)將創(chuàng)造一個(gè)優(yōu)化的設(shè)計(jì)/操作空間，從而降低成本。

3、理解設(shè)計(jì)空間

作為QbD方法的一部分，一種系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)方法從預(yù)定義的目標(biāo)開(kāi)始應(yīng)用，并強(qiáng)調(diào)對(duì)產(chǎn)品和過(guò)程的理解。這得到了科學(xué)知識(shí)和質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)管理的支持，以建立一個(gè)設(shè)計(jì)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(diǎn)，以定義維護(hù)批處理一致性所需的操作變量集。 在設(shè)計(jì)空間（操作空間）內(nèi)的操作將使產(chǎn)品達(dá)到預(yù)定義的質(zhì)量。

圖2：凍干工藝的設(shè)計(jì)空間

設(shè)計(jì)空間的簡(jiǎn)化描述——設(shè)備能力極限和產(chǎn)品知識(shí)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(rèn)識(shí)到生產(chǎn)放大的內(nèi)在挑戰(zhàn)和對(duì)改善生物藥物開(kāi)發(fā)和制造結(jié)果的愿望，ATS SP創(chuàng)建了Line of Sight (LoS)。

LoS是一套工具——技術(shù)和設(shè)備，可用于開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)的每個(gè)階段，以提高凍干過(guò)程控制、效率、質(zhì)量和一致性。

這套技術(shù)和PAT被內(nèi)置到小型冷凍干燥機(jī)中，通過(guò)大型商業(yè)化生產(chǎn)凍干機(jī)為研究和生產(chǎn)凍干專業(yè)人員提供了一種清晰的，由實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)支持的流程方法。這種方法還使得一種設(shè)備的技術(shù)和方法可以復(fù)制并直接與另一種設(shè)備進(jìn)行比較。

LoS的工具包括：

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

● LyoStar?4.0研發(fā)型冷凍干燥機(jī)：凍干工藝開(kāi)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(jī)：不僅可以進(jìn)行凍干工藝開(kāi)發(fā)，還可以提供無(wú)菌GMP操作。

所有這些凍干機(jī)都配備PAT工具，包括：

● ControLyo®技術(shù)用于晶核控制 ；

● SMART?技術(shù)用于加速初級(jí)干燥開(kāi)發(fā)和優(yōu)化；

● LyoFlux* TDLAS蒸汽質(zhì)量流量傳感器，非侵入式實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)關(guān)鍵產(chǎn)品和過(guò)程數(shù)據(jù)；

● 無(wú)線Tempris*傳感器用于產(chǎn)品溫度測(cè)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(fèi)（材料、能量、時(shí)間、金錢(qián)）的高質(zhì)量產(chǎn)品。創(chuàng)建設(shè)計(jì)空間的預(yù)定義的操作變量集決定了過(guò)程效率。擁有更大的設(shè)計(jì)空間，或要工作的參數(shù)，可以增加重復(fù)執(zhí)行成功工藝的概率，即使面對(duì)潛在的問(wèn)題，包括計(jì)劃外的過(guò)程偏差。LoS可以通過(guò)理解流程參數(shù)如何影響關(guān)鍵的產(chǎn)品屬性來(lái)擴(kuò)展特定目標(biāo)的設(shè)計(jì)空間。

6、一次干燥工藝優(yōu)化工具

SMART冷凍干燥技術(shù)

SMART冷凍干燥技術(shù)是一項(xiàng)PAT工具，使用壓力溫度測(cè)量(MTM)技術(shù)來(lái)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(bào)告關(guān)鍵工藝和產(chǎn)品參數(shù)時(shí)運(yùn)行自己的預(yù)定周期。SMART技術(shù)已被證明可以節(jié)省大量寶貴的開(kāi)發(fā)時(shí)間，并提供過(guò)程相關(guān)的關(guān)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(shù)公司的比較研究中，SMART技術(shù)被用于開(kāi)發(fā)對(duì)應(yīng)配方的優(yōu)化周期。所有三個(gè)實(shí)驗(yàn)室報(bào)告表明，他們?cè)诓坏饺齻€(gè)月的時(shí)間內(nèi)收回了投資，平均開(kāi)發(fā)時(shí)間縮短了62天。此外，科學(xué)家通常能夠在單次實(shí)驗(yàn)運(yùn)行后產(chǎn)生一個(gè)優(yōu)化的工藝，這樣就有時(shí)間進(jìn)行進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)來(lái)測(cè)試工藝極限。這些結(jié)果還意味著，一種配方可以比目前的時(shí)間框架提前幾個(gè)月進(jìn)入中試生產(chǎn)階段。

圖3：投資回報(bào)(ROI)示例：使用傳統(tǒng)方法VS Smart 技術(shù)開(kāi)發(fā)工藝

7、準(zhǔn)確測(cè)量蒸汽質(zhì)量流量

PAT工具——TDLAS

圖4：應(yīng)用于Lyostar 凍干機(jī)上的TDLAS技術(shù)

通過(guò)LoS技術(shù)套件中的另一個(gè)PAT工具（TDLAS）可以對(duì)凍干過(guò)程和放大進(jìn)行有效實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和測(cè)量。LyoFlux傳感器使用可調(diào)諧二極管激光吸收光譜(TDLAS)技術(shù)來(lái)測(cè)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(gè)實(shí)驗(yàn)中計(jì)算特定產(chǎn)品的工藝設(shè)計(jì)空間參數(shù)，而傳統(tǒng)上至少需要5次或6次運(yùn)行。使用LyoFlux技術(shù)，可以通過(guò)一次運(yùn)行獲得最/大升華速率來(lái)確定設(shè)備性能。一旦該設(shè)備的設(shè)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(guò)改變腔室壓力和監(jiān)測(cè)各自壓力設(shè)定點(diǎn)的升華速率，在一次測(cè)試中執(zhí)行多個(gè)實(shí)驗(yàn)。LyoFlux還可以確定在小瓶中冷凍干燥過(guò)程中的餅阻力。這簡(jiǎn)化了生產(chǎn)冷凍干燥機(jī)的使用，并盡可能大限度地減少了進(jìn)行多組實(shí)驗(yàn)所需的停機(jī)時(shí)間，從而獲得產(chǎn)品屬性和設(shè)備性能數(shù)據(jù)，以便進(jìn)一步分析設(shè)計(jì)空間。

8、對(duì)冰成核的精確控制

ControLyo技術(shù)

過(guò)冷程度是冷凍干燥放大的一大挑戰(zhàn)。溫度越低，過(guò)冷的程度就越高，導(dǎo)致冰晶變小。這會(huì)影響升華率和產(chǎn)品溫度分布，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)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(gè)隨機(jī)過(guò)程，凍干機(jī)內(nèi)的小瓶在不同時(shí)間隨機(jī)發(fā)生成核，產(chǎn)生異質(zhì)批次和藥品耐藥性的可變性。

ATS SP Scientific的ControLyo技術(shù)利用惰性氣體和一系列增壓和減壓步驟，實(shí)現(xiàn)在較高溫度下控制所有小瓶瞬時(shí)成核。這將極大限度地減少過(guò)冷，并產(chǎn)生盡可能大的冰晶。當(dāng)冰升華時(shí)，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(shí)間短，最/終產(chǎn)品更容易復(fù)水。研究表明，成核溫度每升高1℃，一次干燥時(shí)間減少3%。在某些情況下，ControLyo已被證明可以將周期時(shí)間從7.5縮短到5.5天，提高了生產(chǎn)率并提供了經(jīng)濟(jì)效益。

圖5：ControLyo技術(shù)精確控制冰成核

許多新型生物藥物的配方復(fù)雜，蛋白質(zhì)含量高，灌裝量大，在冷凍干燥時(shí)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(kuò)大設(shè)計(jì)空間。ControLyo的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，它可以安裝或改裝到任何冷凍干燥機(jī)上。

9、只需7個(gè)小瓶—加速凍干工藝開(kāi)發(fā)

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

Lyoccapsule只需7個(gè)小瓶，使用的材料更少，資源和準(zhǔn)備時(shí)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(yuǎn)比在大型冷凍干燥機(jī)中更好。大一點(diǎn)規(guī)模的研發(fā)型及中試放大型凍干機(jī)，如LyoStar 4.0或 LyoConstellation，有助于進(jìn)一步的工藝開(kāi)發(fā)、優(yōu)化、實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的穩(wěn)定性研究和放大。LyoConstellation凍干機(jī)的范圍可以進(jìn)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(jī)

10、從早期開(kāi)發(fā)到商業(yè)化的平穩(wěn)過(guò)渡

無(wú)論是在早期開(kāi)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(zhì)量產(chǎn)品的關(guān)鍵參數(shù)都是相同的。然而，由于每個(gè)階段設(shè)備之間的差異，從一個(gè)階段轉(zhuǎn)移到另一個(gè)階段通常需要反復(fù)優(yōu)化。

LoS技術(shù)套件由產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的每個(gè)階段（Lyoccapsule, LyoStar 3, LyoConstellation)的凍干機(jī)組成，旨在通過(guò)在每個(gè)凍干機(jī)中提供經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的技術(shù)(SMART, LyoFlux TDLAS, Tempris和ControLyo)的連續(xù)性來(lái)盡可能大限度地減少這些差異。這種方法為方法論提供了更大的信心，并在每個(gè)階段對(duì)結(jié)果進(jìn)行了有意義的比較。

一些生物技術(shù)和制藥公司已經(jīng)認(rèn)識(shí)到LoS對(duì)放大產(chǎn)品凍干過(guò)程的重要性。一家生物技術(shù)公司的一位科學(xué)家曾報(bào)告說(shuō)：“Lyoccapsule可以用更少的API測(cè)試更多的條件，從而限制了財(cái)務(wù)風(fēng)險(xiǎn)。在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的放大過(guò)程中使用相同的技術(shù)可以提供對(duì)產(chǎn)品更全面的理解，并且比傳統(tǒng)的試錯(cuò)方法增加了成功的可能性。

11、結(jié)論

人類生長(zhǎng)激素、胰島素和紅細(xì)胞刺激劑等生物制劑的開(kāi)發(fā)，為新的治療方式和生物療法開(kāi)辟了道路，這些藥物可以用于對(duì)抗許多以前無(wú)法治愈的疾病。隨著臨床階段的評(píng)估，許多分子的市場(chǎng)規(guī)模呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。由于其復(fù)雜性和特點(diǎn)，生物制品的開(kāi)發(fā)、制造和分銷面臨著許多挑戰(zhàn)。通過(guò)凍干來(lái)穩(wěn)定藥物被認(rèn)為是保持藥物產(chǎn)品的生物活性、結(jié)構(gòu)完整性和均一性的理想方法。

SP Line of Sight?

在明確的設(shè)計(jì)空間內(nèi)開(kāi)發(fā)和制造的QbD方法被認(rèn)為是理想的實(shí)踐之一，任何監(jiān)管機(jī)構(gòu)都期望采用。從對(duì)產(chǎn)品和條件的準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)到整個(gè)冷凍干燥過(guò)程，ATS SP Line of Sight?工具套件支持QbD，以改進(jìn)開(kāi)發(fā)過(guò)程并保/障生產(chǎn)的成功。LoS的設(shè)備設(shè)計(jì)和整合技術(shù)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(zhì)量。

圖5：SP Line of Sight （LoS)

此外，該行業(yè)對(duì)凍干工藝的關(guān)鍵工藝參數(shù)和產(chǎn)品質(zhì)量的非侵入式測(cè)量越來(lái)越感興趣。這是由自動(dòng)化的興起推動(dòng)的，因?yàn)?/span> FDA要求將人員從流程中移除，以保護(hù)產(chǎn)品免受操作人員的傷害，以及開(kāi)發(fā)高效配方以保護(hù)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(shù)使凍干條件在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的早期階段得到優(yōu)化，提供產(chǎn)品知識(shí)，然后順利轉(zhuǎn)移到臨床和生產(chǎn)階段，而無(wú)需在每個(gè)階段進(jìn)行昂貴的重新優(yōu)化。通過(guò)靈敏和無(wú)菌的監(jiān)測(cè)裝置和已建立的技術(shù)，可以準(zhǔn)確、非侵入式地測(cè)量關(guān)鍵的凍干產(chǎn)品參數(shù)，提供一個(gè)豐富的數(shù)據(jù)環(huán)境。

這里的證據(jù)證明了優(yōu)質(zhì)生物藥品生產(chǎn)設(shè)施所能獲得的價(jià)值。通過(guò)投資ATS SP全套放大化技術(shù)，產(chǎn)品可以更有效地通過(guò)不同的開(kāi)發(fā)階段走向商業(yè)化。這些技術(shù)為持續(xù)理解受過(guò)程變量影響的質(zhì)量屬性提供了相同水平的產(chǎn)品和過(guò)程知識(shí)。這些努力簡(jiǎn)化了開(kāi)發(fā)過(guò)程并建立了一致的產(chǎn)品質(zhì)量，以降低長(zhǎng)期經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)并支持更佳患者治療效果。

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