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純化工藝放大的風險及控制策略

發布時間：2024-6-14

　　在上市之前，生物制品的工藝開發可以分為三個階段，分別為臨床前階段、一二期臨床階段、三期臨床及商業化生產階段。通常三個階段的規模并不相同，因此在兩次工藝轉移時往往伴隨著工藝的放大。

圖1 生物制品工藝開發階段

　　作為下游純化的主要工藝，切向流過濾及層析已有成熟的放大策略，可以降低放大過程中工藝本身的風險。除此之外，物料及設備同樣會對工藝放大過程產生影響，在引入時即要秉持以終為始的理念，面向生產需求進行選擇。

物料的風險控制

　　???選擇生產級別的物料

　　• 物料的級別要符合生產的級別，人用藥物生產盡量選擇GMP級別物料

　　• 物料的供應需要滿足生產的要求。供應商應有足夠產能，并可保證生產的持續性，滿足最終生產規模的需要。

　　• 物料的供應鏈貨期可以滿足工藝開發的時間線，防止因物料延誤產品上市。

　　???避免物料的污染

　　• 盡量采用非動物來源的物料，應檢查產品的TSE和BSE證明。

　　• 相應等級物料應具備無菌、內毒素限度、菌落限度證明。

　　???選擇與產品/中間品等相容的物料

　　• 需檢查與產品/中間品接觸物料的溶析出、化學耐受性以及無相關酶類證明。

　　???選擇可放大的物料

　　• 工藝開發中所選擇的濾器、膜包、中空纖維等耗材，應有適合生產規模的型號。層析填料應有足夠的機械性能，可以支持大規模裝柱。

工藝的風險控制

　　工藝選擇

　　在一些樣品珍貴的產品(如mRNA)工藝開發過程中，臨床前研究時為節省樣品，實驗室規模通常較小，工藝中會采用試劑盒等方式。因此在首次放大時，需要選擇適合的替代工藝，通常生產規模會有多種可選的技術，最佳工藝選擇一般由最終生產規模決定。

　　工藝放大策略

　　線性放大是目前純化工藝包括死端過濾、切向流過濾和層析放大采用最多的策略。

　　切向流線性放大中需要保持流路長度和流路內流體動力學情況的一致。前者要求實驗室規模工藝開發時，即選用流路長度與放大規模使用的膜包或中空纖維型號一致的小型濾器。處理粘度較高的樣品時流體動力學情況會發生變化，導致放大后超濾行為的不可預測，因此工藝中采用的濃縮因子盡量避免超過50，滲濾體積盡量低于14倍。

　　層析線性放大時保持柱床高度不變，擴展層析柱的直徑。當柱直徑超過30cm后會導致柱壁對填料的支撐降低，高流速運行下柱床更容易塌陷。除選用有放大案例的填料外，小試規模確定流速等工藝參數時，應參考填料的壓力流速曲線性質。

　　需要注意壓力流速曲線通常使用水或簡單緩沖溶液測定，如果層析步驟的某階段液體粘度較大(如結合洗脫模式蛋白洗脫階段、CIP堿清洗階段、以及復雜樣品上樣階段等)，應進一步降速運行。

圖2 百林科Chromstar® 6FF及
MaXtar® ARPA壓力流速曲線

　　線性放大的缺點之一，是層析柱的直徑并非連續，在某些案例中保持柱床高度會導致柱體積明顯超過實際需要的填料數量，從而造成浪費。在親和、不依賴柱效的離子交換和疏水層析中，可以采用恒定保留時間的放大策略，該策略下柱床高度會發生變化，柱床高度高于小規模時尤其需要注意層析柱超壓和柱床塌陷的情況。

　　層析柱裝填

　　層析柱裝填方法應當穩健可靠，確保柱效測定結果滿足工藝需求。通常用不對稱因子衡量填料壓縮是否合理，對稱因子可接受范圍應在0.8~1.8內，并滿足分離的要求。裝柱過緊可能會使柱床破裂，產生溝流并導致樣本過早流穿。過松的柱床可能在使用中被再次壓縮，產生液體間隔并在其中發生混合，降低分離效果。對依賴塔板數進行分離的層析過程，如分子篩、切峰收集的離子交換等，理論塔板數也應滿足工藝要求。

　　其他

　　需要確認樣品在室溫的穩定性；使用pH值不受溫度影響的緩沖液；確認更大規模時層析填料保存方式等

設備

　　工藝放大后所使用的設備與小規模使用的設備即使采用同一原理和設計，往往也存在一些差異。

　　供應商應保證設備滿足衛生設計的要求，保證設備不銹鋼部件的拋光、焊接質量、接觸物料部位的表面處理等，防止規模放大后可能的清潔死角和銹蝕污染。需要在放大后規模上檢查清潔方法的適用性。

圖3 百林科金屬加工工藝

　　在此基礎上，設備的一些細節也會對工藝產生的影響。比如：放大后層析系統紫外檢測流通池的光徑是否有變化；出口管路不同的長度和直徑可能會導致系統中更顯著的稀釋和擴散；系統控制閥門響應速度導致的時間延遲，疊加更大的系統死體積可能導致峰收集起點和終點的錯誤；層析柱分配器的液流分布可能影響分離效果等放大規模的層析系統選型，主要的考慮是滿足工藝步驟中的流速需求，一般來說工藝流速會在設備最大流速的中值附近。這與選擇實驗室層析系統的考量不盡相同，實驗室層析設備為覆蓋不同工藝情況，流速范圍往往較寬。

圖4 百林科實驗室層析系統及層析空柱

　　實驗室裝柱可以采用軸向壓縮法或高流速法，高流速法裝柱所需要的線流速，放大后往往超出工藝運行最適配層析系統的上限。由于層析柱耐壓隨直徑降低，高流速恒壓法裝柱放大也存在硬件的限制。為裝柱選擇更大規模的層析系統或高壓層析柱并不經濟，通常會采用軸向壓縮法裝柱。對于直徑小于300mm的層析柱，手動柱即可滿足裝柱要求；而直徑450mm以上裝柱，則需要具備電動軸向壓縮功能的層析柱。

圖5 百林科Chrom-LinX® 手動壓縮層析柱和
Verdot Ips2 InPlace工業層析柱

　　硬件的影響往往不會立刻顯現，選擇可靠、響應迅速的供應商及時處理問題，可以降低生產可能面臨的風險。

　　純化工藝放大是一個綜合多因素的過程，盡管有著許多成功的案例，在面對一個新工藝的放大時仍然需要保持謹慎。尤其在實際的工藝中，由于資源和時間的限制，并不能以理想的方式完成工藝開發和放大的過程。以上列舉了一些純化工藝放大中常見的問題，推薦在執行工藝放大時，使用差距分析(GAP analysis)和失效模式與效應分析(Failure Modes and Effects Analysis，FMEA)等工具，針對具體的工藝情況分析規模間差距、評估過程風險并采取相應的風險控制措施，提高工藝放大的成功率。

總結

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