恒歌醫(yī)藥微米過(guò)濾器定制

過(guò)濾在生物制藥生產(chǎn)過(guò)程中被廣泛使用，用于去除工藝雜質(zhì)和污染物(顆粒、病毒)以及控制生物負(fù)荷。因此，成功的過(guò)濾操作對(duì)于成功的生物治療藥物生產(chǎn)至關(guān)重要。隨著生物工藝向強(qiáng)化方向發(fā)展，治療性產(chǎn)品的物理尺寸和生化復(fù)雜性不斷增加，過(guò)濾的作用也在不斷發(fā)展。

優(yōu)化過(guò)濾步驟、以提高產(chǎn)量和產(chǎn)品回收率，同時(shí)實(shí)現(xiàn)可接受的工藝經(jīng)濟(jì)性，這變得越來(lái)越具有挑戰(zhàn)性。過(guò)濾技術(shù)供應(yīng)商、生物制藥制造商和監(jiān)管機(jī)構(gòu)之間的合作使得開(kāi)發(fā)和采用新解決方案來(lái)應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)成為可能。

需要管理的幾種過(guò)濾技術(shù)

某過(guò)濾管理研發(fā)科學(xué)高管 表示，過(guò)濾技術(shù)主要分為四類。它們包括預(yù)過(guò)濾器，例如用于初步澄清的深層過(guò)濾器;用于對(duì)最終產(chǎn)品進(jìn)行滅菌的膜過(guò)濾器，也用于在二次澄清或病毒滅活 (VI) 后降低生物負(fù)荷;用于去除外來(lái)和內(nèi)源性病毒的除病毒過(guò)濾器;以及用于濃縮工藝流體、用于洗濾以置換緩沖溶液和去除雜質(zhì)的切向流過(guò)濾器。

某病毒載體下游工藝開(kāi)發(fā)總監(jiān)指出，深層過(guò)濾、切向流過(guò)濾 (TFF) 和除菌過(guò)濾通常用于各種模式的所有工藝，包括重組蛋白、基于抗體的療法和病毒載體?！澳げ牧虾徒亓舴肿恿?(MWCO) 的選擇因應(yīng)用而異，供應(yīng)商在提供多樣化的解決方案組合方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。近年來(lái)，供應(yīng)商還專注于無(wú)菌 TFF 技術(shù)，以便在必要時(shí)實(shí)現(xiàn)封閉式工藝，”他說(shuō)。

雖然深層過(guò)濾器主要用于去除細(xì)胞和細(xì)胞碎片，并降低細(xì)胞收獲時(shí)的濁度和可溶性雜質(zhì)，但在單克隆抗體 (mAb) 的低 pH 病毒滅活之后也使用深層過(guò)濾器，以在精純層析之前降低濁度和雜質(zhì)。同時(shí)，TFF 用于許多應(yīng)用，例如在捕獲層析之前減少病毒載體的體積(從而減少上樣時(shí)間)和 mAb 的緩沖液置換，用于捕獲和精純層析之間的緩沖液置換，以及用于最終制劑的濃縮和緩沖液置換。

大多數(shù)深層過(guò)濾器都是無(wú)紡布介質(zhì)層或用纖維加固并形成薄片的二氧化硅介質(zhì)?！吧顚舆^(guò)濾器的傳統(tǒng)材料是纖維素和硅藻土 (DE，有機(jī)二氧化硅)，它們與帶正電荷的樹(shù)脂結(jié)合在一起，以結(jié)合核酸污染物?！闭姾捎兄谌コ怂嵛廴疚?。二氧化硅(無(wú)論是 DE 還是合成的等效物)可吸附較大的分子和顆粒。活性炭因其吸附較小分子的能力而越來(lái)越多地被使用。

生物制造中的膜過(guò)濾用于清除較小的顆粒，通常尺寸小于 0.5 μm，可用于生物負(fù)荷控制、病毒截留、濃縮和緩沖液置換。他指出，平板或打褶膜用于除菌級(jí)(例如 0.2 μm)過(guò)濾器，用于許多單元操作中的生物負(fù)荷控制，并確保最終藥品在灌裝/完成過(guò)程中的無(wú)菌性。

用于除菌過(guò)濾的膜過(guò)濾器通常由表面改性聚醚砜 (PES) 制成，無(wú)論是載量還是通量，都具有高性能。它們還可以組合成多層設(shè)備，用于處理具有挑戰(zhàn)性的進(jìn)料;0.1 μm產(chǎn)品用于保護(hù)隔絕生物反應(yīng)器周圍的支原體;以及單層產(chǎn)品用于高速緩沖液過(guò)濾。

觀察到，TFF 過(guò)濾器通常由再生纖維素制成，用于高價(jià)值應(yīng)用(mAb、病毒載體)和使用有機(jī)溶劑(PES 不兼容)時(shí)，而 PES 膜則用于血漿工藝等穩(wěn)健、耐用的應(yīng)用。平板膜包設(shè)備最為常見(jiàn)，因?yàn)樗鼈円子诜糯蟛⑶铱梢灾貜?fù)使用，但他指出，在臨床生產(chǎn)活動(dòng)和密封性很重要的情況下，例如慢病毒 (LV) 載體和抗體偶聯(lián)藥物 (ADC) 生產(chǎn)，存在自持式囊式設(shè)計(jì)。

TFF 在上游灌流式細(xì)胞培養(yǎng)中越來(lái)越多地用于去除廢培養(yǎng)基和/或產(chǎn)品。不過(guò)，這些 TFF 過(guò)濾器的設(shè)計(jì)(中空纖維)與下游工藝中使用的過(guò)濾器有很大不同，通常由改性 PES 或聚偏二氟乙烯 (PVDF) 制成。

空氣過(guò)濾器是一種不起眼且經(jīng)常被忽視的過(guò)濾器類別。它們安裝在儲(chǔ)罐上以維持大氣壓力并實(shí)現(xiàn)排污和完整性測(cè)試操作。許多過(guò)濾器含有聚四氟乙烯 (PTFE) 膜，并使用蒸汽滅菌。當(dāng)需要通過(guò)輻照滅菌時(shí)，PES 過(guò)濾器會(huì)用于特定應(yīng)用。

中空纖維膜還可以用于納濾裝置，以清除內(nèi)源性和外來(lái)病毒?！坝捎诓《倔w積小(通常小于 100 nm)，膜過(guò)濾可以高效去除病毒，同時(shí)允許藥物通過(guò)”。

納米濾過(guò)濾器在哺乳動(dòng)物的生物工藝中無(wú)處不在，因?yàn)樗鼈兡軌蛴行コ齼?nèi)源性和外來(lái)病毒。

不同的藥物模式帶來(lái)不同的過(guò)濾挑戰(zhàn)

要成功實(shí)現(xiàn)過(guò)濾操作，必須克服許多挑戰(zhàn)，這些挑戰(zhàn)因方式、預(yù)期目標(biāo)和具體的過(guò)濾操作而異。

單克隆抗體(mAb)

盡管單抗的生產(chǎn)平臺(tái)已經(jīng)很完善，但近年來(lái)，過(guò)濾方面的挑戰(zhàn)在各個(gè)方面都顯著增加。上游細(xì)胞培養(yǎng)的改進(jìn)使生產(chǎn)滴度從十年前的 1-2 g/L 提高到 5-10 g/L 或更高?！暗味鹊奶岣咄ǔ０殡S著更高的細(xì)胞密度(補(bǔ)料分批培養(yǎng)中高達(dá) 40 x 10^6 cells/mL)、更高的濁度以及必須去除的雜質(zhì) [宿主細(xì)胞蛋白 (HCP) 和宿主細(xì)胞 DNA] 的增加”。

由于用于皮下給藥的產(chǎn)品濃度越來(lái)越高(200-300 g/L蛋白質(zhì))，因此最終制劑也面臨挑戰(zhàn)。濃度越高，粘度越高，因此 TFF 壓力也就越大?！霸谏a(chǎn)環(huán)境中管理這些高壓可能是一個(gè)問(wèn)題，”他說(shuō)。除菌過(guò)濾也很困難，因?yàn)楦哒扯刃枰^低的流速，這會(huì)導(dǎo)致工藝時(shí)間延長(zhǎng)。

“過(guò)大的除菌過(guò)濾器可以彌補(bǔ)這一缺陷，但滯留體積會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品稀釋，從而產(chǎn)生新的問(wèn)題，”

由于非特異性結(jié)合、高不可回收體積和高預(yù)沖洗要求而導(dǎo)致的產(chǎn)品損失高。

觀察到，納濾去除病毒的挑戰(zhàn)性主要在于其成本高，以及不同產(chǎn)品的過(guò)濾性能存在差異。此外，需要較低的產(chǎn)品濃度才能實(shí)現(xiàn)足夠高的通量和較短的工藝時(shí)間，這與更高濃度的趨勢(shì)背道而馳，并導(dǎo)致更大的工藝體積。后者可能在一定程度上抵消上游引入的工藝強(qiáng)化和體積降低措施。

病毒載體

市場(chǎng)上大多數(shù)深層過(guò)濾器的設(shè)計(jì)都考慮到了帶正電荷的 mAb 的澄清，這會(huì)極大地影響病毒載體的回收率。許多深層過(guò)濾器的二氧化硅成分和正電荷通常與 LV 載體結(jié)合得相當(dāng)牢固，因?yàn)樗鼈兌己艽蟛⑶規(guī)в袃糌?fù)電荷。

腺相關(guān)病毒 (AAV) 載體雖然比 LV 小，但也帶負(fù)電荷，現(xiàn)有的深層過(guò)濾器由于對(duì)于兩種載體都會(huì)導(dǎo)致吸附病毒，使得產(chǎn)品收率較低。一種替代方法是使用由纖維素或合成等效材料制成的低載量過(guò)濾器。

慢病毒除菌過(guò)濾通常會(huì)導(dǎo)致過(guò)濾載量低和回收率低。這是因?yàn)槁《倔w積大且容易聚集，這使其無(wú)法輕易通過(guò)除菌級(jí)膜過(guò)濾器(0.22 μm 或更小)。

病毒載體(尤其是 LV)的另一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的過(guò)濾步驟是除病毒過(guò)濾，以去除不需要的病毒污染物。事實(shí)上，由于病毒載體的大小(AAV 約為 20 nm，LV 約為 120 nm)，不可能使用 mAb 工藝中通常使用的除病毒過(guò)濾器。

“因此，外來(lái)病毒進(jìn)入產(chǎn)品流的風(fēng)險(xiǎn)更高，必須更加重視通過(guò)使用封閉式一次性技術(shù)等方法降低這種風(fēng)險(xiǎn)，并對(duì)進(jìn)入工藝的任何工藝流體(如細(xì)胞培養(yǎng)液和緩沖液)應(yīng)用除病毒過(guò)濾”。

然而，使用完全封閉的無(wú)菌工藝可以避免除菌過(guò)濾，這本身也帶來(lái)了一系列挑戰(zhàn)。Beckett強(qiáng)調(diào)，需要有合適孔徑的封閉式無(wú)菌設(shè)備來(lái)進(jìn)行 TFF，但這些設(shè)備可能并不容易獲得。調(diào)整配方、以減少聚集可能對(duì)某些病毒載體有幫助。他還指出，其它大型且脆弱的產(chǎn)品(如外泌體和脂質(zhì)納米顆粒)也面臨著類似的挑戰(zhàn)。

質(zhì)粒DNA

由于核酸帶有很強(qiáng)的負(fù)電荷，質(zhì)粒 DNA (pDNA) 產(chǎn)品在澄清深層過(guò)濾方面與病毒載體存在類似的問(wèn)題。Beckett說(shuō)，pDNA 的收率可能相當(dāng)?shù)?，而且通常需要改變配方?或使用不帶電的介質(zhì)。

當(dāng)前的一些進(jìn)步

盡管膜介質(zhì)所用的化學(xué)技術(shù)正在取得進(jìn)展，但許多技術(shù)發(fā)展都與現(xiàn)有化學(xué)技術(shù)的應(yīng)用和新設(shè)備設(shè)計(jì)的新方法有關(guān)?！耙虼?，必須在整個(gè)生物工藝行業(yè)的更廣泛背景下看待這些進(jìn)步，而生物工藝行業(yè)本身也在不斷發(fā)展。制造商面臨著降低產(chǎn)品成本和加快上市速度的巨大壓力，這影響著生物工藝的各個(gè)方面。

因此，盡管已經(jīng)引入了新的解決方案，但過(guò)濾技術(shù)的許多最新進(jìn)展都是漸進(jìn)式的，而不是革命性的，一些新方法，如收獲預(yù)處理的絮凝，都是從鄰近行業(yè)借鑒而來(lái)”。

單程 TFF (SPTFF) 是現(xiàn)有技術(shù)的新應(yīng)用示例?！斑@種新的操作模式(而不是新的過(guò)濾器類型)正越來(lái)越廣泛地用于高濃度 mAb 的最終制劑。它在學(xué)術(shù)界很常見(jiàn)，現(xiàn)在終于被工業(yè)界采用，因?yàn)槿绻_(kāi)發(fā)得當(dāng)，SPTFF 可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)工藝，與傳統(tǒng) TFF 相比，能夠?qū)崿F(xiàn)高濃度(200-300 g/L)和更低的系統(tǒng)壓力。”

可持續(xù)性是一個(gè)考慮因素

在考慮潛在的新型過(guò)濾技術(shù)時(shí)，與生物工藝開(kāi)發(fā)和制造的所有方面一樣，評(píng)估其對(duì)生物制藥生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)可持續(xù)性的潛在影響至關(guān)重要?！叭魏涡庐a(chǎn)品/設(shè)備/技術(shù)的設(shè)計(jì)都必須考慮到可持續(xù)性，”這種設(shè)計(jì)可以減少?zèng)_洗用水量、減少包裝材料、減少占地面積，或者消除使用氫氟碳化合物進(jìn)行高性能完整性測(cè)試。

“在解決重要過(guò)濾挑戰(zhàn)的同時(shí)提供更可持續(xù)替代方案的新解決方案更有可能得到廣泛采用”。

值得注意的進(jìn)步

盡管過(guò)濾技術(shù)的大多數(shù)進(jìn)步都是漸進(jìn)性的，但一些值得注意的發(fā)展已導(dǎo)致各種模式的改進(jìn)。

陰離子交換 (AEX) 纖維層析法是另一種解決方案，據(jù) Voloshin 稱，該解決方案已被證明可放大至大規(guī)模商業(yè)化生產(chǎn)?！斑@種方法利用一次性囊式濾器中的 Q 化學(xué)功能化纖維床來(lái)澄清收獲的細(xì)胞培養(yǎng)液，并將過(guò)濾器式流穿操作的簡(jiǎn)易性和可放大性與層析法的分離精度相結(jié)合”。

TFDF 也越來(lái)越廣泛地用于 LV 載體的澄清。觀察到：“通過(guò)將 TFF 與具有深層的膜(如深層過(guò)濾器)相結(jié)合，TFDF 比傳統(tǒng)的深層過(guò)濾器具有更高的回收率和載量?！?/p>

對(duì)于細(xì)胞和基因治療領(lǐng)域中較大的部分，基于新想法的新型分離技術(shù)也正在探索中。他強(qiáng)調(diào)，功能化纖維床和聚合物涂層微球可提供類似過(guò)濾器的流穿功能，同時(shí)通過(guò)尺寸、電荷或其它特性捕獲與工藝相關(guān)的污染物。

“在這些情況下，傳統(tǒng)的過(guò)濾和層析法之間的界限變得模糊，以充分利用藥物物質(zhì)的尺寸和生物化學(xué)，”他指出?！半S著該領(lǐng)域的發(fā)展，我們很可能會(huì)看到更先進(jìn)的類似過(guò)濾器的工藝技術(shù)，這些技術(shù)采用先進(jìn)的物理和化學(xué)作為分離機(jī)制的核心”。

在除菌過(guò)濾領(lǐng)域，設(shè)備設(shè)計(jì)的基本改進(jìn)包括能夠在灌裝/完成隔離器內(nèi)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)完整性測(cè)試。更先進(jìn)的發(fā)展包括改進(jìn)膜，使其具有更高的載量、更低的蛋白質(zhì)結(jié)合率，并能夠減少占地面積。

后者的一個(gè)例子是 Cytiva 的新型除菌過(guò)濾技術(shù)，該技術(shù)解決了高顆粒負(fù)載導(dǎo)致過(guò)濾器過(guò)早堵塞的問(wèn)題，從而解決了與高濃度生物進(jìn)樣料液相關(guān)的挑戰(zhàn)?！斑@種新型除菌過(guò)濾器可以提供高吞吐量，而無(wú)需加大尺寸，從而避免了滯留體積增加以及與昂貴的產(chǎn)品損失相關(guān)的問(wèn)題。

該領(lǐng)域正在考慮的另一個(gè)問(wèn)題是，是否需要經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的除菌級(jí)過(guò)濾器來(lái)進(jìn)行中間過(guò)濾，以控制單元操作之間的生物負(fù)荷/顆粒，并且通常用于保護(hù)層析柱免受污染和早期下游操作中非關(guān)鍵緩沖液的過(guò)濾。

“鑒于過(guò)濾器成本的很大一部分是測(cè)試、驗(yàn)證和記錄以證明除菌級(jí)，更開(kāi)放的膜或記錄較少的膜可能更便宜，并且對(duì)于生物純化過(guò)程早期出現(xiàn)的具有挑戰(zhàn)性的進(jìn)料具有更高的容量”。

最近發(fā)布的備受期待的 EudraLex 第 4 卷附件 I 更新版關(guān)于無(wú)菌產(chǎn)品的生產(chǎn)，非常明確地列出了對(duì)膜過(guò)濾的監(jiān)管要求。“某些要求，尤其是關(guān)于使用前滅菌后完整性測(cè)試 (PUPSIT) 的要求，推動(dòng)了膜過(guò)濾的創(chuàng)新和技術(shù)進(jìn)步，以確?，F(xiàn)在和將來(lái)的監(jiān)管合規(guī)性，”

TFF 技術(shù)的進(jìn)步包括開(kāi)放式超濾膜系列(標(biāo)稱截留分子量為 300-1000 kDa)，該系列膜在膜制造過(guò)程中的孔徑控制問(wèn)題已經(jīng)得到克服，從而提供了更為強(qiáng)大的分離解決方案;通道篩分技術(shù)的創(chuàng)新允許處理高濃度產(chǎn)品;封閉式滅菌設(shè)備可減少臨時(shí)臨床活動(dòng)的驗(yàn)證開(kāi)銷，并允許封閉工藝，以確保產(chǎn)品和/或操作員的安全。

對(duì)于除病毒過(guò)濾，進(jìn)展主要集中在進(jìn)一步提高現(xiàn)有膜的高載量和穩(wěn)健性，以支持更臟的進(jìn)料和更具挑戰(zhàn)性的產(chǎn)品，例如雙特異性抗體。他補(bǔ)充說(shuō)，至于其它過(guò)濾應(yīng)用，隨著強(qiáng)化、集成和封閉工藝的需求越來(lái)越大，可輻照的封閉設(shè)計(jì)也正在整個(gè)行業(yè)中開(kāi)發(fā)中。

合作對(duì)發(fā)展至關(guān)重要

由于過(guò)濾在生物工藝設(shè)計(jì)中發(fā)揮著核心作用，并且涉及到工藝的許多部分，因此下一代過(guò)濾和類似過(guò)濾器的解決方案無(wú)疑將由技術(shù)提供商、生物制藥制造商和監(jiān)管機(jī)構(gòu)共同設(shè)計(jì)。事實(shí)上，生物工藝過(guò)濾技術(shù)的進(jìn)步并非憑空而來(lái)。藥品制造商和監(jiān)管機(jī)構(gòu)為新技術(shù)提出了要求。

制造商在開(kāi)發(fā)利用現(xiàn)有技術(shù)的新方法方面也發(fā)揮著重要作用。

“與供應(yīng)商合作是幫助新產(chǎn)品進(jìn)入市場(chǎng)的絕佳方式，”觀察到，與供應(yīng)商合作還可以提供機(jī)會(huì)評(píng)估早期開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品并提供反饋意見(jiàn)以改進(jìn)設(shè)計(jì)和性能。

改變預(yù)期

隨著生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，過(guò)濾的基本理念已經(jīng)取得了長(zhǎng)足進(jìn)步。隨著生物工藝設(shè)計(jì)的發(fā)展，Zell 預(yù)計(jì)會(huì)看到更多具有創(chuàng)造性和令人興奮的類似過(guò)濾器的分離技術(shù)。

“完全流穿式生物制藥工藝的基本前提即將出現(xiàn)，未來(lái)先進(jìn)的過(guò)濾解決方案將使世界各地的生物制藥產(chǎn)品更加安全、更加有效、更加容易獲得，”Zell 斷言。

生物制藥的生產(chǎn)模式正在發(fā)生轉(zhuǎn)變。變化包括商品成本的新壓力、需要 60.000 升生物反應(yīng)器容量的重磅藥物的減少，以及 ADC 和病毒基因療法等新型生物制藥，這些藥物比現(xiàn)有類別的藥物功效更強(qiáng)，因此所需的產(chǎn)量更少。

“過(guò)濾技術(shù)必須適應(yīng) 2040 年的生物工藝設(shè)施，而不是現(xiàn)在。這種設(shè)施可能要小得多，完全一次性使用，多產(chǎn)品生產(chǎn)，設(shè)計(jì)用于在一條生產(chǎn)線上靈活生產(chǎn)多種產(chǎn)品類型。為了支持這樣的設(shè)施，過(guò)濾技術(shù)必須更小、更便宜和/或更快，這是生物工藝強(qiáng)化的三個(gè)基本要素”。

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