生物过滤工艺整体解决方案:高浓制剂工艺难点攻坚!

11 月 19, 2025

什么是高浓制剂?

为何要引入高浓制剂?

高浓制剂,就是药物有效成分在一定体积溶液中浓度较高的制剂形式。它的出现,主要是为了解决患者需要频繁用药的问题,通过提高药物浓度,减少注射频次,提升给药效率,从而提高患者的依从性。同时,在一些大分子生物药物中,由于剂量需求较大,传统制剂形式难以满足临床需求,高浓度制剂应运而生。

通常这类液体粘度在10-50 cp,浓度大于100 mg/ml,甚至高达250 mg/ml。生物技术药物通过高浓度制剂给药时,常以皮下注射的方式替代静脉注射治疗自行给药,为患者带来生活方式的益处且可降低医疗成本。

图1:MabSelect mild elution填料,提供多种规格
目前,美国食品药品监督管理局(FDA)批准的单抗产品中,有超过20%属于高浓度制剂。然而,高浓度制剂的开发和生产过程仍面临诸多技术挑战,如高粘度和易形成蛋白聚体等问题,增加生产工艺开发的复杂度、降低药品稳定性并增加免疫原性风险。

高浓制剂的挑战和应对方法

高浓度制剂需要经过两个主要工艺过程,分别为UF/DF和除菌。


超滤/洗滤(UF/DF)

超滤/洗滤(UF/DF)步骤在高浓度抗体制剂的生产中起着关键作用。该步骤位于典型纯化工艺流程的末端,将目的产物浓缩至其目标值并将其置换到所需的制剂缓冲液中。满足药物制剂最终赋形剂浓度目标或规格对于通过匹配生理渗透条件以确保患者安全给药,同时保持药物功效和延长保质期至关重要。

为了实现这些结果,有必要克服高浓度药物底物生产中遇到的几个主要障碍,包括UF/DF过程中的赋形剂漂移、压力降限制、剪切和聚体的形成、以及收率和残留体积挑战。

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药物底物浓度越高,相对于洗滤缓冲液的目标pH值和赋形剂浓度漂移越大,观测到的漂移是Donnan排除和体积排除效应的结果。

相关阅读:

▶ 道南效应及其对超滤工艺过程的影响

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高浓度会导致粘度显著增加,从而大大增加通过切向流过滤(TFF)设备的压力降,提高泵送物料所需的动力。在料液粘度高的情况下,膜的通道容易堵塞,导致超滤的进料压力高。尤其是过度浓缩阶段,进口压力不断上升,超过最大进口压力限制时,超滤无法进行。且在蛋白浓度足够高时,在膜表面易形成凝胶层,对溶剂的通过造成极大的阻力。

在同一温度下,随着蛋白浓度上升,料液的粘度会随之升高。低温易引起蛋白粘度增加,因为蛋白分子的热运动随着温度降低而变弱,分子之间更容易靠近形成相对稳定的相互作用结构,分子活动变得困难,料液的流动性变差,粘度相应升高,高浓度蛋白由于分子数量多,相对低浓度表现更加显著。

 

高的粘度也需要添加降低粘度的赋形剂,以方便皮下注射。

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UF/DF后的回收操作也具备一定的挑战性,由于只能使用尽可能低的缓冲液来冲洗系统,以避免料液的稀释造成浓度下降。系统管路的弯曲连接部位、管径变化的区域以及阀门容易形成液体滞留,膜包内部的结构间隙,流道末端等位置也会留存蛋白溶液,无法顺利排出收集,从而使得整体回收率低。

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高浓度蛋白溶液中,由于分子聚拢/自交联,蛋白分子之间的距离减小,相互作用增强,容易发生聚集。聚集可能导致产品质量下降,如降低蛋白活性、增加免疫原性等。

超滤/洗滤应对策略

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超滤膜的选择

选择亲水性好,低蛋白吸附和通量稳定性好的超滤膜可以减少堵塞和聚集,提高超滤效率和收率。使用T-Series cassettes with Delta RC membrane,其不仅具有优异的亲水性,还可以显著减少对蛋白的吸附,特殊的筛网结构能够减少压力损失,减缓进口压力过高的现象;同时有效提高传质效果,减缓高浓度下比较容易产生的浓差极化,提高通量。

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缓冲液的选择

优化缓冲液的类型、浓度和pH值等对于超滤过程至关重要。合适的缓冲液可以减少道南效应和体积排斥效应对辅料浓度的影响。例如,置换缓冲液的浓度可为5-50 mm,pH值为6.0-7.0。最常见的置换缓冲液比如组氨酸-盐酸缓冲液、柠檬酸缓冲液、磷酸盐缓冲液或醋酸钠-醋酸缓冲液等。比如通过优化缓冲液pH,超滤膜回流液和透过液辅料浓度偏差得到消除。

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控制操作温度

控制进入切向流系统料液和缓冲液的温度在常温,一般20-25℃,这样可以避免高浓度抗体在低温时粘度过高。

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缩短过度浓缩的操作时间

在过度浓缩阶段,料液蛋白浓度相对较高,是产生聚集风险最高的工艺步骤。可以采取一些方式减少过度浓缩停留的时间,以减少产品聚集。比如通过透过液实际体积计算滞留液的平均浓度,透过液体积到达要求后,立即结束过度浓缩并进行下一步回收操作。

而常规的做法是先取样检测循环罐中料液的浓度,确认浓度到达目标后再进入下一步回收操作,一般需要多次取样和检测。但由于浓差极化,超滤膜表面蛋白浓度很高,系统循环液的蛋白浓度较低,导致循环罐料液蛋白浓度并不具代表性。或者采用单向切向流SPTFF的模式进行最后的浓缩操作。

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相关阅读:

▶ 单向切向流技术SPTFF介绍及应用分享

 

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控制剪切力

剪切力可能导致抗体聚集,因此需要控制超滤过程中的剪切力。可以通过选择合适的超滤设备和操作方式来实现。超滤设备可以选择剪切力相对较小的隔膜泵或转子泵,在过度浓缩时控制流速在较低跨膜压差下进行操作。添加非还原糖,像蔗糖、海藻糖这类物质,能够改变料液的性质,增加溶液的稳定性,使得抗体蛋白在超滤过程中所处的环境更加“柔和”,减少外部流动带来的剪切力影响。

同样可以使用SPTFF的方式,参照单向切向流技术SPTFF介绍及应用分享降低剪切力。其通过减少过泵的次数,降低剪切力。

 

除菌过滤

终端除菌过滤步骤在高浓度抗体制剂的生产中起着关键作用。该步骤位于典型纯化工艺流程的末端,将目的产物除菌过滤以去除料液中颗粒和微生物,满足药物制剂最终无菌要求以确保患者安全给药。高浓度蛋白的粘度通常很高,会造成除菌滤器的通量降低,过滤时间变长甚至产品损失增多。经典的膜结垢模型是孔隙收缩,孔隙堵塞和滤饼过滤。

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蛋白浓度会直接影响最初的孔隙堵塞,pH也有显著的统计学影响。

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温度通过影响蛋白粘度来影响过滤性能。

 

聚体可能会随着样品放置时间的延长而逐渐增多,进而导致孔隙堵塞,与低浓度单克隆抗体相比,浓度越高,聚集体含量就越高,影响无菌过滤器通量,可能导致过滤器发生堵塞。这意味着增加过滤时间,或者可能需要更大的过滤器。

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PS20和PS80等稳定剂的加入有利于样品稳定,但是不利于除菌过滤,因为其会与滤膜材料吸附从而影响蛋白的过滤,研究表明在mAb制剂中的聚山梨酯可能会被无菌过滤器吸收,尤其在过滤初期吸附更为明显。

除菌过滤优化策略

从工艺角度可以通过增加除菌滤器的面积来提高过滤通量,但是更大的滤器死体积,料液残留越多,可能会导致更多的收率损失,收率相应更低。高浓制剂推荐Prime过滤器。

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还可以在除菌滤器前增加预过滤器来提高除菌滤器的过滤通量;

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可以在远离蛋白等电点的pH条件下进行除菌过滤,因为蛋白在等电点附近的自缔合最显著;

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选择合适的除菌滤器也有助于提高过滤性能,如使用更亲水的滤器可以降低疏水性结垢和蛋白聚集;

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可以用制剂缓冲液或蛋白溶液对滤器进行预处理,使结合位点达到饱和;

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还可以采取缓冲液顶洗滤器的方法,尽可能降低蛋白在滤器中的残留,此时需要注意缓冲液顶洗体积,以免影响最终料液的蛋白浓度。