针对皮下给药的高浓度药物底物生产策略
本文节选自来自BMS的研究人员发表的文章“Strategies for high‐concentration drug substance manufacturing to facilitate subcutaneous administration: A review”。由于水平有限，详细内容，请参考原文。
摘要：为了达到生物治疗药物皮下注射所需的高蛋白质浓度，经常会遇到许多生产工艺的挑战。从操作的角度来看，高蛋白质浓度会形成高粘度的溶液，这可能会导致超滤过程中的压力增加。这也会导致超滤和除菌过滤时通量降低，致使工艺时间延长。此外，在过滤操作过程中，残留体积造成产物损失的风险也更大。从制剂的角度来看，蛋白质浓度越高，聚集率就越高，因为组成物质的距离越近，分子间的相互作用就越强，自我交联事件的频率也越高。此外，在超滤/洗滤(UF/DF)步骤中，由于体积排阻和Donnan平衡效应，达到pH和赋形剂浓度目标也存在挑战，这些影响在更高的蛋白质浓度条件下会进一步加剧。本文重点介绍了应对这些挑战的策略，包括使用降低粘度的赋形剂、选择含有改性膜和/或优化流道设计的适当UF/DF膜包、以及增加对UF/DF过程中pH值和赋形剂行为的理解。对高浓度药物底物生产的其它考量，如外观属性、稳定性、冷冻和处理也进行了讨论。这些策略可用于克服高浓度药物底物生产的制造工艺挑战，并简化工艺开发工作。
简介
与静脉输液相比，皮下给药具有许多优势，包括更容易、更快的给药，更好的患者体验，以及可能可以在家自己给药，而不是输液中心。对于皮下给药，由于组织背压和注射疼痛，典型的注射量是有限的。一种称为人透明质酸酶PH20酶的酶可用于制剂，以允许输送高达10 mL的体积，而不是之前可达到的1-1.5 mL。这种酶可打开皮肤细胞外基质的间质空间，使更多的治疗性药物通过这一途径给药成为可能。这种共制剂方法已被证明具有与静脉给药相当的良好生物可利用性和疗效。
对于单克隆抗体(mAb)，临床剂量通常高达每公斤体重10 mg，相当于每个患者高达600-700 mg药物。即使采用酶共制剂策略，通常也需要生产高单抗浓度的物料，以达到适合皮下给药的注射体积。正如之前的论文所指出的，高度浓缩的制剂可能具有非常高的粘度，这在工艺处理、储存和运输方面造成了不小的挑战。
本文将重点介绍生产高浓度药物底物的最新策略，包括深入讨论超滤/超滤(UF/DF)和除菌过滤单元操作中的挑战以及克服这些挑战的方法。通过着重强调可在高浓度药物底物生产规模下实施的实际解决方案，本论文有望成为对目前或未来开发高浓度单抗工艺的人员有用的资源。本文还将讨论稳定性、外观属性、冷冻、处理和运输方面的考量，所有这些都受到更高蛋白质浓度的影响。此外，文章还将包括未来技术和工艺进步的机会。
高浓度单抗的特性
为了生产高浓度的单抗药物底物，典型的单抗下游纯化工艺可能包含许多与低浓度工艺相同的步骤。这些步骤包括收获、ProteinA层析、病毒灭活和中和、精纯步骤以及除病毒过滤。虽然生物反应器的滴度在增加，但在大部分工艺中，单抗的浓度仍然相对较低。为了达到更高的目标单抗浓度，通常在接近工艺结束时加入UF/DF步骤，然后再进行最后的除菌过滤步骤。必须克服在这两个步骤中遇到的挑战，以实现目标高浓度和目标成分组成。一些挑战直接来自于随着单抗浓度的增加而发生的溶液性质的变化，如粘度的增加。粘度随蛋白质浓度呈指数增长。这种关系可以用修正的Mooney方程来描述：
式中(η/η0)为相对粘度，[η]为固有粘度，c为浓度，κ为拥挤效应因子，ν为Simha形状因子。在药物底物生产中，粘度的增加会影响基于过滤的单元操作的多个方面，导致UF/DF过程中更高的轴向压力降以及除菌过滤过程中更低的通量。这些可能是实现高浓度治疗药物的主要障碍。
单抗的固有粘度受溶液条件的影响。经典的胶体模型提出溶液粘度是溶液中固体(蛋白质、赋形剂)体积分数的函数。因此，在某些情况下，离子强度的增加被证明会降低粘度，这是由于蛋白质的有效尺寸通过电荷屏蔽以及长程斥力静电网蛋白质-蛋白质相互作用的减弱而降低。近年来，该领域的大量研究表明，蛋白质溶液的高粘度是由可逆的蛋白质自缔合引起的，而这种自缔合又是由单抗表面带电残基和疏水残基的非均匀分布引起的局部吸引静电和疏水蛋白质相互作用驱动的。渗透压测量可用于在极高蛋白质浓度条件下，基于数据，确定第三维里系数。已经观察到第三维里系数和浓缩单抗溶液的粘度之间有很强的关系，这表明在分子间距离较短的蛋白质之间的局部相互作用是决定这些溶液流变特性的关键。粘度也与温度成反比，因此，在确定UF/DF等工艺步骤以及物料处理、移液、转移等操作的可接受温度范围，必须考虑到粘度。
密度也随着蛋白质浓度的增加而增加。由于在更高的蛋白质浓度下，密度变化可能非常显著，因此需进行密度校正，以提高重量法的准确性。如果适当稀释浓缩原液，许多用于评估稀释溶液中化学降解的分析技术仍然可以用于高浓度制剂的开发。
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原文：M.Holstein, J.Hung, H.Feroz, et al., Strategies for high‐concentration drug substance manufacturing to facilitate subcutaneous administration: A review. Biotechnology & Bioengineering, 2020, DOI:10.1002/bit.27510.
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