冻干放大失败时应先审视处方与冻干工艺的协同设计

作者：Devendra Ridhurkar

冻干可增强蛋白质及其他生物分子的储存稳定性，但该过程会使它们暴露于各种应力^1,2之下，可能导致聚集、效价损失或衣壳损伤。为应对核心开发挑战³，仅孤立地选择稳定化赋形剂或设计干燥循环是不够的。制剂组成与冻干工艺参数必须以整合方式协同开发，体现它们在决定产品稳定性与性能方面的相互依存关系。

为获得可接受的饼块和可重现的干燥循环，有必要尽早确定分子的不稳定途径、赋形剂在冷冻和干燥条件下的相互作用，以及制剂特有的热学和结构限制。这些限制可以系统性地与循环参数相关联。为增强稳健性，制剂组成（缓冲液种类、pH 范围、张力调节剂）与冻干工艺参数（一次和二次干燥条件）可通过结构化、迭代的实验设计进行协同优化。⁴ 这种整合方法界定的是一个可转移的操作空间，而非单一的固定实验室循环。

从分子入手理解不稳定性

开发冻干生物制剂的第一步，是理解分子在冷冻条件下与其液体溶液状态相比的行为。基线表征——如一级结构完整性、二级/三级结构、聚集倾向、热稳定性以及对 pH 和离子强度的敏感性——使开发者能够区分固有不稳定性和冷冻诱导的变化。

冷冻引入两条主要应力途径：

冷冻浓缩

随着冰的形成，溶质在未冻结相中浓缩，导致 pH、离子强度、缓冲液组成和赋形剂比例发生变化。即使液体制剂是稳定的，这些变化也可能触发聚集或结构扰动。

界面应力

冷冻过程中冰-液界面和气-液界面急剧增加。蛋白质在这些界面吸附并去折叠⁵，产生聚集体和颗粒。

因此，候选制剂应在具有代表性的冷冻和冻融条件下进行筛选，确保赋形剂、缓冲液和表面活性剂在冷冻浓缩状态下仍保持功能。

围绕分子构建制剂

基于冷冻状态行为选择缓冲液

缓冲液种类和浓度必须在冷冻条件下评估，而不仅在室温下评估。缓冲液组分的选择性结晶或排斥可显著改变 pH。⁶ 例如，磷酸钠体系在冷冻时可能经历大幅 pH 偏移。因此，缓冲液筛选应包括冷冻状态 pH、离子强度、结晶行为以及与赋形剂和蛋白质关键质量属性（CQA）的相容性。这降低了选择在液体中表现良好但在冷冻时使分子失稳的缓冲液的风险。

冷冻保护剂和冻干保护剂：制剂特异性选择

蔗糖和海藻糖等糖类通过在冷冻过程中稳定蛋白质并在干燥过程中形成无定形基质，提供冷冻保护和冻干保护。然而，它们的性能取决于糖与蛋白质的比例、缓冲液离子强度、与甘露醇、精氨酸和表面活性剂的相互作用，以及冷冻或储存过程中的结晶倾向。

近期研究表明，只要周围处方得到优化，在较低的糖与蛋白质比例下也能实现可接受的稳定性。糖浓度的选择应权衡保护作用与黏度、饼块结构和干燥性能。

填充剂：平衡结构与稳定作用

甘露醇等填充剂通过结晶提供机械强度，而无定形蔗糖提供稳定作用。甘露醇-蔗糖体系说明需要平衡结晶相与无定形相，以实现稳健的饼块结构、可接受的干燥约束和稳定的固态行为。当处方设计得当时，结晶甘露醇可促进复溶介质的渗透并增强饼块的崩解。⁷ 必须控制二次干燥，以避免形成不稳定的甘露醇水合物。还必须考虑盐的相互作用，因为共晶行为可影响冷冻和干燥。

表面活性剂：管理界面应力

聚山梨酯20等表面活性剂可减少冷冻和复溶过程中的界面吸附和聚集。⁸ 必须优化其浓度，以在提供保护的同时不引入新的稳定性或分析方面的问题。泊洛沙姆188可增强冷冻状态下的稳定性⁹，但不能替代糖类冻干保护剂；它应作为辅助赋形剂使用。

结合处方开发冻干循环

冷冻策略与关键温度

降温速率、成核温度和西林瓶传热决定冰晶尺寸分布，进而控制孔结构、干燥阻力和复溶行为。已证明受控成核可改善饼块均匀性、复溶性能和干燥效率。¹⁰。 冷冻应被视为一个经过设计的单元操作，而非固定的预处理步骤。对于无定形体系，T_g'（最大冷冻浓缩溶质的玻璃化转变）是一个重要的上限温度标准，但不应将其视为唯一相关标准。还必须考虑产品塌陷、结构变化、某些处方特有的蒸气流阻力以及蛋白质稳定性等问题。对于单克隆抗体（mAbs），受控成核和处方特异性热限值通常是有益的。

一次干燥

一次干燥通过升华去除冰。搁板温度和腔室压力必须保持在处方特异性的热限值和结构限值内。差示扫描量热法和显微镜有助于确定T_g'、塌陷温度、赋形剂结晶和蛋白质稳定性限值。一些高蛋白无定形体系可在高于T_g'的条件下干燥而不影响质量，这表明T_g'不应被用作自动限值。操作窗口必须有产品质量数据支持。¹¹

二次干燥与残留水分

残余水分应进行优化，而非降至最低。取决于固态性质、储存条件和蛋白质稳定性，过度干燥可能与干燥不足同样有害。例如，在抗体偶联药物（ADC）的情况下，干燥条件必须避免连接子降解或聚集。

制剂-工艺相互作用与操作空间

现代冻干越来越多地纳入 AI 驱动的循环优化；用于传热/传质建模的数字孪生；针对塌陷、回熔和结晶的预测分析；以及连续冻干平台。这些工具^12-13可加速开发、减少实验负担，并支持稳健的放大。

定义 CQA 与分析策略

质量源于设计（QbD）通过风险评估、实验设计（DoE）和工艺表征，将物料属性与工艺参数同 CQA 关联起来。现代冻干策略应识别影响以下方面的变量：

• 产品温度，
• 干燥阻力，
• 残余水分，
• 复溶，以及
• 分子稳定性。

使用 DoE 系统性地评估制剂变量和关键工艺参数；应用过程分析技术（PAT）工具（温度探头、压力升测试、失重监测）；在规定的适用性范围内验证基于模型的方法；并定义可接受范围，而不是依赖单一成功的配方。每个 CQA 都应与其失效机制（表 1）以及影响它们的制剂/工艺变量相关联。

现代生物制品日益需要与双腔注射器、自动注射器、器械上复溶系统和高浓度给药形式兼容。复溶性能成为一项功能性 CQA。开发者应评估饼块结构和孔隙连通性、结晶度、蛋白质与辅料比、稀释剂体积和温度、西林瓶几何形状和顶空压力，以及涡旋或混合策略。高浓度产品¹⁴需要特别关注黏度、复溶时间¹⁵和呈现效果（气泡、澄清度）。¹⁶对于双特异性/多特异性抗体，结构异质性要求定制 CQA 和分析方法。在疫苗的情况下，抗原完整性、效价、颗粒行为和复溶性能必须与饼块结构和水分一并评估。针对 AAV 血清型 8（AAV8）——一种在基因治疗开发中广泛使用的特定病毒载体——的制剂，应优化缓冲液/盐浓度、冷冻/冻干保护剂、表面活性剂和填充剂。¹⁷此外，在此情况下，甘露醇与蔗糖的比例对饼块稳定性和外观有强烈影响。

表 1：单克隆抗体的示例 CQA

放大与技术转移

为何实验室循环不能简单复制

由于搁板几何形状、传热、冷凝器容量、压力控制、装载密度、灌装体积和冻结行为方面的差异，实验室循环很少能直接转移至中试或商业化干燥机。技术转移必须基于产品温度和传热/传质行为，而不仅仅是搁板温度和压力设定点。

Kv、Rp 与转移的物理基础

Kv（西林瓶传热系数）和 Rp（产品阻力）共同决定升华速率和产品温度。Kv 描述从干燥机到西林瓶的传热。它随西林瓶类型、压力、设备配置和西林瓶位置而变化。Rp 描述干燥层对蒸汽流动的阻力。它取决于冷冻条件、冰晶结构、灌装深度和配方。放大生产需要对接纳设备进行 Kv 和 Rp 表征，并控制西林瓶类型、灌装深度、冷冻历史和配方组成。

腔室压力、搁板温度和终点判定

每台干燥机都有独特的压力控制和冷凝器性能。终点判定应使用压力上升测试、产品温度行为、质量损失测量和 PAT 工具。¹⁸ 终点必须确保完全去除冰，同时不必要地延长循环。

西林瓶和灌装配置

传热和蒸汽流动可能受到西林瓶尺寸及其灌装体积、灌装深度、胶塞尺寸和装载模式的影响。因此，上述因素应在转移过程中保持恒定或明确加以考虑。比较边缘西林瓶和中心西林瓶的行为很重要，尤其是当接纳设备的搁板几何形状或装载密度显著不同时。

将冻干扩展到新的生物制品模态

尽管冷冻、稳定化、干燥和复溶的原理在生物制品方法之间相似，但相关降解途径和关键质量保证因方法而异。配方和循环应针对分子量身定制，而不是假设成功的平台循环可以不经修改地适用于另一种模态。

单克隆抗体

在 mAb 的开发中，目标是保持分子完整性、限制聚集体和颗粒的形成、保持效价，并实现最佳的饼块和复溶特性。在循环开发过程中，可以考虑成核控制和配方特定的热限值。

双特异性和多特异性抗体

双特异性和多特异性抗体可能需要额外考虑，因为其结构异质性以及产品特定的聚集或活性风险。重要的是遵循相同的配方-工艺框架，但 CQA 和分析方法应根据分子的结构和作用机制来选择。

抗体-药物偶联物

ADC 的配方开发必须同时保持生物组分和偶联药物-连接子的特性。在这方面，特别重要的是评估干燥过程对聚集、分子完整性、效价以及产品特有的任何化学或物理降解途径的影响。

重组蛋白和酶

重组蛋白和酶可能对 pH 变化、界面、聚集和脱水敏感，具体取决于其配方。为了优化缓冲液行为、糖保护、表面活性剂浓度和残留水分，最好使用基于相关活性和结构 CQA 的辅料包（表 2）。

表 2：重组蛋白和酶通用辅料包示例

疫苗

疫苗有多种类型，包括蛋白质、抗原、佐剂相关组分以及其他具有不同稳定性要求的生物活性物质。因此，要优化冻干工艺，除了常规的饼块和残留水分特性外，还必须考虑抗原完整性、效价、颗粒或微粒行为以及复溶性能。

病毒载体与基因治疗产品

病毒载体的使用使制剂组成和工艺条件（如冷冻、干燥和贮存）的敏感性进一步增加。有证据表明，冻干的 AAV8 产品可以冷藏保存。缓冲液、盐、冷冻/冻干保护剂、表面活性剂和填充剂的浓度必须优化；甘露醇与蔗糖的比例对饼块稳定性和外观也至关重要。¹⁷ 此外，该示例说明了一个原则：较新的模式需要针对特定模式的¹⁹ 制剂和工艺，而不能简单地将常规蛋白质循环套用于其上。

建立可转移的、针对特定模式的冻干策略

开发稳健的冻干生物制品需要制剂-工艺一体化设计、现代分析和建模工具，并及早考虑可放大性、模式特异性降解途径以及器械兼容性。病毒载体和基因治疗产品对冷冻、干燥和贮存高度敏感。作为技术转移的一部分，必须在工艺可被视为成熟之前解决复溶和放大问题，并考虑 Kv、Rp、西林瓶/灌装配置、设备差异、终点标准以及可转移的操作空间。最后一点，质量源于设计、工艺分析和建模以及机理性的工艺知识，可以将实验室配方转化为稳健的生产策略。单克隆抗体、多特异性抗体、ADC、重组蛋白和酶、疫苗、病毒载体以及基因治疗产品，只要识别出模式特异性降解途径和 CQA，也可以按照相同的原则进行处理。本质上，目标是开发一种制剂和冻干工艺，能够持续生产出具有所需质量、贮存稳定性、复溶性能和制造稳健性的产品。

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关于作者：

Devendra Ridhurkar 博士是 RidNova Pharmaceuticals 的创始人兼首席执行官，这是一家总部位于西班牙巴塞罗那的专业制药公司，专注于开发其自有差异化和复杂药物产品，同时与全球的制药、生物技术和创新药公司合作。RidNova 在产品开发、CMC（化学、生产和控制）、先进药物递送和商业化方面提供战略和技术专长。他拥有近 20 年的制药研发经验，其专长涵盖多种治疗模式和药物递送技术，包括 AI 和 PAT 在药物开发和生产中的应用。他此前曾在 Adalvo、Neuraxpharm、Servier 和 Dr. Reddy's Laboratories 担任科学和领导职务。他在印度 IIT-BHU 获得药剂学和药物递送系统博士学位。