QbD理念及胰島素類(lèi)似物生產(chǎn)中的過(guò)程控制策略

常曉慧

[摘要] 闡述質(zhì)量源于設(shè)計(jì)（Quality by Design， QbD）理念提出的背景及應(yīng)用流程，說(shuō)明過(guò)程分析技術(shù)（Process Analysis Technique，PAT）可以提高胰島素類(lèi)似物生產(chǎn)效率及產(chǎn)品質(zhì)量。查閱相關(guān)領(lǐng)域文獻(xiàn)，結(jié)合胰島素類(lèi)似物生產(chǎn)工藝特點(diǎn)，說(shuō)明在該領(lǐng)域應(yīng)用PAT的可能性。PAT幫助研發(fā)生產(chǎn)人員真正了解產(chǎn)品屬性及生產(chǎn)工藝，QbD理念代表著未來(lái)生物制藥行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。

[關(guān)鍵詞] 質(zhì)量源于設(shè)計(jì)；過(guò)程分析技術(shù)；胰島素類(lèi)似物；質(zhì)量；綜述

[中圖分類(lèi)號(hào)] R95 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 1672-5654（2018）04（a）-0184-03

[Abstract] To elaborate the background and application course of QbD thus explaining the PAT can improve the production efficacy and production quality of insulin analog. The literatures in the related fields were refereed to， and the probability of PAT in the field was explained according to the production technique features of insulin analog. Conclusion The PAT can help the research and production worker truly know the product attributes and production technique， and the QbD idea represents the development trend of future pharmaceutical industry.

[Key words] Quality by design； Process analysis technique； Insulin analog； Quality； Elaboration

生物制藥是綜合利用微生物學(xué)、生物技術(shù)、藥學(xué)等科學(xué)的原理和方法從生物體、生物組織或體液中獲取藥物的工藝，其種類(lèi)包括基因工程藥物、抗體藥物、血液制品及疫苗[1]?；蛑亟M人胰島素制劑于1982年上市，是第一個(gè)獲批的基因工程重組藥物[2]，生產(chǎn)工藝成熟。近年來(lái)多種胰島素類(lèi)似物產(chǎn)品上市或處于研發(fā)階段，生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)尚淺。生物制藥不同于傳統(tǒng)制藥，其生產(chǎn)規(guī)模大，對(duì)配套技術(shù)要求高，資金投入大，項(xiàng)目成功投產(chǎn)后收益可觀，但同時(shí)也伴隨著較高的風(fēng)險(xiǎn)。基于以上特點(diǎn)，生物制藥包括胰島素類(lèi)似物在內(nèi)[2]，其工藝開(kāi)發(fā)階段及整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程需要一種有效的方式確保產(chǎn)品的高質(zhì)量及工藝的穩(wěn)定性。

1 QbD理念

在美國(guó)食品藥品監(jiān)督管理局（Food and Drug Administration， FDA）和人用藥品注冊(cè)技術(shù)要求國(guó)際協(xié)調(diào)會(huì)（International Conference on Harmonization， ICH）相關(guān)政策的推動(dòng)下，質(zhì)量源于設(shè)計(jì)（Quality by Design， QbD）的理念漸漸成為制藥界的共識(shí)。ICH Q8指出，質(zhì)量不是通過(guò)檢驗(yàn)注入到終產(chǎn)品中的，而是通過(guò)設(shè)計(jì)賦予的。要獲得良好的設(shè)計(jì)，必須增加對(duì)產(chǎn)品的認(rèn)知和對(duì)生產(chǎn)的全過(guò)程控制[3]。FDA認(rèn)為，QbD是從產(chǎn)品開(kāi)發(fā)到形成工業(yè)化的精心設(shè)計(jì)，是對(duì)產(chǎn)品屬性及其與生產(chǎn)工藝之間關(guān)系的透徹理解，同時(shí)QbD也是動(dòng)態(tài)藥品生產(chǎn)管理規(guī)范（Current Good Manufacture Practice， cGMP）的基本組成部分，有助于GMP更好的實(shí)施[4]。

2 QbD理念的應(yīng)用流程及生產(chǎn)過(guò)程控制策略

2.1 QbD理念的應(yīng)用流程

應(yīng)用QbD理念，首先應(yīng)制定產(chǎn)品質(zhì)量目標(biāo)，即為了保證藥物制劑的安全性和有效性，根據(jù)產(chǎn)品預(yù)定用途及參考相關(guān)文獻(xiàn)確定給藥途徑、劑型劑量及質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。而后根據(jù)產(chǎn)品特點(diǎn)，結(jié)合風(fēng)險(xiǎn)分析研究結(jié)果確定產(chǎn)品關(guān)鍵質(zhì)量屬性（Critical Quality Attributes，CQAs），包括理化性質(zhì)、生物學(xué)性質(zhì)和其他質(zhì)量相關(guān)性質(zhì)，確保產(chǎn)品的CQAs在合理范圍內(nèi)是保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提。

關(guān)鍵工藝參數(shù)（Critical Process Parameters，CPP）由生產(chǎn)開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得來(lái)，其變異性會(huì)對(duì)CQAs產(chǎn)生影響，通過(guò)分析得到CPP與CQAs之間的關(guān)系，了解參數(shù)間的非獨(dú)立性，做到對(duì)工藝充分了解，鑒別并解釋關(guān)鍵變異的來(lái)源。

根據(jù)分析結(jié)果設(shè)定關(guān)鍵工藝參數(shù)的合理設(shè)計(jì)空間，在此設(shè)計(jì)空間中的各種工藝變化無(wú)需進(jìn)行進(jìn)一步的注冊(cè)審批，減少上市后的變更申報(bào)[5]。針對(duì)設(shè)計(jì)空間提出并建立有效的控制策略，最終建立在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)工藝參數(shù)即可保證產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性的生產(chǎn)工藝。具體流程見(jiàn)圖1。

2.2 生產(chǎn)過(guò)程控制策略

對(duì)于一個(gè)產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程的控制策略可以有很多種，目前過(guò)程分析技術(shù)（Process Analysis Technique，PAT）應(yīng)用較多。美國(guó)FDA的藥品評(píng)價(jià)研究中心在2004年的白皮書(shū)中提出了PAT的概念。PAT是實(shí)施QbD理念的有效工具，是指在生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)用相關(guān)儀器，采集關(guān)鍵性的過(guò)程參數(shù)和質(zhì)量指標(biāo)數(shù)據(jù)，或取樣后通過(guò)光譜、色譜或核磁等檢測(cè)儀器進(jìn)行檢測(cè)，而后進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析及模型建立過(guò)程，也就是設(shè)計(jì)空間的建立及控制策略形成的過(guò)程，目的在于找到最佳的過(guò)程控制點(diǎn)后呈現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控[6]。

此控制策略實(shí)現(xiàn)了在設(shè)計(jì)階段考慮如何確保產(chǎn)品質(zhì)量，控制藥品生產(chǎn)過(guò)程，保證其可靠性及穩(wěn)定性，避免只通過(guò)檢驗(yàn)中間體及終產(chǎn)品進(jìn)行質(zhì)量控制時(shí)的滯后性、污染風(fēng)險(xiǎn)高及原輔料浪費(fèi)現(xiàn)象的發(fā)生，提高工作效率，保證產(chǎn)品的安全性，同時(shí)降低了操作運(yùn)行成本。這樣一來(lái)工藝對(duì)加入物料變異性的限制減少，控制向上游轉(zhuǎn)移，使成品檢驗(yàn)最小化[7]。

PAT正在或已經(jīng)步入工業(yè)化階段，至今在制藥行業(yè)應(yīng)用廣泛，可分為離線PAT、在線PAT及近線PAT[8]，后兩種的特點(diǎn)是可以通過(guò)改進(jìn)過(guò)程連續(xù)性、縮短生產(chǎn)周期為企業(yè)降低操作成本，改善產(chǎn)品質(zhì)量，減少或防止廢品和再加工的發(fā)生，并為實(shí)時(shí)放行提供最大的可能。

3 胰島素類(lèi)似物生產(chǎn)中的過(guò)程控制策略

基因重組人胰島素相關(guān)制劑已上市多年，產(chǎn)品的臨床療效及安全性有一定的保障。近年來(lái)多種胰島素類(lèi)似物相關(guān)制劑陸續(xù)開(kāi)發(fā)，生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)尚淺，基于其生物制藥的本質(zhì)，工藝可變性較大，若是出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題，整批產(chǎn)品的廢棄或召回會(huì)對(duì)企業(yè)造成不小的損失，所以PAT這一生產(chǎn)過(guò)程控制方法顯示出必要性。該文討論在胰島素類(lèi)似物生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)用PAT的可能性，指導(dǎo)其產(chǎn)業(yè)穩(wěn)定化發(fā)展。

3.1 發(fā)酵工藝中的過(guò)程控制策略

近紅外光（Near Infrared，NIR）是介于可見(jiàn)光（VIS）和中紅外光（MIR）之間的電磁波，不同樣品對(duì)不同頻率近紅外光選擇性吸收，通過(guò)樣品后的近紅外光線在某些波長(zhǎng)范圍內(nèi)會(huì)變?nèi)?，透射出?lái)的紅外光線攜帶樣品組分和結(jié)構(gòu)的信息。通過(guò)檢測(cè)器分析透射或反射光線的光密度，就可以確定該組分的含量[9]。

發(fā)酵過(guò)程培養(yǎng)液的特點(diǎn)是組成復(fù)雜，通常氣、固、液3項(xiàng)共存，其組分和含量時(shí)刻在變化，目前培養(yǎng)過(guò)程中的物理參數(shù)，如流量、壓力、流速、攪拌速度等可以在線監(jiān)測(cè)和控制，而化學(xué)參數(shù)的在線檢測(cè)僅限于pH值及溶氧值比較普遍。發(fā)酵液中的碳源、氮源、生物量與產(chǎn)物量的多少是高度相關(guān)的，所以實(shí)時(shí)過(guò)程參數(shù)監(jiān)測(cè)有利于發(fā)酵生產(chǎn)條件的優(yōu)化，而以上這些指標(biāo)均屬于近紅外光譜（near infrared spectroscopy，NIRS）可以監(jiān)測(cè)的指標(biāo)范圍，結(jié)合偏最小二乘法建立的校正方法，監(jiān)測(cè)營(yíng)養(yǎng)成分及產(chǎn)物生成量的變化規(guī)律。光譜分析對(duì)樣品無(wú)破壞性，探頭能耐高溫高熱，提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，有助于優(yōu)化發(fā)酵工藝。

同樣基于以上原理，可以利用近紅外光譜分析菌株發(fā)酵過(guò)程中消耗原料量和產(chǎn)物生成量的定量模型，判斷菌株的發(fā)酵能力，最終開(kāi)發(fā)成為高通量篩選菌株的有效工具，可用于生產(chǎn)胰島素類(lèi)似物的高產(chǎn)量菌株的開(kāi)發(fā)。

3.2 凍干工藝中的過(guò)程控制策略

在胰島素類(lèi)似物凍干粉的凍干過(guò)程中應(yīng)用PAT進(jìn)行監(jiān)控時(shí)，首先要了解產(chǎn)品的熱力學(xué)特性[10]。預(yù)凍過(guò)程要關(guān)注過(guò)低溫度及冷凍時(shí)間對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的影響，可用低溫高分辨率顯微鏡裝置觀察并研究?jī)鼋Y(jié)過(guò)程中產(chǎn)品的晶體結(jié)構(gòu)，得出合適晶體結(jié)構(gòu)的制品凍結(jié)速率。凍干過(guò)程的關(guān)鍵參數(shù)，例如共晶點(diǎn)溫度、共熔點(diǎn)溫度、塌陷溫度、玻璃化轉(zhuǎn)變溫度等可由差示掃描量熱儀測(cè)定而得。

目前胰島素類(lèi)似物生產(chǎn)廠家可以利用溫度和壓力傳感器實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，指導(dǎo)凍干工序，也可用氣體質(zhì)譜分析儀監(jiān)測(cè)凍干終點(diǎn)及系統(tǒng)受污染或外界泄漏程度，而濕度傳感器分析儀則可以用于監(jiān)測(cè)過(guò)程中的水汽分壓來(lái)分析干燥過(guò)程及判斷干燥未點(diǎn)。上述過(guò)程控制策略均可以為凍干過(guò)程的順利進(jìn)行提供保障。

3.3 結(jié)晶工藝中的過(guò)程控制策略

同樣胰島素類(lèi)似物制劑的結(jié)晶過(guò)程亦可以應(yīng)用到PAT技術(shù)。到目前為止，多數(shù)藥物結(jié)晶還處于半技術(shù)、半科學(xué)的狀態(tài)，影響因素眾多，特別是過(guò)程參數(shù)。不同晶型分子中的某些化學(xué)鍵鍵長(zhǎng)、鍵角會(huì)有所不同，紅外光譜的某些主要特征如吸收帶頻率、峰形、峰強(qiáng)度等也會(huì)出現(xiàn)差異。所以在線紅外可用于在線檢測(cè)胰島素類(lèi)似物藥物晶型的轉(zhuǎn)變，并對(duì)其進(jìn)行量化分析，分析速度快，無(wú)污染無(wú)破壞性[11]。

拉曼光譜研究照射到物體上的非彈性散射效應(yīng)，由于拉曼譜線的數(shù)目、位移的大小及譜線的長(zhǎng)度直接與樣品分子振動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)有關(guān)，可直接通過(guò)光纖探頭或者通過(guò)玻璃、石英和光纖測(cè)量快速的提供定性定量分析結(jié)果，無(wú)需樣品準(zhǔn)備，無(wú)破壞性。而不同晶型的樣品其內(nèi)部分子鍵合方式或分子空間排列不同，所以快速的拉曼光譜分析可以幫助研發(fā)生產(chǎn)人員了解到結(jié)晶形成的過(guò)程及機(jī)理。水的拉曼散射很微弱，且譜峰清晰尖銳，所以該方法與紅外光譜相比更適于研究水溶液體系，分辨率高[11]，更適用于觀察胰島素類(lèi)似物制劑的結(jié)晶過(guò)程。

聚焦光束反射測(cè)量（FBRM）是一種相對(duì)較新的在線粒度監(jiān)測(cè)技術(shù)，通過(guò)捕捉聚焦光束在顆粒表面產(chǎn)生的部分散射光，進(jìn)行數(shù)據(jù)信號(hào)采集，分析顆粒的粒徑分布，測(cè)量顆粒尺寸范圍為0.25～1 000 μm。該方法可以動(dòng)態(tài)量化控制工藝參數(shù)對(duì)顆粒系統(tǒng)的影響，保證結(jié)晶工藝的穩(wěn)定性，也可以量化顆粒系統(tǒng)對(duì)下游性能（例如分散性等）的影響，同樣有助于胰島素類(lèi)似物制劑結(jié)晶工藝的優(yōu)化。

FBRM可以在線實(shí)時(shí)給出懸浮液中的粒子的粒度及粒子數(shù)量隨時(shí)間的變化的曲線。而顆粒圖像測(cè)量（PVM）可以實(shí)時(shí)反映結(jié)晶過(guò)程的晶體形貌特征，它自動(dòng)連續(xù)攝取和儲(chǔ)存單個(gè)的圖像并可用軟件在線或離線分析處理，得到顆粒數(shù)目、形狀、尺寸分布和變化曲線，直觀地觀測(cè)晶體的生長(zhǎng)情況，在線得到晶體粒徑分布結(jié)果，節(jié)約分析時(shí)間，有助于實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)放行。

若是在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用上述控制策略，即可以擺脫藥物結(jié)晶工藝的半技術(shù)、半科學(xué)狀態(tài)，將過(guò)程參數(shù)對(duì)晶體形成的影響降至最低，保證最終產(chǎn)品的質(zhì)量。

3.4 環(huán)境監(jiān)測(cè)中的過(guò)程控制策略

同于其他藥品生產(chǎn)，胰島素類(lèi)似物生產(chǎn)車(chē)間同樣涉及到環(huán)境監(jiān)測(cè)。PAT技術(shù)可以應(yīng)用到環(huán)境監(jiān)測(cè)的工作當(dāng)中，但是傳統(tǒng)培養(yǎng)時(shí)間較長(zhǎng)的微生物檢查法不可能被PAT所采用。最近開(kāi)發(fā)的一種被稱為“瞬間微生物檢測(cè)”（IMD）的光學(xué)技術(shù)可以測(cè)定存在于液體或空氣中的小粒子的數(shù)量和大小，同時(shí)還能檢測(cè)出每個(gè)粒子是惰性的還是具有生物活性的，該儀器能夠連續(xù)監(jiān)測(cè)潔凈室內(nèi)的空氣質(zhì)量，瞬間完成一系列工作[12]，達(dá)到環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的目的。通過(guò)特有的PharmaMaster 軟件，生產(chǎn)及質(zhì)量控制人員可以獲得并保存長(zhǎng)期的空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)，以此作為質(zhì)量控制的依據(jù)及趨勢(shì)分析的素材。

4 小結(jié)

生物藥品的特殊性突顯出了應(yīng)用QbD理念及過(guò)程控制策略的必要性。GMP是藥品生產(chǎn)和質(zhì)量管理的基本準(zhǔn)則，但是GMP在一定程度上也阻礙了制藥生產(chǎn)過(guò)程中的創(chuàng)新，企業(yè)通過(guò)GMP認(rèn)證后，對(duì)于藥品生產(chǎn)過(guò)程中的一切微小變動(dòng)都需要重新經(jīng)過(guò)相關(guān)部門(mén)的審閱和認(rèn)可。而QbD理念中“設(shè)計(jì)空間”提出這一概念，減少了上市后的變更申請(qǐng)，節(jié)省了大量的時(shí)間和文件。過(guò)程理解和產(chǎn)品風(fēng)險(xiǎn)是成反比例的，上述提到的過(guò)程控制策略可以在胰島素類(lèi)似物生產(chǎn)過(guò)程中實(shí)時(shí)反映產(chǎn)品質(zhì)量屬性的變化，分析其與工藝參數(shù)之間的關(guān)系，真正了解生產(chǎn)過(guò)程，實(shí)現(xiàn)有效控制。實(shí)行QbD理念的成本相對(duì)較高，國(guó)內(nèi)許多生物制藥企業(yè)規(guī)模較小，資金不足，對(duì)于這項(xiàng)提高產(chǎn)品質(zhì)量、節(jié)約成本的新技術(shù)僅僅停留在認(rèn)識(shí)階段，無(wú)法將其完整地融入到生產(chǎn)過(guò)程當(dāng)中。但是QbD這一理念代表著未來(lái)制藥行業(yè)的趨勢(shì)，雖然過(guò)程漫長(zhǎng)，相信在國(guó)內(nèi)各方力量的幫助下，在不久的將來(lái)生物制藥企業(yè)一定會(huì)完成這次完美的轉(zhuǎn)變。

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（收稿日期：2018-02-04）