恒歌醫(yī)藥微米過濾器定制

過濾在生物制藥生產(chǎn)過程中被廣泛使用，用于去除工藝雜質(zhì)和污染物(顆粒、病毒)以及控制生物負荷。因此，成功的過濾操作對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，過濾的作用也在不斷發(fā)展。

優(yōu)化過濾步驟、以提高產(chǎn)量和產(chǎn)品回收率，同時實現(xiàn)可接受的工藝經(jīng)濟性，這變得越來越具有挑戰(zhàn)性。過濾技術(shù)供應(yīng)商、生物制藥制造商和監(jiān)管機構(gòu)之間的合作使得開發(fā)和采用新解決方案來應(yīng)對這些挑戰(zhàn)成為可能。

需要管理的幾種過濾技術(shù)

某過濾管理研發(fā)科學(xué)高管 表示，過濾技術(shù)主要分為四類。它們包括預(yù)過濾器，例如用于初步澄清的深層過濾器;用于對最終產(chǎn)品進行滅菌的膜過濾器，也用于在二次澄清或病毒滅活 (VI) 后降低生物負荷;用于去除外來和內(nèi)源性病毒的除病毒過濾器;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)的切向流過濾器。

某病毒載體下游工藝開發(fā)總監(jiān)指出，深層過濾、切向流過濾 (TFF) 和除菌過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。“膜材料和截留分子量 (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，供應(yīng)商還專注于無菌 TFF 技術(shù)，以便在必要時實現(xiàn)封閉式工藝，”他說。

雖然深層過濾器主要用于去除細胞和細胞碎片，并降低細胞收獲時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濾器，以在精純層析之前降低濁度和雜質(zhì)。同時，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)深層過濾器都是無紡布介質(zhì)層或用纖維加固并形成薄片的二氧化硅介質(zhì)。“深層過濾器的傳統(tǒng)材料是纖維素和硅藻土 (DE，有機二氧化硅)，它們與帶正電荷的樹脂結(jié)合在一起，以結(jié)合核酸污染物。”正電荷有助于去除核酸污染物。二氧化硅(無論是 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越多地被使用。

生物制造中的膜過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(例如 0.2 μm)過濾器，用于許多單元操作中的生物負荷控制，并確保最終藥品在灌裝/完成過程中的無菌性。

用于除菌過濾的膜過濾器通常由表面改性聚醚砜 (PES) 制成，無論是載量還是通量，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)性的進料;0.1 μm產(chǎn)品用于保護隔絕生物反應(yīng)器周圍的支原體;以及單層產(chǎn)品用于高速緩沖液過濾。

觀察到，TFF 過濾器通常由再生纖維素制成，用于高價值應(yīng)用(mAb、病毒載體)和使用有機溶劑(PES 不兼容)時，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，因為它們易于放大并且可以重復(fù)使用，但他指出，在臨床生產(chǎn)活動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。

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

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

中空纖維膜還可以用于納濾裝置，以清除內(nèi)源性和外來病毒。“由于病毒體積小(通常小于 100 nm)，膜過濾可以高效去除病毒，同時允許藥物通過”。

納米濾過濾器在哺乳動物的生物工藝中無處不在，因為它們能夠有效去除內(nèi)源性和外來病毒。

不同的藥物模式帶來不同的過濾挑戰(zhàn)

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

單克隆抗體(mAb)

盡管單抗的生產(chǎn)平臺已經(jīng)很完善，但近年來，過濾方面的挑戰(zhàn)在各個方面都顯著增加。上游細胞培養(yǎng)的改進使生產(chǎn)滴度從十年前的 1-2 g/L 提高到 5-10 g/L 或更高。“滴度的提高通常伴隨著更高的細胞密度(補料分批培養(yǎng)中高達 40 x 10^6 cells/mL)、更高的濁度以及必須去除的雜質(zhì) [宿主細胞蛋白 (HCP) 和宿主細胞 DNA] 的增加”。

由于用于皮下給藥的產(chǎn)品濃度越來越高(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。“在生產(chǎn)環(huán)境中管理這些高壓可能是一個問題，”他說。除菌過濾也很困難，因為高粘度需要較低的流速，這會導(dǎo)致工藝時間延長。

“過大的除菌過濾器可以彌補這一缺陷，但滯留體積會導(dǎo)致產(chǎn)品稀釋，從而產(chǎn)生新的問題，”

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)品的過濾性能存在差異。此外，需要較低的產(chǎn)品濃度才能實現(xiàn)足夠高的通量和較短的工藝時間，這與更高濃度的趨勢背道而馳，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化和體積降低措施。

病毒載體

市場上大多數(shù)深層過濾器的設(shè)計都考慮到了帶正電荷的 mAb 的澄清，這會極大地影響病毒載體的回收率。許多深層過濾器的二氧化硅成分和正電荷通常與 LV 載體結(jié)合得相當牢固，因為它們都很大并且?guī)в袃糌撾姾伞?/p>

腺相關(guān)病毒 (AAV) 載體雖然比 LV 小，但也帶負電荷，現(xiàn)有的深層過濾器由于對于兩種載體都會導(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濾器。

慢病毒除菌過濾通常會導(dǎo)致過濾載量低和回收率低。這是因為慢病毒體積大且容易聚集，這使其無法輕易通過除菌級膜過濾器(0.22 μm 或更小)。

病毒載體(尤其是 LV)的另一個具有挑戰(zhàn)性的過濾步驟是除病毒過濾，以去除不需要的病毒污染物。事實上，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濾器。

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

然而，使用完全封閉的無菌工藝可以避免除菌過濾，這本身也帶來了一系列挑戰(zhàn)。Beckett強調(diào)，需要有合適孔徑的封閉式無菌設(shè)備來進行 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

由于核酸帶有很強的負電荷，質(zhì)粒 DNA (pDNA) 產(chǎn)品在澄清深層過濾方面與病毒載體存在類似的問題。Beckett說，pDNA 的收率可能相當?shù)停彝ǔＰ枰淖兣浞胶?或使用不帶電的介質(zhì)。

當前的一些進步

盡管膜介質(zhì)所用的化學(xué)技術(shù)正在取得進展，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)計的新方法有關(guān)。“因此，必須在整個生物工藝行業(yè)的更廣泛背景下看待這些進步，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方面。

因此，盡管已經(jīng)引入了新的解決方案，但過濾技術(shù)的許多最新進展都是漸進式的，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”。

單程 TFF (SPTFF) 是現(xiàn)有技術(shù)的新應(yīng)用示例。“這種新的操作模式(而不是新的過濾器類型)正越來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，現(xiàn)在終于被工業(yè)界采用，因為如果開發(fā)得當，SPTFF 可實現(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)性是一個考慮因素

在考慮潛在的新型過濾技術(shù)時，與生物工藝開發(fā)和制造的所有方面一樣，評估其對生物制藥生產(chǎn)運營可持續(xù)性的潛在影響至關(guān)重要。“任何新產(chǎn)品/設(shè)備/技術(shù)的設(shè)計都必須考慮到可持續(xù)性，”這種設(shè)計可以減少沖洗用水量、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行高性能完整性測試。

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

值得注意的進步

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

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)。“這種方法利用一次性囊式濾器中的 Q 化學(xué)功能化纖維床來澄清收獲的細胞培養(yǎng)液，并將過濾器式流穿操作的簡易性和可放大性與層析法的分離精度相結(jié)合”。

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

對于細胞和基因治療領(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。他強調(diào)，功能化纖維床和聚合物涂層微球可提供類似過濾器的流穿功能，同時通過尺寸、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。“隨著該領(lǐng)域的發(fā)展，我們很可能會看到更先進的類似過濾器的工藝技術(shù)，這些技術(shù)采用先進的物理和化學(xué)作為分離機制的核心”。

在除菌過濾領(lǐng)域，設(shè)備設(shè)計的基本改進包括能夠在灌裝/完成隔離器內(nèi)進行現(xiàn)場完整性測試。更先進的發(fā)展包括改進膜，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。

后者的一個例子是 Cytiva 的新型除菌過濾技術(shù)，該技術(shù)解決了高顆粒負載導(dǎo)致過濾器過早堵塞的問題，從而解決了與高濃度生物進樣料液相關(guān)的挑戰(zhàn)。“這種新型除菌過濾器可以提供高吞吐量，而無需加大尺寸，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)的問題。

該領(lǐng)域正在考慮的另一個問題是，是否需要經(jīng)過驗證的除菌級過濾器來進行中間過濾，以控制單元操作之間的生物負荷/顆粒，并且通常用于保護層析柱免受污染和早期下游操作中非關(guān)鍵緩沖液的過濾。

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

最近發(fā)布的備受期待的 EudraLex 第 4 卷附件 I 更新版關(guān)于無菌產(chǎn)品的生產(chǎn)，非常明確地列出了對膜過濾的監(jiān)管要求。“某些要求，尤其是關(guān)于使用前滅菌后完整性測試 (PUPSIT) 的要求，推動了膜過濾的創(chuàng)新和技術(shù)進步，以確保現(xiàn)在和將來的監(jiān)管合規(guī)性，”

TFF 技術(shù)的進步包括開放式超濾膜系列(標稱截留分子量為 300-1000 kDa)，該系列膜在膜制造過程中的孔徑控制問題已經(jīng)得到克服，從而提供了更為強大的分離解決方案;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)備可減少臨時臨床活動的驗證開銷，并允許封閉工藝，以確保產(chǎn)品和/或操作員的安全。

對于除病毒過濾，進展主要集中在進一步提高現(xiàn)有膜的高載量和穩(wěn)健性，以支持更臟的進料和更具挑戰(zhàn)性的產(chǎn)品，例如雙特異性抗體。他補充說，至于其它過濾應(yīng)用，隨著強化、集成和封閉工藝的需求越來越大，可輻照的封閉設(shè)計也正在整個行業(yè)中開發(fā)中。

合作對發(fā)展至關(guān)重要

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

制造商在開發(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)品進入市場的絕佳方式，”觀察到，與供應(yīng)商合作還可以提供機會評估早期開發(fā)的產(chǎn)品并提供反饋意見以改進設(shè)計和性能。

改變預(yù)期

隨著生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，過濾的基本理念已經(jīng)取得了長足進步。隨著生物工藝設(shè)計的發(fā)展，Zell 預(yù)計會看到更多具有創(chuàng)造性和令人興奮的類似過濾器的分離技術(shù)。

“完全流穿式生物制藥工藝的基本前提即將出現(xiàn)，未來先進的過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，因此所需的產(chǎn)量更少。

“過濾技術(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，過濾技術(shù)必須更小、更便宜和/或更快，這是生物工藝強化的三個基本要素”。

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