QbD理念及胰島素類似物生產中的過程控制策略

常曉慧

[摘要] 闡述質量源于設計（Quality by Design， QbD）理念提出的背景及應用流程，說明過程分析技術（Process Analysis Technique，PAT）可以提高胰島素類似物生產效率及產品質量。查閱相關領域文獻，結合胰島素類似物生產工藝特點，說明在該領域應用PAT的可能性。PAT幫助研發生產人員真正了解產品屬性及生產工藝，QbD理念代表著未來生物制藥行業的發展趨勢。

[關鍵詞] 質量源于設計；過程分析技術；胰島素類似物；質量；綜述

[中圖分類號] R95 [文獻標識碼] A [文章編號] 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、生物技術、藥學等科學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，其種類包括基因工程藥物、抗體藥物、血液制品及疫苗[1]。基因重組人胰島素制劑于1982年上市，是第一個獲批的基因工程重組藥物[2]，生產工藝成熟。近年來多種胰島素類似物產品上市或處于研發階段，生產經驗尚淺。生物制藥不同于傳統制藥，其生產規模大，對配套技術要求高，資金投入大，項目成功投產后收益可觀，但同時也伴隨著較高的風險。基于以上特點，生物制藥包括胰島素類似物在內[2]，其工藝開發階段及整個生產過程需要一種有效的方式確保產品的高質量及工藝的穩定性。

1 QbD理念

在美國食品藥品監督管理局（Food and Drug Administration， FDA）和人用藥品注冊技術要求國際協調會（International Conference on Harmonization， ICH）相關政策的推動下，質量源于設計（Quality by Design， QbD）的理念漸漸成為制藥界的共識。ICH Q8指出，質量不是通過檢驗注入到終產品中的，而是通過設計賦予的。要獲得良好的設計，必須增加對產品的認知和對生產的全過程控制[3]。FDA認為，QbD是從產品開發到形成工業化的精心設計，是對產品屬性及其與生產工藝之間關系的透徹理解，同時QbD也是動態藥品生產管理規范（Current Good Manufacture Practice， cGMP）的基本組成部分，有助于GMP更好的實施[4]。

2 QbD理念的應用流程及生產過程控制策略

2.1 QbD理念的應用流程

應用QbD理念，首先應制定產品質量目標，即為了保證藥物制劑的安全性和有效性，根據產品預定用途及參考相關文獻確定給藥途徑、劑型劑量及質量標準。而后根據產品特點，結合風險分析研究結果確定產品關鍵質量屬性（Critical Quality Attributes，CQAs），包括理化性質、生物學性質和其他質量相關性質，確保產品的CQAs在合理范圍內是保證產品質量的前提。

關鍵工藝參數（Critical Process Parameters，CPP）由生產開發經驗總結及實驗數據得來，其變異性會對CQAs產生影響，通過分析得到CPP與CQAs之間的關系，了解參數間的非獨立性，做到對工藝充分了解，鑒別并解釋關鍵變異的來源。

根據分析結果設定關鍵工藝參數的合理設計空間，在此設計空間中的各種工藝變化無需進行進一步的注冊審批，減少上市后的變更申報[5]。針對設計空間提出并建立有效的控制策略，最終建立在一定范圍內調節工藝參數即可保證產品質量穩定性的生產工藝。具體流程見圖1。

2.2 生產過程控制策略

對于一個產品生產過程的控制策略可以有很多種，目前過程分析技術（Process Analysis Technique，PAT）應用較多。美國FDA的藥品評價研究中心在2004年的白皮書中提出了PAT的概念。PAT是實施QbD理念的有效工具，是指在生產過程中應用相關儀器，采集關鍵性的過程參數和質量指標數據，或取樣后通過光譜、色譜或核磁等檢測儀器進行檢測，而后進行數據的分析及模型建立過程，也就是設計空間的建立及控制策略形成的過程，目的在于找到最佳的過程控制點后呈現實時監控[6]。

此控制策略實現了在設計階段考慮如何確保產品質量，控制藥品生產過程，保證其可靠性及穩定性，避免只通過檢驗中間體及終產品進行質量控制時的滯后性、污染風險高及原輔料浪費現象的發生，提高工作效率，保證產品的安全性，同時降低了操作運行成本。這樣一來工藝對加入物料變異性的限制減少，控制向上游轉移，使成品檢驗最小化[7]。

PAT正在或已經步入工業化階段，至今在制藥行業應用廣泛，可分為離線PAT、在線PAT及近線PAT[8]，后兩種的特點是可以通過改進過程連續性、縮短生產周期為企業降低操作成本，改善產品質量，減少或防止廢品和再加工的發生，并為實時放行提供最大的可能。

3 胰島素類似物生產中的過程控制策略

基因重組人胰島素相關制劑已上市多年，產品的臨床療效及安全性有一定的保障。近年來多種胰島素類似物相關制劑陸續開發，生產經驗尚淺，基于其生物制藥的本質，工藝可變性較大，若是出現質量問題，整批產品的廢棄或召回會對企業造成不小的損失，所以PAT這一生產過程控制方法顯示出必要性。該文討論在胰島素類似物生產過程中應用PAT的可能性，指導其產業穩定化發展。

3.1 發酵工藝中的過程控制策略

近紅外光（Near Infrared，NIR）是介于可見光（VIS）和中紅外光（MIR）之間的電磁波，不同樣品對不同頻率近紅外光選擇性吸收，通過樣品后的近紅外光線在某些波長范圍內會變弱，透射出來的紅外光線攜帶樣品組分和結構的信息。通過檢測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]。

發酵過程培養液的特點是組成復雜，通常氣、固、液3項共存，其組分和含量時刻在變化，目前培養過程中的物理參數，如流量、壓力、流速、攪拌速度等可以在線監測和控制，而化學參數的在線檢測僅限于pH值及溶氧值比較普遍。發酵液中的碳源、氮源、生物量與產物量的多少是高度相關的，所以實時過程參數監測有利于發酵生產條件的優化，而以上這些指標均屬于近紅外光譜（near infrared spectroscopy，NIRS）可以監測的指標范圍，結合偏最小二乘法建立的校正方法，監測營養成分及產物生成量的變化規律。光譜分析對樣品無破壞性，探頭能耐高溫高熱，提供實時數據，有助于優化發酵工藝。

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

3.2 凍干工藝中的過程控制策略

在胰島素類似物凍干粉的凍干過程中應用PAT進行監控時，首先要了解產品的熱力學特性[10]。預凍過程要關注過低溫度及冷凍時間對產品質量的影響，可用低溫高分辨率顯微鏡裝置觀察并研究凍結過程中產品的晶體結構，得出合適晶體結構的制品凍結速率。凍干過程的關鍵參數，例如共晶點溫度、共熔點溫度、塌陷溫度、玻璃化轉變溫度等可由差示掃描量熱儀測定而得。

目前胰島素類似物生產廠家可以利用溫度和壓力傳感器實時采集數據，指導凍干工序，也可用氣體質譜分析儀監測凍干終點及系統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測過程中的水汽分壓來分析干燥過程及判斷干燥未點。上述過程控制策略均可以為凍干過程的順利進行提供保障。

3.3 結晶工藝中的過程控制策略

同樣胰島素類似物制劑的結晶過程亦可以應用到PAT技術。到目前為止，多數藥物結晶還處于半技術、半科學的狀態，影響因素眾多，特別是過程參數。不同晶型分子中的某些化學鍵鍵長、鍵角會有所不同，紅外光譜的某些主要特征如吸收帶頻率、峰形、峰強度等也會出現差異。所以在線紅外可用于在線檢測胰島素類似物藥物晶型的轉變，并對其進行量化分析，分析速度快，無污染無破壞性[11]。

拉曼光譜研究照射到物體上的非彈性散射效應，由于拉曼譜線的數目、位移的大小及譜線的長度直接與樣品分子振動或轉動能級有關，可直接通過光纖探頭或者通過玻璃、石英和光纖測量快速的提供定性定量分析結果，無需樣品準備，無破壞性。而不同晶型的樣品其內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生產人員了解到結晶形成的過程及機理。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似物制劑的結晶過程。

聚焦光束反射測量（FBRM）是一種相對較新的在線粒度監測技術，通過捕捉聚焦光束在顆粒表面產生的部分散射光，進行數據信號采集，分析顆粒的粒徑分布，測量顆粒尺寸范圍為0.25～1 000 μm。該方法可以動態量化控制工藝參數對顆粒系統的影響，保證結晶工藝的穩定性，也可以量化顆粒系統對下游性能（例如分散性等）的影響，同樣有助于胰島素類似物制劑結晶工藝的優化。

FBRM可以在線實時給出懸浮液中的粒子的粒度及粒子數量隨時間的變化的曲線。而顆粒圖像測量（PVM）可以實時反映結晶過程的晶體形貌特征，它自動連續攝取和儲存單個的圖像并可用軟件在線或離線分析處理，得到顆粒數目、形狀、尺寸分布和變化曲線，直觀地觀測晶體的生長情況，在線得到晶體粒徑分布結果，節約分析時間，有助于實現實時放行。

若是在實際生產中應用上述控制策略，即可以擺脫藥物結晶工藝的半技術、半科學狀態，將過程參數對晶體形成的影響降至最低，保證最終產品的質量。

3.4 環境監測中的過程控制策略

同于其他藥品生產，胰島素類似物生產車間同樣涉及到環境監測。PAT技術可以應用到環境監測的工作當中，但是傳統培養時間較長的微生物檢查法不可能被PAT所采用。最近開發的一種被稱為“瞬間微生物檢測”（IMD）的光學技術可以測定存在于液體或空氣中的小粒子的數量和大小，同時還能檢測出每個粒子是惰性的還是具有生物活性的，該儀器能夠連續監測潔凈室內的空氣質量，瞬間完成一系列工作[12]，達到環境實時監測的目的。通過特有的PharmaMaster 軟件，生產及質量控制人員可以獲得并保存長期的空氣質量數據，以此作為質量控制的依據及趨勢分析的素材。

4 小結

生物藥品的特殊性突顯出了應用QbD理念及過程控制策略的必要性。GMP是藥品生產和質量管理的基本準則，但是GMP在一定程度上也阻礙了制藥生產過程中的創新，企業通過GMP認證后，對于藥品生產過程中的一切微小變動都需要重新經過相關部門的審閱和認可。而QbD理念中“設計空間”提出這一概念，減少了上市后的變更申請，節省了大量的時間和文件。過程理解和產品風險是成反比例的，上述提到的過程控制策略可以在胰島素類似物生產過程中實時反映產品質量屬性的變化，分析其與工藝參數之間的關系，真正了解生產過程，實現有效控制。實行QbD理念的成本相對較高，國內許多生物制藥企業規模較小，資金不足，對于這項提高產品質量、節約成本的新技術僅僅停留在認識階段，無法將其完整地融入到生產過程當中。但是QbD這一理念代表著未來制藥行業的趨勢，雖然過程漫長，相信在國內各方力量的幫助下，在不久的將來生物制藥企業一定會完成這次完美的轉變。

[參考文獻]

[1] 張蕊，田鵬.生物制藥產業現狀分析及我國企業的發展戰略[J].工業工程與管理，2005（5）：107-112.

[2] 林新中.基因重組藥物及其臨床應用[J].三峽藥學，1999，11（2）：1-3.

[3] 孫笛.過程分析技術在兩種中藥注射液生產過程中的應用研究[D].杭州：浙江大學，2012.

[4] 陳桂良，王麟達，李慧義，等.藥品質量標準制訂的QbD理念初探[J].上海醫藥，2012，33（9）：46-49.

[5] 董芹，臧恒昌，劉愛華，等.過程分析技術在制藥領域的應用及對我國制藥行業的啟示[J].中國藥學雜志，2010，45（12）：881-884.

[6] 姚志湘，粟暉，許文強，等.過程分析技術的理念與發展[J].廣西工學院學報，2010，21（1）：5-9.

[7] 陸婉珍，褚小立.近紅外光譜（NIR）和過程分析技術（PAT）[J].現代科學儀器，2007（4）：13-17.

[8] 張惠，劉愛華，臧恒昌，等.近紅外光譜分析技術用于發酵工藝研究進展[J].中國生化藥物雜志，2012，33（5）：689-691.

[9] 謝新華，肖昕，李曉方，等.近紅外光譜技術在糧油檢測中的應用[J].糧食與食品工業，2003（4）：55-58.

[10] 張耀平.凍干過程PAT及方案設計[J].機電信息，2009，4（11）：27-30.

[11] 劉勝，侯靜美，龔俊波，等.在線過程分析技術在抗生素等藥物結晶中的應用[J].中國抗生素雜志，2010，35（11）：801-808.

[12] 蔣箭平，黃躍.瞬間微生物檢測技術與應用[J].機電信息，2008，6（29）：29-31.

（收稿日期：2018-02-04）