不断增加的分子多样性正在产生对“重新发明”工艺开发和控制策略的需求。

分子多样性的增加导致了工艺开发和控制方面的更多挑战。生产和在线分析监测技术的进步并没有赶上当今候选药物管线中出现的创新候选药物和新兴模式。缺乏针对这些模式的预先确定的工艺和分析平台通常会导致更长的开发时间。新模式由于其复杂性而更难以完全表征，并且，一些高度复杂的检测需要数周才能完成。因此，质量属性的失败通常是在检测完成后才发现的。

关键原材料的供应链限制以数月至数年的交货期形式出现，这可能是另一个严重的生产瓶颈。冷链要求也限制了全球分销、存储和药物获得，尤其是在基础设施欠发达的地区。

生物制药生产商必须找到解决方案，以加速开发各种新候选药物，从而确保更快地为患者提供安全有效的新治疗方案。

多种新药物模式正在挑战生物制药开发商

治疗方式的快速演变目前正在发生，自体和异体细胞疗法、病毒载体、质粒 DNA (pDNA)、信使 RNA (mRNA) 和寡核苷酸疗法，正在被开发用于治疗传染病和肿瘤疫苗，根据 Cytiva  Fast Trak 总经理 Anne-Cecile Potmans 的说法，作为个性化药物，有些已经获得批准。双特异性抗体 (bsAb) 在工艺开发和控制方面也提出了新的挑战，Lonza生物药研发首席科学家 Thaddeus Webster 补充道。

“生物药，尤其是复杂或多模式疗法，是一个持续创新的领域，但由于各种原因难以放大、生产、储存和交付，”TFF Pharmaceuticals 产品开发总监 Don Owens 认为。

例如，Ownes指出，mRNA 疫苗在室温条件下长时间储存时不稳定，对剪切应力、热和氧化降解敏感，需要超低温 (-80˚C) 冷链储存，并且有效期短。此外，Sartorius 细胞培养技术市场部工艺技术经理 Jens-Christoph Matuszczyk 观察到，mRNA 通常以多种构建体存在，并且随着它的普及，修饰核苷酸和合成模板等工艺子品种已经使空间更加复杂。“再加上快速发展的知识产权格局，追求工艺开发的潜在途径变得多样化，”他说。

Matuszczyk 指出，运行 mRNA 工艺开发实验的商品成本也是一个挑战，并且存在许多不同的分析策略，每一种都有其自身的优点和缺点，这进一步导致了难以达成领域共识。此外，过程自动化技术仍处于初期阶段，尽管他认为新的工具包正在出现。

与此同时，Matuszczyk 表示，免疫细胞的供体间差异很大，这使得工艺表征和开发以及过程控制策略的建立都变得困难，特别是对于自体应用。“工艺开发工作通常使用健康供体细胞完成，与患者细胞相比，其特性可能非常不同，”他说。

缺乏自动化和实时分析也是干细胞工艺开发和控制的一个问题。关键原材料的交货时间长以及必须对从培养基准备到最终产品冷冻保存的许多不同步骤进行工艺开发的事实加剧了这种短缺。“一些工艺步骤是手动和‘开放’式的，以降低成本，因此技术转移和规模放大可能会出现问题，”Matuszczyk 评论道。

突破性药物中心副总裁兼工艺开发负责人 Avi Nandi 评论说，诱导多能干细胞 (iPSC) 是另一种即将大量出现的模式，其工艺挑战与诱导、定向分化和存储步骤相关。

Pfizer生物工艺研发和原料药供应副总裁 Ranga Godavarti 表示，重组腺相关病毒 (rAAV) 等基因治疗产品的工艺开发和控制由于其相对较高的剂量要求以及通常产量较低的工艺而面临重大挑战。同时，Nandi表示，由于不成熟的工艺理解，特别是早期临床批次、基因编辑和修饰的复杂性以及缺乏及时测量关键质量属性的能力，为小规模和复杂的细胞和基因（先进疗法）开发工艺和控制策略具有挑战性。

Pfizer分析研发副总裁 Meg Ruesch 表示，进行准确的检测是另一个困难。由于基因疗法的质量属性和功能难以衡量，分析资源可能成为工艺开发的瓶颈。“与众所周知的药物产品模式相比，可能需要更多的分析科学家，来开发有意义的样品分析和测试方法，”她说。

Potmans 总结说，行业需要新的工艺技术和方法，因此科学家需要学习、扩展他们的知识和专业技能，并使他们的技能组合多样化，因此存在一个“陡峭”的学习曲线。“从运营角度来看，也存在建立新平台和建立专门适应这些新模式的新生产线的挑战，”她评论道。

多样性导致复杂性

鉴于每种新产品模式都会带来一系列新挑战，Potmans 强调，管线多样性越大，工艺、分析、生产、设施、供应链和劳动力的复杂性就越大。“这些复杂性需要被识别、理解和克服。这包括确保有适当的原材料、耗材（填料、过滤器、细胞培养基、一次性产品等），有时还需要有设备可用于支持这些新模式的开发、制造和测试，这可能需要改造现有的解决方案或开发新的解决方案，”她解释道。

根据Godavarti的说法，许多新兴模式类别中也存在显著的多样性，这同样增加了复杂性。他特别提到了 AAV 载体，该载体具有基于特定组织靶向的多种血清型。“这些血清型中的每一种都具有独特的分子特征，需要新的工艺和分析方法，因此开发方法需要更多的时间和精力，”他说。

此外，工艺过程控制往往比那些对工艺有更好理解的传统生物药更复杂。“对于新兴的模式，我们还没有相同数量的工艺和分析知识来了解哪些分子属性对控制至关重要，从而导致更困难的控制策略，”Godavarti 观察到。此外，他指出，这些新模式通常需要新的原材料，而这些原材料不像已成熟的单克隆抗体 (mAb) 产品那样容易获得。最后，这些新模式在环境温度下的有限稳定性不仅影响提供最终便利剂型的能力，而且还需要最大限度地减少生产过程中的保持和处理时间。

Nandi 补充说，新模式的开发时间表通常非常快，这带来了额外的挑战，特别是考虑到在工艺开发过程中运行多个场景、以收集数据以进行监管备案和规模放大的愿望。“通过高通量表征及早获得足够的研究数据可以帮助避免以后的失败和风险，”他说。Nandi 补充说，这些问题经常因缺乏定制工艺和技术的经验而变得更加复杂，因此，人们一直关注提供培训和激励，以提高整个工艺开发组织的人才保留率。

双特异性抗体只是Webster强调的一个例子。“这些分子结合了两个不同的片段-抗原结合 (Fab) 臂，能够将两种不同的抗原结合成一种形式。确保生产的 bsAb 每次都具有正确的产品质量属性（即重链和轻链的正确配对），这对工艺开发和控制提出了传统生物药所没有的独特挑战，”他指出。

理想情况下，免疫-细胞工艺的实验应该以尽可能低的规模进行，以考虑到测试的成本和劳动力，这也可能使采样成为一个问题。干细胞生产需要工艺强化，以实现更好的成本并减少所需的时间和占地面积。

定制解决方案

据 Godavarti 称，许多传统的生物药已经生产了二十多年，因此积累了大量的“标准化”工艺和生产经验以及知识。“这些分子非常适合预先确定的工艺平台，仅需要很少的时间进行开发，并且可以更简单地转移生产技术。对于新出现的疗法，不存在这样的工艺和分析平台，”他说。

TFF Pharmaceuticals 工艺工程经理 Kayla Hannon 表示，因此，新兴模式通常需要定制生产和专用设备，这些设备可能过于复杂或昂贵，无法在内部开发。出于类似的原因，合同开发和制造组织 (CDMO) 通常找不到这种设备。“这些复杂的模式需要熟悉其新颖结构和组成并具有定制设备经验的制造商的专业知识，”她说。“此外，生物药本身就是一类非常多样化的材料，每种材料都有其独特的分析表征技术，需要专门的设备，以及训练有素的人员来操作该设备，并解释分析数据，”Hannon 指出。

Potmans 表示同意，寻找新平台和新分子评估模型既重要又具有挑战性。她还强调，制药管线内的分子多样化加强了对专业人才的需求。然而，与生物制药行业当前和未来的需求相比，人才库有限，产品多样化只会进一步加剧这种紧缺。设施也可能有不同的要求，例如专用设备、更严格的清洁程序和/或更高的生物安全水平。“新模式的制造商必须建立灵活的模块化生产平台来管理所有不同的细胞类型和模式，”Potmans 评论道。

在考虑特定模式时，平台工艺的缺乏是显而易见的。对于 mRNA，由于 mRNA（信使、自扩增、反式扩增、环状或非复制）和模板（基于微生物的环状质粒或合成线性 DNA）的不同类型，工艺和分析标准化是一项挑战，此外，还有不同的包封技术（脂质、纳米颗粒或脂质复合物）。“所有这些因素都促成了工艺步骤和所用技术的差异性，使得每个工艺都需要从头开始开发，”他指出。“由于 RNA 子品种的多样性以及工艺标准化程度较低，高开发需求与高商品成本和缺乏特定于 mRNA 的劳动力经验相结合，在该领域创造了真正的挑战，”Matuszczyk 总结道。

Nandi 评论说，细胞和基因疗法还包括各种高度复杂的产品类型，这些产品类型是使用各种定制的生产工艺制备的，通常涉及手动操作。异体细胞疗法支持治疗多名患者，可以使用健康的供体材料大批量生产，而自体治疗的原材料则来自同一位患者，并返回给同一位患者。

Nandi 说，体内和体外基因疗法也涉及不同的生产过程，前者通常利用病毒载体进行基因递送，而后者则作为自体产品。病毒载体的生产工艺也千差万别，面临着许多问题，从原材料的可变性到转染产量低，再到与典型的无菌生产单元操作不兼容，例如除菌过滤和泵灌装/计量。“在达到临床生产的数量要求之前，需要努力进行工艺开发和优化，”他认为。

过程分析和数字技术

从成本和产品质量的角度来看，减少手动任务对于新疗法的开发和生产变得越来越重要。对于自体和异体工艺，需要高通量解决方案来加快工艺开发并减少到达临床所需的时间。Matuszczyk 说，这样做是通过进一步部署更高的自动化、远程诊断以及实时过程监控和控制来实现的，从而显著减少手动操作，从而降低污染风险。“数据分析工具尤其能够优化工艺，进一步减少人工干预的需求，”他说。

然而，根据 Matuszczyk 的说法，过程分析技术 (PAT) 解决方案的实施对于新模式仍然具有挑战性，因为在某些自动化和传感器技术方面缺乏监管指导，例如测量多种分析物的光谱传感器，以及如何验证为在良好生产规范 (GMP) 设施中使用而生成的化学计量模型。

因此，Matuszczyk 观察到，通过在实验设计 (DoE) 研究期间同时测量多种分析物来实现质量源于设计（QbD）的方法的 PAT 解决方案非常重要。“从工艺开发到生产规模的集成式实时 PAT 技术，例如集成拉曼光谱，可以更快速地构建模型，并且更容易跨规模转移，以进行实时监测和控制，”他评论道。

根据 Matuszczyk 的说法，在细胞培养环境中保持无菌对于生产基于自体细胞的疗法也特别重要，其中，损失的批次会对要治疗的患者产生不利影响。因此，根据 Matuszczyk 的说法，通过使用入线、集成的一次性 PAT 工具测量代谢物、细胞活性或营养消耗，减少或消除手动步骤，能够降低批次污染的风险。

Webster 表示，还需要开发用于开发 bsAb 工艺的实时分析解决方案。“bsAb 生产工艺开发和控制的主要挑战之一是需要有足够的 PAT 来测量与传统 mAb 相同的产品质量属性（即 N-聚糖、电荷异构体等）和用于测量 bsAb 独有的产品质量属性（即正确配对、功能）的技术。当前的技术主要针对开发有效的离线分析工具，但无法提供近线和入线 PAT 工具所提供的工艺理解和控制水平，”他评论道。

“将针对所需产品质量属性的离线分析转变为通过采样的近线（即质谱）或通过多参数工艺监测的入线分析，仍然是一个需要解决的差距，”Webster 补充道。对于某些 bsAb 属性，可以应用为 mAb 开发的 PAT 工具，从而腾出时间开发新的分析技术，来测量和监控 bsAb 独有的产品质量属性。

一般来说，生物工艺中的数字化解决方案对于克服临床管线中分子多样性带来的一些工艺开发和控制挑战至关重要。Potmans 表示，除了 PAT 之外，模拟工具还可以更快地开发更稳健的工艺。“将为市场带来未来疗法的集成工艺开发的数字生态系统将专注于工艺建模、安全可靠的基于云的人工智能 (AI) 以及有限但重点突出的经验测试，”她认为。“数字化解决方案将改善对工艺和产品的理解、优化和控制，进而显著提高速度和质量，同时随着疗法在开发阶段的行进而显著降低风险，”Potmans 解释说。

Godavarti 说，用于计算机模拟的数字工具也将能够预测放大性能，从而增加工艺知识。此外，建模方法可以扩展到分析领域，例如稳定性研究。

Matuszczyk 补充说，机器学习等技术将有助于从大量数据中获得洞察力。“许多公司正在实施从工艺开发到商业化生产的数字赋能方法，以加快上市时间并降低风险，利用历史数据（例如细胞系、克隆、产品产量、生长曲线）来帮助模型驱动方法，以更快地开发和生产新的疫苗和疗法，”他说。

“重新发明”工艺开发和控制

Godavarti说，行业正在开发针对这些新兴领域的新技术和创新上进行战略投资。他补充说，来自其它模式的工具和知识（高通量筛选、PAT、数字技术）被应用于这些新兴领域，以提高效率。“将基于分子生物学的方法（如测序和聚合酶链反应测试）与可靠的、基于体外细胞的活性分析相结合是成功的关键，”Godavarti 观察到。

例如，在 mRNA 开发中，Matuszczyk 指出了工艺开发的新趋势。非常小体积的早期筛选通常使用端点分析作为唯一的数据点，并使用更大的体积来研究使用补料分批模式和 PAT 的更复杂的工艺设计，例如用于实时测量三磷酸核苷消耗的拉曼光谱。对于干细胞，他指出，在研发阶段需要全面优化和表征工艺，然后在工艺开发过程中使用集成、自动化和封闭的端到端工艺，之后再将技术转移到生产，以避免返工，节省时间，降低成本。

使用称为薄膜冷冻的快速冷冻工艺是工艺开发创新的另一个例子。这种方法能够将生物制剂制成干粉剂，具有更高的稳定性，但不会损失结构和治疗完整性。TFF Pharmaceuticals 正在推进这项技术，将其作为一种平台技术，以改进复杂药物模式的制剂，包括疫苗、小分子和生物制剂。根据 Hannon 的说法，这种方法具有多项关键优势，包括由于雾化特性（即吸入或鼻内给药）而获得更方便的给药途径，以及由于温度稳定性而无需超冷链储存。

Nandi 表示，与此同时，统计过程控制方法的使用使操作员相信过程遵守控制参数。此外，如果一个过程趋向于超出规范的方向，这些系统会提供通知，以便在问题出现之前采取行动，通常可以防止高价值产品的损失。

开发一个稳定的生产系统，将所有组件集成到一条稳定的生产线中，是另一种随着新兴药物模式的成熟而更常见的策略。突破性药物中心正在开发一种用于病毒载体生产的系统，该系统类似于用于生产 mAb 的系统，并且可以获得 5-25 倍的产品。据 Nandi 称，该中心还建立了一个中试工厂，可以在非 GMP 规模上进行 GMP 生产。

创新必不可少

Godavarti 表示，所有新兴模式的未来挑战包括建立平台技术以及建立足够的工艺知识，以便简化工艺表征和控制策略的工作流程。他补充说，其它重点领域包括确定提高稳定性、产量和保证 GMP 级新型原材料可用性的方法。

Potmans 强调需要在新模式方面提高 CDMO 的能力。Owens 补充说，外包和其它战略合作伙伴关系需要相关各方的大量规划和财务支持。Owens 观察到，总体而言，管理供应链也将继续成为所有药品的问题。

“行业将继续强烈需要开发创新制剂、分析表征和先进的过程控制技术，旨在改进复杂药物模式的开发，以规避生产、加工和物流的一些延误，”Hannon补充道。Matuszczyk 表示同意，简化生产流程对于未来的成功至关重要（例如，通过增加对免疫细胞治疗生产工艺的自动化和封闭系统的使用，或减少干细胞生产所需的步骤）。此外，研究人员目前正在研究体内免疫细胞的生成，如果成功，这将为患者的治疗增加一个全新的复杂性水平。

Owens 观察到，需要继续改进利用替代递送途径的产品，以改善某些疾病的患者预后，以及在通过传统途径给药时可能具有稳定性和其它挑战的方式。“这些其它途径可能会使用比传统无菌注射产品更快实施和使用的测试和控制，”他解释说。虽然随着分子多样性的增加肯定需要解决多个挑战，但令人欣慰的是，专家认为存在与其相匹配的创新解决方案的数量和类型。

原文：C.A. Challener, “Process Development and Control for New Modalities,” BioPharm International 35 (11) (2022).