不同分子结构粉针注射冻干工艺特点分析

杨春生 郭柏松

（上海东富龙科技股份有限公司，上海 201108）

不同分子结构粉针注射冻干工艺特点分析

杨春生 郭柏松

（上海东富龙科技股份有限公司，上海 201108）

描述了不同种类的注射剂粉针在冻干制备过程中的特点，结合各种制品冻干前的生产工艺和各自的关键质量属性，侧重分析了制品在冻干过程中现象的机理，并讨论了相应的应对方法。

冻干工艺；化学药物；疫苗；单抗；血液制品；中药提取物

冻干工艺（即冷冻干燥工艺或真空冷冻干燥工艺），是指把某物质水溶液冷冻到其共晶点温度或玻璃化温度以下，使其凝结为固体，随后给予适当的真空度，以及一定的温度进行除水的过程。在此过程中，利用水的升华特性使冰直接升华为水蒸气，同时水蒸气被冷凝器（捕水器）捕捉成为液态水，从而使物料低温脱水而达到干燥目的[1]。

这个过程包括三个彼此独立又相互依赖的步骤：预冻、一次干燥（升华）以及二次干燥 （解吸附），如图1所示。

图1 冻干过程示意Fig.1 Description of lyophilization process

冷冻干燥过程的研究从简单的小分子化学药品为起始点，由于小分子化学药品性质稳定、制剂成分简单，成为普遍的实验室研究对象。对于小分子化合物的冻干过程来说，被广泛证明：共晶点是影响冻干过程成败与否的重要物料属性。该质量属性受产品本身处方和预冻过程的影响，同时也影响着一次升华过程。

从广义的角度来说，冻干过程的研究并非如此简单。东富龙注射剂实验室通过对1 000余种注射剂溶液的冻干工艺研究，发掘出不同类型的物质溶液除对共晶点依赖以外，各有自身冻干的特点。本文对注射剂药物进行分类表述，探讨各种注射剂药物的冻干过程特点。

理论而言，任何的药物分子均有可能在当下或在未来制备成冻干注射剂。结合与冻干工艺的关系，注射剂可分为小分子药物和大分子药物注射剂，简单注射剂与复杂注射剂，或普通药物注射剂与发酵类药物注射剂等。通常所说的化学药物、疫苗、血液制品、单抗类药物、中药提取物等代表性种类均属于上述范围的某一类。本文将按照此分类对冻干工艺过程进行简单的讨论。

1 化学药物的冻干特点

对于小分子化学药物（如图2）的冻干，溶液的共晶点较为重要，它是测试冻干曲线的主要依据。

预冻时，产品水溶液必须冷冻到共晶点以下的温度；而升华时，又不能超过该温度，因此共晶点温度是产品预冻阶段和一次升华阶段的最高许可温度。

同时，另一个重要因素是溶液的浓度，它能影响冻干的时间和产品的质量，浓度太高或太低均对冻干不利。太高则升华阻力较大，周期较长；太低则无法获得完整的粉饼。就经验而言，冻干产品的浓度一般应控制在4 % ～ 25 %之间。

由于大多数药品都要求含有较低的残留水分和较快的升华速度，因此为了达到这个目的，冷凝器的极限温度必须低到一定的温度以确保水的凝结，比如在-60 ℃或以下。

冻干过程中冻干机是按照产品的冻干工艺曲线进行的，如果产品数量和冻干机状态变化不大的话，各关键控制点的数据应与设置的曲线接近。在生产中，需要密切关注搁板温度、制品温度、冷凝器温度、真空度等数值，确保其在安全范围内。

在严格控制上述关键工艺参数的情况下，一个具有优良外观和关键质量属性的冻干化学药物注射剂是可以期待的[2-4]。

图2 小分子化学药物（奥美拉唑）示例Fig.2 Example of chemical drug with small molecule（Omeprazole）

2 疫苗类注射剂的冻干特点

疫苗通常是以病原微生物或其组成成分、代谢产物为起始材料，采用生物技术手段制备而成，用于预防、治疗人类相应疾病的生物制品。

疫苗接种人体后可刺激免疫系统产生特异性体液免疫和（或）细胞免疫应答，使人体获得对相应病原微生物的免疫力。疫苗按其组成成分和生产工艺可分为以下类型：

◆ 灭活疫苗

◆ 减毒活疫苗

◆ 亚单位疫苗

◆ 基因工程重组蛋白疫苗

◆ 其他类疫苗

按照与冻干过程有关的材料属性来看，疫苗既属于发酵类药品类别，又属于大分子药物类别。

前面讲述了化学药品冻干过程的特点，对于疫苗产品而言，化学药品的冻干研究思路全部适用，但对于自身而言，主要表现为以下单独的特点。

2.1 批次不稳定性

疫苗由具有免疫活性的成分组成，生产过程使用的各种材料来源及种类各异，生产工艺复杂且易受多种因素影响，需要通过发酵的方式获得粗品，因此批次间成分含量的差异较大。

对于冻干过程而言，输入物料溶液的批次一致性是关注的重点。由于冻干产品的共晶点对冻干过程影响非常大，疫苗批与批之间的共晶点稳定性是考察的重点。经过具体案例的分析，共晶点的批间差异是存在的，这也就是造成批次间外形差异、活性差异、杂质差异等的原因。

需要对生产过程中的每一个工艺环节以及使用的每一种材料进行质量控制，并制定其可用于生产的质量控制标准；制定工艺过程各中间产物可进入后续工序加工处理的质量要求和对生产过程制定偏差控制和处理程序[5-6]。图3为冻干疫苗注射剂示例。

2.2 佐剂对疫苗制剂增强免疫的作用以及在冻干过程中的作用

佐剂属于非特异性免疫增强剂，当其与抗原一起注射或预先注入机体时，可增强机体对抗原的免疫应答或改变免疫应答的类型。佐剂一般是通过增加抗原在体内的滞留时间、增强机体对抗原的处理和提呈能力，以及刺激淋巴细胞增殖分化而发挥作用。佐剂也具有活性，其活性受多种因素影响，同一佐剂与不同抗原联合使用时，可能获得完全不同的免疫应答。

佐剂有很多种，例如氢氧化铝佐剂、短小棒状杆菌、脂多糖、细胞因子、明矾等。

然而，佐剂除在疫苗功能上的促进作用之外，在冻干过程中也存在一定的影响。典型的影响为佐剂可以改变疫苗注射剂的共晶点特性。东富龙注射剂实验室统计表明，疫苗产品的共晶点主要集中在-30 ℃ ～ -20℃和-40 ℃～ -30 ℃两个区间内，如图4所示。

图3 疫苗注射剂冻干曲线示例Fig.3 Example of lyophilization curve for vaccine injectable

图4 东富龙注射剂实验室处理的疫苗类产品崩解温度分布Fig.4 Collapse temperature distribution for vaccine product in Tof fl on injectable lab

3 血液制品注射剂冻干的特点

所谓血液制品，是指各种人血浆蛋白制品，例如人血白蛋白、静脉注射用人免疫球蛋白、人胎盘血白蛋白、肌注人免疫球蛋白、特异性免疫球蛋白、组织胺人免疫球蛋白、乙型肝炎、人凝血因子Ⅷ因子、狂犬病、破伤风免疫球蛋白、人凝血酶原复合物、抗人淋巴细胞免疫球蛋白、人纤维蛋白原等。血液制品的原料是血浆，人血浆中有92% 左右是水，仅有8%左右是蛋白质，血液制品就是从这部分蛋白质分离提纯制成的。

血液制品主要属于蛋白类制剂，因此蛋白的特性对于冻干过程的影响是本节讨论的重点。

蛋白质是一种复杂的有机化合物，一般称为“朊”。氨基酸是组成蛋白质的基本单位，氨基酸通过脱水缩合连成肽链。蛋白质是由一条或多条多肽链组成的生物大分子，每一条多肽链具有二十至数百个氨基酸不等；氨基酸残基按一定的顺序排列。蛋白质的氨基酸序列是由对应基因所编码的。除了遗传密码所编码的20种基本氨基酸，在蛋白质中，某些氨基酸残基还可以被翻译后修饰而发生化学结构的变化，从而对蛋白质进行激活或调控。多个蛋白质可以组合在一起，往往是通过一定结构形成稳定的蛋白质复合物，折叠或螺旋构成一定的空间结构，从而发挥某一特定功能。蛋白质的不同在于其氨基酸的种类、数目、排列顺序和肽链空间结构的不同。其中，从分子特性的角度可以推断，氨基酸的种类影响共晶点的温度；数目影响空间结构，从而与活性保留有关；排列顺序和肽链空间结构除影响活性外，还影响蛋白质的晶体结构。

图5 蛋白质结构示意Fig.5 Example of protein structure

3.1 蛋白质活性与冻干过程的关系

影响蛋白质活性的因素主要考虑辅料的选择[7-8]。辅料是药物制剂的重要组成部分。辅料可根据剂型的特点及药品给药途径的需要进行选择。在冻干蛋白制剂中，辅料起到了低温保护蛋白的作用，是一种冻干保护剂。同时，辅料有时也和蛋白活性基团相结合，起到保护蛋白活性的作用。

其次，冻结过程务必保证蛋白与辅料部分全部冻结成固态，升华时这部分共晶混合物不融化，否则蛋白的活性将可能很大程度地丧失。

3.2 蛋白质晶型与冻干过程的关系

晶体是原子、分子或离子以有序模式排列在三个空间维度的固体材料。对于蛋白而言，是否存在冻干产品的多晶型是需要关注的要点。

用于描述固体化学药物物质状态，由一组参量组成，一般包括：晶胞参数、分析排列规律、分子对称性、分子构象、分子作用力、结晶水或结晶溶剂等。当其中一种或几种参量发生变化而使其存在有两种或两种以上的不同固体物质状态时，称为多晶型现象（polymorphism）或同质异晶现象。通常，难溶性药物易存在多晶型现象。

多晶型对药物制剂存在如下影响：

（1）对溶解度、溶出、生物利用度和生物等效性的影响。

（2）对药品生产的影响；多晶型会呈现不同的物理和机械属性，包括：吸湿性、颗粒形状、密度、流动性进而会影响制剂的生产。

（3）对稳定性的影响。

4 单抗类注射剂冻干的特点

单克隆抗体（Monoclonal antibody），简称单抗，是通过基因工程细胞发酵制造出来的抗体。

单抗就其分子组成而言，仍然属于蛋白类药物，但具有发酵产品的特性。因此上述关于发酵类产品和蛋白药物的冻干特点对于单抗均适用[9]。

该类产品不同之处通常在于有机溶剂的去除。

由于产品一般涉及到发酵后的分离提纯，有机溶剂的去除是重要的步骤。

药物中的残留溶剂系指在原料药或辅料的生产中、以及在制剂制备过程中使用或产生而又未能完全去除的有机溶剂。由于其对环境、人体都有一定的危害，根据ICH，FDA、WTO等的要求，为保障药物的质量和用药安全，需要对残留溶剂进行研究和控制。

与水类似，有机溶剂在冻干后可以分为自由有机溶剂和结合有机溶剂。自由有机溶剂主要与升华温度有关，考虑不能高于溶液的共晶点。结合有机溶剂一般与处方和二次升华的参数有关，是影响最终有机溶剂残留量的关键因素。

5 中药提取物冻干的特点

中药制剂（Herbal drug）是将中药加工或提取后制成具有一定规格，并可以直接用于防病治病的一类药品。对于中药注射剂而言，一般以某中药中有效成分为主药的形式最为常见，一般没有复杂组分的冻干粉，其原因主要在于直接注射给药的形式对于药物质量的控制非常严格，尤其对于杂质等物质的控制难度最大，往往不能研究出所有杂质的成分和含量。

因此对于中药的冻干，可以参照普通化学药品冻干的基本思路，其特点也是与普通化学药品相似。

6 结束语

注射剂粉针的冻干工艺研究包含三条主线，即冻干工艺的过程、不同种类药品的区别以及整体制药工艺环节对冻干过程的影响，这三条主线构成了冻干注射剂制造工艺的全过程。注射剂的冻干工艺在不同种类的药品之间存在不同的特点，如何将每一类药品冻干注射剂制造工艺做到合理、合规、使其符合该药品的自然质量属性，是每一个制药人需要思考的内容。

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Analysis of Characteristics of Lyophilizing Process for Different Molecular Structure Powder Injection

Yang Chunsheng, Guo Bosong

（Shanghai Tof fl on Science & Technology Co., Ltd, Shanghai201109）

Different characteristics of powder injections existed in lyophilizing process were described in this article. Combined with the producing processes for various products and key quality indexes, the mechanism of make the phenomenon in lyophilizing process was analyzed. And then the relevant countermeasures were discussed.

lyophilization; chemical drug; vaccine; mono-clonal antibody; blood product; herbal extracts

R 944.1 文献标识码：A 文章编号：2095-817X（2017）05-0021-005

2017-08-22

杨春生（1982—），男，博士，从事注射剂药物的冻干工艺研究。