QbD理念及胰岛素类似物生产中的过程控制策略

常晓慧

[摘要] 阐述质量源于设计（Quality by Design， QbD）理念提出的背景及应用流程，说明过程分析技术（Process Analysis Technique，PAT）可以提高胰岛素类似物生产效率及产品质量。查阅相关领域文献，结合胰岛素类似物生产工艺特点，说明在该领域应用PAT的可能性。PAT帮助研发生产人员真正了解产品属性及生产工艺，QbD理念代表着未来生物制药行业的发展趋势。

[关键词] 质量源于设计；过程分析技术；胰岛素类似物；质量；综述

[中图分类号] R95 [文献标识码] A [文章编号] 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

生物制药是综合利用微生物学、生物技术、药学等科学的原理和方法从生物体、生物组织或体液中获取药物的工艺，其种类包括基因工程药物、抗體药物、血液制品及疫苗[1]。基因重组人胰岛素制剂于1982年上市，是第一个获批的基因工程重组药物[2]，生产工艺成熟。近年来多种胰岛素类似物产品上市或处于研发阶段，生产经验尚浅。生物制药不同于传统制药，其生产规模大，对配套技术要求高，资金投入大，项目成功投产后收益可观，但同时也伴随着较高的风险。基于以上特点，生物制药包括胰岛素类似物在内[2]，其工艺开发阶段及整个生产过程需要一种有效的方式确保产品的高质量及工艺的稳定性。

1 QbD理念

在美国食品药品监督管理局（Food and Drug Administration， FDA）和人用药品注册技术要求国际协调会（International Conference on Harmonization， ICH）相关政策的推动下，质量源于设计（Quality by Design， QbD）的理念渐渐成为制药界的共识。ICH Q8指出，质量不是通过检验注入到终产品中的，而是通过设计赋予的。要获得良好的设计，必须增加对产品的认知和对生产的全过程控制[3]。FDA认为，QbD是从产品开发到形成工业化的精心设计，是对产品属性及其与生产工艺之间关系的透彻理解，同时QbD也是动态药品生产管理规范（Current Good Manufacture Practice， cGMP）的基本组成部分，有助于GMP更好的实施[4]。

2 QbD理念的应用流程及生产过程控制策略

2.1 QbD理念的应用流程

应用QbD理念，首先应制定产品质量目标，即为了保证药物制剂的安全性和有效性，根据产品预定用途及参考相关文献确定给药途径、剂型剂量及质量标准。而后根据产品特点，结合风险分析研究结果确定产品关键质量属性（Critical Quality Attributes，CQAs），包括理化性质、生物学性质和其他质量相关性质，确保产品的CQAs在合理范围内是保证产品质量的前提。

关键工艺参数（Critical Process Parameters，CPP）由生产开发经验总结及实验数据得来，其变异性会对CQAs产生影响，通过分析得到CPP与CQAs之间的关系，了解参数间的非独立性，做到对工艺充分了解，鉴别并解释关键变异的来源。

根据分析结果设定关键工艺参数的合理设计空间，在此设计空间中的各种工艺变化无需进行进一步的注册审批，减少上市后的变更申报[5]。针对设计空间提出并建立有效的控制策略，最终建立在一定范围内调节工艺参数即可保证产品质量稳定性的生产工艺。具体流程见图1。

2.2 生产过程控制策略

对于一个产品生产过程的控制策略可以有很多种，目前过程分析技术（Process Analysis Technique，PAT）应用较多。美国FDA的药品评价研究中心在2004年的白皮书中提出了PAT的概念。PAT是实施QbD理念的有效工具，是指在生产过程中应用相关仪器，采集关键性的过程参数和质量指标数据，或取样后通过光谱、色谱或核磁等检测仪器进行检测，而后进行数据的分析及模型建立过程，也就是设计空间的建立及控制策略形成的过程，目的在于找到最佳的过程控制点后呈现实时监控[6]。

此控制策略实现了在设计阶段考虑如何确保产品质量，控制药品生产过程，保证其可靠性及稳定性，避免只通过检验中间体及终产品进行质量控制时的滞后性、污染风险高及原辅料浪费现象的发生，提高工作效率，保证产品的安全性，同时降低了操作运行成本。这样一来工艺对加入物料变异性的限制减少，控制向上游转移，使成品检验最小化[7]。

PAT正在或已经步入工业化阶段，至今在制药行业应用广泛，可分为离线PAT、在线PAT及近线PAT[8]，后两种的特点是可以通过改进过程连续性、缩短生产周期为企业降低操作成本，改善产品质量，减少或防止废品和再加工的发生，并为实时放行提供最大的可能。

3 胰岛素类似物生产中的过程控制策略

基因重組人胰岛素相关制剂已上市多年，产品的临床疗效及安全性有一定的保障。近年来多种胰岛素类似物相关制剂陆续开发，生产经验尚浅，基于其生物制药的本质，工艺可变性较大，若是出现质量问题，整批产品的废弃或召回会对企业造成不小的损失，所以PAT这一生产过程控制方法显示出必要性。该文讨论在胰岛素类似物生产过程中应用PAT的可能性，指导其产业稳定化发展。

3.1 发酵工艺中的过程控制策略

近红外光（Near Infrared，NIR）是介于可见光（VIS）和中红外光（MIR）之间的电磁波，不同样品对不同频率近红外光选择性吸收，通过样品后的近红外光线在某些波长范围内会变弱，透射出来的红外光线携带样品组分和结构的信息。通过检测器分析透射或反射光线的光密度，就可以确定该组分的含量[9]。

发酵过程培养液的特点是组成复杂，通常气、固、液3项共存，其组分和含量时刻在变化，目前培养过程中的物理参数，如流量、压力、流速、搅拌速度等可以在线监测和控制，而化学参数的在线检测仅限于pH值及溶氧值比较普遍。发酵液中的碳源、氮源、生物量与产物量的多少是高度相关的，所以实时过程参数监测有利于发酵生产条件的优化，而以上这些指标均属于近红外光谱（near infrared spectroscopy，NIRS）可以监测的指标范围，结合偏最小二乘法建立的校正方法，监测营养成分及产物生成量的变化规律。光谱分析对样品无破坏性，探头能耐高温高热，提供实时数据，有助于优化发酵工艺。

同样基于以上原理，可以利用近红外光谱分析菌株发酵过程中消耗原料量和产物生成量的定量模型，判断菌株的发酵能力，最终开发成为高通量筛选菌株的有效工具，可用于生产胰岛素类似物的高产量菌株的开发。

3.2 冻干工艺中的过程控制策略

在胰岛素类似物冻干粉的冻干过程中应用PAT进行监控时，首先要了解产品的热力学特性[10]。预冻过程要关注过低温度及冷冻时间对产品质量的影响，可用低温高分辨率显微镜装置观察并研究冻结过程中产品的晶体结构，得出合适晶体结构的制品冻结速率。冻干过程的关键参数，例如共晶点温度、共熔点温度、塌陷温度、玻璃化转变温度等可由差示扫描量热仪测定而得。

目前胰岛素类似物生产厂家可以利用温度和压力传感器实时采集数据，指导冻干工序，也可用气体质谱分析仪监测冻干终点及系统受污染或外界泄漏程度，而湿度传感器分析仪则可以用于监测过程中的水汽分压来分析干燥过程及判断干燥未点。上述过程控制策略均可以为冻干过程的顺利进行提供保障。

3.3 结晶工艺中的过程控制策略

同样胰岛素类似物制剂的结晶过程亦可以应用到PAT技术。到目前为止，多数药物结晶还处于半技术、半科学的状态，影响因素众多，特别是过程参数。不同晶型分子中的某些化学键键长、键角会有所不同，红外光谱的某些主要特征如吸收带频率、峰形、峰强度等也会出现差异。所以在线红外可用于在线检测胰岛素类似物药物晶型的转变，并对其进行量化分析，分析速度快，无污染无破坏性[11]。

拉曼光谱研究照射到物体上的非弹性散射效应，由于拉曼谱线的数目、位移的大小及谱线的长度直接与样品分子振动或转动能级有关，可直接通过光纤探头或者通过玻璃、石英和光纤测量快速的提供定性定量分析结果，无需样品准备，无破坏性。而不同晶型的样品其内部分子键合方式或分子空间排列不同，所以快速的拉曼光谱分析可以帮助研发生产人员了解到结晶形成的过程及机理。水的拉曼散射很微弱，且谱峰清晰尖锐，所以该方法与红外光谱相比更适于研究水溶液体系，分辨率高[11]，更适用于观察胰岛素类似物制剂的结晶过程。

聚焦光束反射测量（FBRM）是一种相对较新的在线粒度监测技术，通过捕捉聚焦光束在颗粒表面产生的部分散射光，进行数据信号采集，分析颗粒的粒径分布，测量颗粒尺寸范围为0.25～1 000 μm。该方法可以动态量化控制工艺参数对颗粒系统的影响，保证结晶工艺的稳定性，也可以量化颗粒系统对下游性能（例如分散性等）的影响，同样有助于胰岛素类似物制剂结晶工艺的优化。

FBRM可以在线实时给出悬浮液中的粒子的粒度及粒子数量随时间的变化的曲线。而颗粒图像测量（PVM）可以实时反映结晶过程的晶体形貌特征，它自动连续摄取和储存单个的图像并可用软件在线或离线分析处理，得到颗粒数目、形状、尺寸分布和变化曲线，直观地观测晶体的生长情况，在线得到晶体粒径分布结果，节约分析时间，有助于实现实时放行。

若是在实际生产中应用上述控制策略，即可以摆脱药物结晶工艺的半技术、半科学状态，将过程参数对晶体形成的影响降至最低，保证最终产品的质量。

3.4 环境监测中的过程控制策略

同于其他药品生产，胰岛素类似物生产车间同样涉及到环境监测。PAT技术可以应用到环境监测的工作当中，但是传统培养时间较长的微生物检查法不可能被PAT所采用。最近开发的一种被称为“瞬间微生物检测”（IMD）的光学技术可以测定存在于液体或空气中的小粒子的数量和大小，同时还能检测出每个粒子是惰性的还是具有生物活性的，该仪器能够连续监测洁净室内的空气质量，瞬间完成一系列工作[12]，达到环境实时监测的目的。通过特有的PharmaMaster 软件，生产及质量控制人员可以获得并保存长期的空气质量数据，以此作为质量控制的依据及趋势分析的素材。

4 小结

生物药品的特殊性突显出了应用QbD理念及过程控制策略的必要性。GMP是药品生产和质量管理的基本准则，但是GMP在一定程度上也阻碍了制药生产过程中的创新，企业通过GMP认证后，对于药品生产过程中的一切微小变动都需要重新经过相关部门的审阅和认可。而QbD理念中“设计空间”提出这一概念，减少了上市后的变更申请，节省了大量的时间和文件。过程理解和产品风险是成反比例的，上述提到的过程控制策略可以在胰岛素类似物生产过程中实时反映产品质量属性的变化，分析其与工艺参数之间的关系，真正了解生产过程，实现有效控制。实行QbD理念的成本相对较高，国内许多生物制药企业规模较小，资金不足，对于这项提高产品质量、节约成本的新技术仅仅停留在认识阶段，无法将其完整地融入到生产过程当中。但是QbD这一理念代表着未来制药行业的趋势，虽然过程漫长，相信在国内各方力量的帮助下，在不久的将来生物制药企业一定会完成这次完美的转变。

[参考文献]

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[7] 陆婉珍，褚小立.近红外光谱（NIR）和过程分析技术（PAT）[J].现代科学仪器，2007（4）：13-17.

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[9] 谢新华，肖昕，李晓方，等.近红外光谱技术在粮油检测中的应用[J].粮食与食品工业，2003（4）：55-58.

[10] 张耀平.冻干过程PAT及方案设计[J].机电信息，2009，4（11）：27-30.

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[12] 蒋箭平，黄跃.瞬间微生物检测技术与应用[J].机电信息，2008，6（29）：29-31.

（收稿日期：2018-02-04）