单抗药物发展趋势及工程设计分析

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单抗是单克隆抗体药物的简称，单克隆抗体药物在生物技术制药中占有重要地位，并逐渐成为生物医药领域发展的主要方向。单克隆抗体是由单一B细胞克隆产生的针对单一抗原表位的结构均一、高度特异的抗体。其制备的药物具备以下优势：

（1）特异性强，可以进行靶向治疗；

（2）无限增殖，特性稳定，可以进行批量制备；

（3）灵敏度高，副作用小，用药量少，蛋白质类药物不会额外对肝肾造成负担。

近十多年单抗药物的销售也一直保持高速增长，如今单抗药物的销售额早已突破千亿美元大关。据SFDA官方报道2016-2017年全球最畅销的10个药物销售统计，其中6个是单抗药物，由此可见单抗药物的优势和前景。在2019年全球销售额前二十的药品中，其实有13个是生物药，而单抗药物更是占据其中的9席之多，可以说单抗药物目前是全球制药市场最重要的细分领域之一。其中单抗药物阿达木（Humira），最近几年一直被称为“药王”，在2019年阿达木单抗药物的销售额高达196亿美元。

自1986年FDA批准第一个治疗性单克隆抗体药物以来，单克隆抗体药物从靶点开发到技术改进，从临床研究到商业化策略，各个方面均日趋成熟，已经成为医药领域的主流新秀。目前，中国抗体药物市场空间非常巨大，同时国家政策支持力度大，人才不断聚集，单抗产业正进入关键的发展时期，未来随着医保对于单抗药物的覆盖加大以及国内单抗产业的发展，市场将继续维持高速增长。

1.单抗药物的生产工艺简介

单抗药物生产工艺流程大致可以分为三个阶段：

（1）上游工艺（从种子到收获）；

（2）下游工艺（从蛋白捕获到原液收获）；

（3）制剂工艺（以冻干制剂为例，从配液到成品储存）。

整个单抗药物的生产工艺流程主要包括细胞接种、细胞扩增、细胞培养、收获、纯化、超滤浓缩以及无菌制剂。

(1)上游工艺

主要工艺步骤包括：

①细胞接种。从种细胞库中取出工作种子，然后在生物安全柜中水浴复苏，将细胞接入摇瓶进行培养，直到设定密度。

②细胞培养。接种区细胞接入摇袋式反应器，随后在各级生物反应器中进行逐级放大培养，在培养过程中不断地检测反应器中温度、压力、溶氧量、pH等，在抗体滴度到达目标值后进行收获。

③收获。通过碟片离心机和深层过滤系统弃掉细胞和细胞碎片，收获细胞培养液。

上游工艺最核心的部分就是细胞培养。加大细胞培养的规模是企业降低成本提高利润的有效手段。国内动物细胞的大规模细胞培养技术还在起步阶段，相关的生产技术和装备制造技术有待提高。目前国内最大的细胞培养罐在6000L左右，相对国外动辄过万的培养罐，国内流加培养规模较小。

(2)下游工艺

主要工艺步骤包括：

①粗纯。收获后的料液进行高效捕获目标蛋白，主要工序为层析纯化，低PH病毒灭活，常见的亲和层析系统，阴离子层析系统，阳离子层析系统等，过程需要严格进行温度，PH等工艺参数的控制。

②精纯分装。将粗纯收获液经过超滤浓缩和缓冲液交换后，加入蛋白稳定剂和赋形剂制成原液，分装入储存袋或者储存桶内待检。

下游工艺的分离纯化为抗体制备的关键工艺，纯化工艺效率直接影响单抗产业化成本。纯化工艺效率一方面体现在杂质是否分离彻底，另一方面也体现在各个纯化步骤所用时间，特别是过层析柱所用的时间效率。

(3)制剂工艺

单克隆抗体制品属于生物制品，为了保证其药效和便于储存使用，单抗制品的制剂形式常见的有：冻干粉针、安瓿瓶、预充式水针。以冻干粉针为例，主要工艺步骤包括了洗瓶，配液，灌装及半加塞，冻干，轧盖等。

2.单抗药物的厂房设计

(1)主工艺区特点分析

根据工业化生产需求，主要的功能分区缓冲液/培养基配制区、缓冲液暂存区、种子扩培、细胞培养区、收获区、纯化区、超滤间等。

①缓冲液、培养基配制区域。一般这两个辅助区域都设置为D级区，也有将缓冲液配置定为C级，主要根据配制工艺以及操作风险来判定级别。该区域主要设备为各类罐体，一般需要设置钢平台，此外还需要配套机械间、称量室、清洗间、灭菌间、CIP站。工业化生产的配制系统一般采用全封闭系统防范微生物等风险。

②缓冲液暂存区域。由于需要大量使用缓冲液，在工业化生产时一般需要设置缓冲液暂存区。一般为CNC区域，主要静置的贮存罐体，该区域设计重点为工艺管道，特别是管廊架的设计与施工，缓冲罐区域。

③种子扩培。一般为C级区，确保生物安全及防止微生物污染，有生物安全柜，建议独立设计空调系统。种子扩培操作一般在的生物安全柜下操作，设置安全柜独立排风，排风经过高效过滤器进行过滤处理。

④细胞培养及收获间。细胞培养与收获为核心工艺区，一般设置为D级区，主要设备为细胞生物反应器（不锈钢罐或一次性设备）。细胞生物反应器需要进行严格的工艺控制，确保细胞增殖处于稳定的环境。此生产区需要配套钢平台、种子间、清洗、灭菌、CIP站等功能间。目前细胞培养都在追求规模化，生产企业都希望通过更大的规模来换取更大的利润空间。多级细胞培养的生物反应器系统。

⑤层析纯化。该区域同样是单抗药物生产的核心工艺区，一般设置为C级区，主要设备为各类罐体和层析柱。区域内需要配套装柱间、清洗间、灭菌间、CIP站等功能间。纯化工艺一般采用全封闭式管道系统，因为纯化工艺都是直接和药液接触，需要确保工艺过程的无菌。纯化工艺主要需要追求规模化、连续性和高效率。纯化间层析系统。

⑥超滤与分装。该区域一般为C级区，主要为超滤系统、层流系统、产品储罐，需要配备清洗间、灭菌间、CIP站等功能间。超滤系统及原液分装的层流系统。

(2)人物流设计

①尽量实现单向流

分别设计清洁物料和污染物料的进入口，人员进出通道和物料进出通道分开，不同区域的入口尽量分开设置，主要人流通道和物料通道尽量分开设置。人作为制药厂房内最大的污染源，我们需要格外关注人流通道的设计。

②合理的物流设计

大规模单抗生产车间中物料在车间内主要以液体形式存在。培养基、缓冲液的配制、储存和使用会涉及大量物料的转运，如何合理组织物料运输是物流设计的重点。为了充分利用重力流，我们在进行工艺布局的时候可以将工艺区域按照前后顺序自上而下地进行布置。比如可以将缓冲液和培养基配制设置在3层，然后将细胞培养区域设置在2层，将纯化超滤设置在1层。这样物料的流向就可以保持从高往低处流动，不仅减少了阻力也减少了管道内的料液残留。如果平面设计是大平层设计，我们还可以考虑压缩空气压料的方式进行转运。通过合理的物流运输途径和物料方式选择可以最大化的提高生产效率和节约能源。

③恰当的人物流管控措施

人物流的管控主要通过各类门禁、互锁装置来实现。为防止不同区域人员的交叉污染以及保证不会发生混淆差错，门禁系统是必须使用。此外合理的互锁设计可以有效的保证功能区避免外界污染。物流通道上可以设置电动门，由于物流通道经常伴随着小推车等出入，使用电动门可以很好的实现自动闭合而不影响通行，电动门还可以很方便的配合门禁系统使用。通过门禁系统的密码管制，实现符合要求的操作人员进入关键区域，并可以追溯操作痕迹，限制非工艺人员进入。互锁系统的控制面板可以安装在门框上或者是在彩钢板上嵌入式安装，该面板可以显示互锁解锁的倒计时时间以及对应互锁门的通行状态。

(3)空调系统及公用工程系统设计

①空调系统设计。空调系统设计需要充分考虑风量平衡（考虑工艺排风的需求）、压差梯度设置、气流组织，不同功能区划分为不同空调系统，有生物活性或者风险较大的工艺区单独划分空调系统。当房间内布置生物安全柜时，还应该特别注意生物安全柜的布置位置，生物安全柜应安装于排风口附近，不应安装在气流激烈变化和人走动多的地方，不应安装在门口。生物安全柜应处于空气气流方向的下游。空调系统设计时还应考虑不同的运行模式，例如工作模式、值班模式、消毒模式等。

②公用工程设计。单抗生产厂房所需的公用工程是比较复杂的，常见的公用工程系统包括：给水系统、排水系统、供电系统、供气系统、采暖与空调系统、制冷系统等。生物制品车间一般需要设计地下室，用于放置废水消毒灭活设施。公用工程的设计的重难点在于不仅要考虑当下的车间需求还需要为以后产品扩能或者车间改建做好充分的预留。此外，在进行公用工程设计时尽量考虑采用管廊的设计方案，不仅美观整齐，还便于施工和后期检修。

3.总结

随着单克隆抗体生产规模的急速扩大，生产技术也正在不断完善，国内很多领先的生物制药企业已经具备了国际一流的单抗生产线。但是，目前我国大规模单抗生产车间的设计和施工经验依旧欠缺，随着生产设备的持续改进，自动化程度的不断提高，产量不断放大，对于厂房设施也提出了更高要求。我们应该随着产业进步，不断学习和总结，助力我国的单抗事业的蓬勃发展。