对于生物制品的开发商和制造商而言,进入实验阶段的时间、进入临床试验阶段的时间和上市时间正在变得越来越重要。我们在此对提高工艺开发效率的工具提供一些见解。

工艺开发格局正在发生变化并面临新的挑战

根据以往数据来看,药物的开发时间为 8 到 10 年。但是,随着快速通道审批和突破性药物指定等加速项目的使用,我们现在的决策时间有所缩短,因此开发时间也会大大缩短。这种变化的结果是,工艺开发和 CMC 活动已成为决定上市时间中更为关键的因素,其中许多活动都与临床试验同时进行。

这些压力加上提高设施效率的需要,导致许多公司重复使用知识以加快产品开发,并使当前和未来项目变得更可预测。这种方法通常称为平台方法,即用于开发、制造,也用于分析。每个平台都可以包含标准操作程序、核对清单、设备或原材料选择,以确保特定性能。

但现今的管线中有越来越多更加复杂和多样化的分子,这给工艺开发组织带来了巨大挑战。对于其中的一些新分子,用于分析、制造工艺和设施匹配的平台方法不匹配,需要进行调整。这要求开发团队付出更多的努力才能达到“标准水平”,但也意味着工艺开发延迟风险更高。

因此,用于支持工艺开发的平台和工具正在不断发展。如今,不断有先进的方法诞生,支持更智能的工艺开发。这些工具包括高通量开发、机理建模和基于纤维的层析法。

高通量工艺开发

随着越来越多的候选药物进入当今的管线,实验的总数急剧增加。促进这些活动的开展对于提高工艺开发效率至关重要。一种方法是高通量工艺开发 (HTPD)。HTPD 通过实验本身的并行化和自动化实现。执行 HTPD 的一些要求是:

  • 用于执行并行实验的适当工具
  • 可测试工艺开发空间的实验设计
  • 用于数据分析和管理的方法

为什么需要 HTPD 工作流?稳定细胞系的生成就是一个例子。与仅使用一个候选产品来生成稳定细胞系的传统工作流相反,如今的一些候选产品在简化的细胞系开发 (CLD) 工作流中并行开发。这些候选产品可以是单克隆抗体 (mAb) 结构体的变体,例如具有优化与野生型基因序列、可选的信号肽或重链 (HC) 与轻链 (LC) 比。

因此,需要对每个构造体的顶级克隆进行滴度、活细胞密度 (VCD)、细胞活力和产品质量评估。此外,通常会对顶级克隆进行生物反应器性能评估,以优化培养条件,评估工艺性能、滴度、VCD、细胞活力和产品质量。这些研究需要使用能代表项目向临床前和临床生产阶段转变时所使用的生物反应器规模的高通量工具。

在下游空间,HTPD 已在许多工业实验室中成功应用了十多年。下游 HTPD 中最常用的工具之一是使用填充有填料的 96 孔板。96 孔板是一种适用于筛选结合、洗脱和洗涤条件的规格。这些工具以静态批量模式操作,可用于手动操作,也可与机器人平台一起使用。50 至 600 μL 尺寸的微型柱是 HTPD 常用的另一种规格,以动态模式操作。96 孔板和微型柱均以并行模式操作,使用的样品量相对较少,这大大增加了数据量。这些数据有助于做出更好的决策,说明这些方法富有价值,在工艺开发过程中往往能相互补充。

机理建模

层析法中使用的机械模型是层析过程中生化相互作用的数学表示。该模型使用方程式来描述分子如何在液体中扩散,分子如何在层析磁珠周围的停滞膜中移动,或如何在磁珠的孔内扩散以及分子如何与配基相互作用。它还描述了分子在结合时如何争夺配基。以微分方程表示。这些方程式中将有许多常数,需要通过层析分析数据拟合来进行数值求解,从而使模型代表实际的层析行为。模型经校准后,就可以用来模拟层析行为并进行计算机模拟实验。

如今,机理建模有许多应用。例如,可以预测阳离子交换步骤的洗脱条件以及柱床高度差异对工艺性能的影响,并可以解释生产过程中的某些偏差。机理建模可以用作风险评估工具,用于指导工艺表征工作并可减少工作量,还可以用于预测从实验室规模层析柱向工艺层析柱的放大情况。

机械模型可从许多方面提高工艺开发效率。例如,在临床前阶段,可以减少开发毒性试验工艺所需的时间。在 I 期中,机械模型可以减少每个步骤的层析运行次数,在 II 期中,可以预测放大情况,支持技术转移活动。在 III 期中,机械模型还有可能告知风险评估团队哪些参数对产品质量、生产率或工艺经济性的影响最大。在后期阶段(即商业阶段),机械模型可以支持根本原因识别或偏差管理。

结合 HTPD 和机理建模

虽然机理建模的理论并不新鲜,但由于缺乏用户友好的软件以及计算机能力的不足,机理建模在生物制药行业的应用一直受到限制。现在,专门为生物制药工艺开发中使用的机理建模而设计的软件已经上市,并且计算机的能力也在不断提高。此外,通过将机理建模与 HTPD 相结合,您甚至可以创造出比单独使用的工具更强大的工具。将 HTPD 与机械模型相结合有多种优点,其中一个优点就是可以开发经过验证的规模扩大和规模缩小模型,这对于工艺开发以及生产工艺的故障排除都很重要。

HTPD 工具通常不会作为规模缩小模型进行验证,因为它们会有不同类型的偏移,因此不能充分地代表较大规模的工艺。机理建模可以帮助您解释偏移以及偏移为何不能反映出与较大层析柱相同的层析行为。通过使用机械模型补偿或重新计算数据,原则上您将获得一种方法作为规模缩小模型来验证 HTPD 开发规格。这意味着能够以经过验证的、规模更小的并行规格进行更多试验,从而可以得到更稳健、更优化的工艺设计。

构建 HTPD 和机理建模方面的能力需要付出大量努力。需要对能力发展以及设备进行初步和持续的投资。如果您只有一两个将进行临床前或临床测试的候选产品,最好与具有适当能力并且经验丰富的合作伙伴(供应商和/或 CMO)合作,由新兴小型公司利用最新技术执行,避免构建内部能力。

新兴技术

为了支持改进的生物制造工艺开发,还出现了其他新技术。使用基于纤维的层析法快速纯化是此类创新的一个例子。该技术利用纤维素纤维的高流速和高容量。与传统层析法相比,基于纤维的层析法可提供更高蛋白捕获率,其停留时间仅为几秒钟,而不是几分钟。下面是可以从如此短的停留时间和循环时间受益的应用示例:

  • 筛选速度是关键的情况,例如,广泛的工艺表征工作或多次进料研究
  • 将 Ambr™ 系统(多个样品,大容量)或 Fibro plus ÄKTA™ 连接到自动进样器进行细胞系筛选,自动化运行多个样品
  • 快速滴度测定
  • 受益于快速处理和短洗脱时间的灵敏 mAb 和 mAb 偶联物测定
  • 研究应用中的低滴度情况

另一个优点是,与之前讨论的微型柱单元相比,纤维层析技术提供完整的层析谱,加强了质量监测。

汇总

生物制药行业的工艺开发人员面临着新的挑战,开发时间更短,开发项目加速,新分子实体提高了监管机构对理解工艺的期待。因此,现在比以往任何时候都更需要了解和利用现代工具和解决方案来提高工艺开发效率。

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