生物制藥4.0——過程分析技術(shù)在下游工藝的應(yīng)用
質(zhì)量源于設(shè)計(jì)（QbD）
2004年，美國食品藥品監(jiān)督管理局（FDA）發(fā)布《21世紀(jì)藥品生產(chǎn)質(zhì)量管理規(guī)范——基于風(fēng)險(xiǎn)的方法》[1]，正式啟動(dòng)過程分析技術(shù)（PAT）倡議，旨在通過工藝開發(fā)、生產(chǎn)與質(zhì)量保障體系的創(chuàng)新，降低藥品制造中的公共衛(wèi)生風(fēng)險(xiǎn)。PAT的監(jiān)管框架[2]以“質(zhì)量源于設(shè)計(jì)”（QbD）為核心目標(biāo)，要求制藥企業(yè)明確產(chǎn)品的關(guān)鍵質(zhì)量屬性（ CQAs），實(shí)時(shí)監(jiān)控相關(guān)關(guān)鍵工藝參數(shù)（CPPs）與關(guān)鍵績效指標(biāo)（KPIs），并將這些參數(shù)自動(dòng)控制于預(yù)設(shè)范圍內(nèi)。
制藥行業(yè)引入QbD理念，顛覆了傳統(tǒng)依賴終端檢測的質(zhì)控邏輯，通過過程參數(shù)的實(shí)時(shí)反饋與動(dòng)態(tài)優(yōu)化，保障產(chǎn)品質(zhì)量。為生物藥下游工藝（DSP）的精準(zhǔn)化與連續(xù)化奠定了理論基礎(chǔ)，極大提高了藥品研發(fā)速度。
下游工藝（DSP）
下游工藝（Downstream Process, DSP）是生物制藥生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，主要目標(biāo)是將上游培養(yǎng)獲得的生物分子（如單克隆抗體、重組蛋白）進(jìn)行純化、純化和制備符合臨床要求的藥品。
生物藥品在下游工藝（DSP）中需確保分子結(jié)構(gòu)未發(fā)生改變，確保治療效果，同時(shí)有效去除雜質(zhì)，確保產(chǎn)品未受污染，保障患者的安全。這一目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)高度依賴對關(guān)鍵質(zhì)量屬性（CQAs）的精準(zhǔn)控制。
關(guān)鍵質(zhì)量屬性（CQAs）
關(guān)鍵質(zhì)量屬性（CQAs）是決定藥品安全性、有效性與合規(guī)性的核心指標(biāo)，其確立貫穿于下游工藝開發(fā)的始終。關(guān)鍵質(zhì)量屬性（CQAs）的評(píng)估需基于藥物分子理化特征與生物學(xué)特性，結(jié)合目標(biāo)適應(yīng)癥的臨床需求參數(shù)，并系統(tǒng)整合不同目標(biāo)市場的監(jiān)管框架及藥典標(biāo)準(zhǔn)，構(gòu)建多維度的質(zhì)量評(píng)估體系，以確保藥物質(zhì)量屬性的科學(xué)性和合規(guī)性。
在下游工藝開發(fā)中，CQAs不僅是質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的定義依據(jù)，更是工藝參數(shù)優(yōu)化的導(dǎo)向標(biāo)。通過實(shí)時(shí)監(jiān)控CQAs，才能動(dòng)態(tài)調(diào)整CPPs，從而確保批次間一致性，降低生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)。
PAT與分子光譜技術(shù):實(shí)時(shí)監(jiān)控CQAs的關(guān)鍵
過程分析技術(shù)（PAT）通常采用分子光譜技術(shù)結(jié)合在線/入線傳感器實(shí)現(xiàn)CQAs的實(shí)時(shí)監(jiān)控，其非破壞性、高靈敏度的特點(diǎn)符合DSP的連續(xù)化生產(chǎn)需求。目前研究蛋白質(zhì)不同層次的結(jié)構(gòu)特征的主流分子光譜技術(shù)包括近紅外光譜（NIR）、拉曼光譜和熒光光譜。拉曼光譜可以用來分析蛋白質(zhì)的二級(jí)結(jié)構(gòu)（如α-螺旋、β-折疊等）以及三級(jí)結(jié)構(gòu)的變化，但對于一級(jí)結(jié)構(gòu)的直接分析較為有限。拉曼光譜可以提供關(guān)于蛋白質(zhì)中特定氨基酸殘基的信息，例如芳香族氨基酸（如色氨酸、酪氨酸和苯丙氨酸）的側(cè)鏈振動(dòng)模式，這些信息可以間接反映一級(jí)結(jié)構(gòu)的某些特征。
拉曼光譜更多是用于研究蛋白質(zhì)的高級(jí)結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)行為。
Akwa®Raman在線拉曼分析系統(tǒng)
作為分子光譜技術(shù)的典型代表，Akwa®Raman在線拉曼分析系統(tǒng)在蛋白質(zhì)結(jié)晶工藝中展現(xiàn)了PAT的核心價(jià)值。結(jié)晶是制劑化中決定藥物溶解性與穩(wěn)定性的關(guān)鍵步驟，但其動(dòng)力學(xué)過程受溫度、pH、沉淀劑濃度等多因素動(dòng)態(tài)影響。傳統(tǒng)離線檢測因滯后性難以捕捉瞬時(shí)變化，而Awka系統(tǒng)通過以下方式實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制：-
實(shí)時(shí)監(jiān)測：通過拉曼光譜解析晶核形成速率、晶體多態(tài)性及溶劑化狀態(tài)。例如，在溶菌酶結(jié)晶模型中，系統(tǒng)可捕捉晶核形成的“臨界點(diǎn)”，優(yōu)化結(jié)晶時(shí)間。
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參數(shù)優(yōu)化：量化溫度與硫酸銨濃度的交互作用，確定最佳結(jié)晶條件（溫度、PH、電導(dǎo)率等），縮短工藝開發(fā)周期。
- 風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警：通過光譜特征（如非晶態(tài)特征峰）預(yù)警晶體聚集或形態(tài)異常，及時(shí)調(diào)整攪拌速率或降溫梯度。
Akwa®Raman系統(tǒng)特點(diǎn):
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高信號(hào)收集效率（保證高分辨率的同時(shí)增強(qiáng)拉曼信號(hào)）；
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高效采集樣品信號(hào)通量專利設(shè)計(jì)（DSP采樣時(shí)間<10s）；
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7x24小時(shí)連續(xù)采集信號(hào)實(shí)現(xiàn)高信噪比（SNR）；
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支持多種建模方法（機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)）分析及預(yù)測評(píng)估；
隨著高階軟傳感器與人工智能的結(jié)合，過程分析技術(shù)（PAT）將促進(jìn)下游工藝（DSP）向更高效和智能化的方向發(fā)展，從而為生物制藥的全球合規(guī)性和質(zhì)量一致性提供有力保障。
參考文獻(xiàn)
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FDA, Guidance for Industry. PAT – A Framework for Innovative Pharmaceutical Development, Manufacturing, and Quality Assurance, 2004.
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Rüdt, M., Brestrich, N., Rolinger, L., Hubbuch, J., 2017b. Real-time monitoring and control of the load phase of a protein a capture step. Biotechnol. Bioeng. 114 (2), 368–373.
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J. Glassey, K.V. Gernaey, C. Clemens, T.W. Schulz, R. Oliveira, G. Striedner, C.-F.Mandenius, Process analytical technology (PAT) for biopharmaceuticals,Biotechnol. J. 6 (4) (2011) 369–377.
