首页 > 资讯 > 国际冻干权威 Pikal 教授面对面教你做冻干(1) - 蛋白治疗药物配方设计篇

出自识林

2017-06-07

转载自 IPEM
课程信息： IPEM冻干技术专题课 I 2017年6月26，28-30日

众所周知，液体配方蛋白质极容易受到化学降解（例如脱酰胺或氧化作用）和/或物理降解（例如聚集和沉淀）的影响，虽然水溶性液体配方是制造过程中最容易处理、最经济实惠、最方便用户使用的配方。

从理论上来说，蛋白治疗药物在冻干固体状态下，降解反应可以得到充分的避免或者减缓，从而使得蛋白药品在环境温度下能够保持稳定长达数月甚至数年。

然而，相比液体配方只需将药液灌装到西林瓶即可，冻干法涉及复杂的加工工艺，不仅耗时，而且成本高昂。此外，最担忧的问题是，如果没有合适的稳定辅料，冻干过程中遇到的冷冻和脱水应力将会导致大多数蛋白质制剂至少产生部分变性。其结果往往是一部分蛋白质群体在加工或存储后立即出现不可逆的聚集现象。由于大多数蛋白药物都是肠道外给药的，仅有少量比例的蛋白质聚集体也是无法接受的。

因此，如果只是简单地设计一种能够使蛋白质顺利经受冻干工艺考验的配方，而蛋白质具有足够的反应性，必须在零下温度条件下存储，那么，这也称不上是成功的配方。

哪些限制因素制约了配方的设计?

— 蛋白稳定性：蛋白质是配方中最敏感的元素，设计配方时必须将主要关注点放在辅料的选择；

— 最终产品配置：开始设计配方之前，必须明确界定最终的产品配置。需要考虑的问题包括给药途径（通常为肠道外给药）、患者同时所给的其它药物、药量、蛋白质浓度以及药品是否可以在西林瓶中冻干，还是必须采用替代系统，比如注射器。此外，如果成品旨在满足多种用途，那么还必须在配方中添加防腐剂，这可能会导致蛋白质的稳定性降低；

— 配方张力：选择辅料时，等渗溶液的设计是个问题。甘露醇或甘氨酸通常是很好的张力调节剂选择。这些辅料通常优于氯化钠（NaCl），但由于共晶熔化温度和玻璃化温度相对较低，这可能会使配方更难以合理地冻干。此外，如果每个西林瓶中的蛋白质质量含量相对较低，配方中通常将会需要添加填充剂，用于防止蛋白质在干燥过程中从西林瓶中失去。甘露醇或甘氨酸也可以起到这一作用，因为它们在冻干过程中通常会大量结晶，并形成机械强度很高的粉饼。然而，我们必须认识到，当结晶辅料单独使用时，它们在加工或以冻干固体状态存储期间通常无法为大多数蛋白质提供足够的稳定性；

— 粉饼结构：冻干药品还必须具有美观的粉饼结构，该结构必须具有良好的机械强度，没有经历过任何崩塌和/或共晶熔化，而且残留水分含量相对较低（约1克水/100克冻干固体）。如果冻干药品出现崩塌，将不仅在产品外观上无法接受，而且残留水分含量也可能会过高，在这种情况下，复溶时间将会延长；

— 产品玻璃化温度：为确保蛋白质在冻干固体状态下的长期稳定性，药品中非晶相物质（包含蛋白质）的玻璃化温度（Tg）必须超过计划存储温度。由于水是一种非晶相塑化剂，残留水分含量必须较低，以确保Tg温度高于运输和存储期间可能遇到的最高温度（通常高于40℃）；

— 产品崩塌温度：配方设计的目标之一是在维持蛋白质稳定性的限制因素范围以内，提供切实可行的最高崩塌温度。产品的崩塌温度（即Tg’）将主要取决于配方成分。

哪些步骤涉及蛋白质的稳定性？

冷冻过程、干燥过程中、干燥固体存储期间，从西林瓶灌装到干燥产品的最终复溶，基本上每个步骤都有可能破坏蛋白质，都需要配方中的相关成分起到抑制降解的作用。在执行快速步骤的过程中（例如，灌装、冷冻、干燥和再水合），主要问题通常在于物理破坏，这通常表现为低聚体的形成和/或蛋白质分子的沉淀。正常情况下，在从液体到固体的转化过程中，相比化学变化的速度减慢，物理变化的速度减慢将会更加明显，因此，干燥固体中的化学降解通常会导致更严重的存储稳定性问题。然而，在存储/复溶过程中，可能会形成蛋白质聚集体。在破坏性应力最大的冷冻和干燥过程中，如果蛋白质去折叠（在这里，甚至仅包括分子总群体的一小部分）得到抑制，则可以最大限度地缓解这些降解过程。因此，配方设计的重中之重应当放在这些步骤执行期间蛋白质的保护上面，以确保冻干配方能够使具有较高Tg和较低残留水分含量的化学惰性固体基质中的天然蛋白质固定不动。

哪些辅料是最佳首选？

在对冻干法的所有风险和所有需要考虑的因素进行审核后，稳定冻干配方的快速开发看上去似乎将是一项不可能完成的任务。但庆幸的是，Pikal 教授通过采用合理的配方设计方法，与配方有关的大多数问题都迅速得到了解决。他会告诉业界，什么是适当的、合理的辅料选择？哪些是可能无法使蛋白质保持稳定的辅料？如何通过技术手段改进？

他还有个观点：对于任何冻干配方，应当使用维持蛋白稳定性和粉饼结构所需的最少数量的成分。除非有数据证明，辅料在配方中具有有益的作用，否则，不应当添加任何辅料。

还存在哪些意想不到的风险？

对于许多蛋白质而言，上述问题的解决将有可能促进冻干配方取得成功，然而，每种蛋白质都具有独特的物理化学特性，因此，我们还须针对每种蛋白药物“定制”独特的配方。

节选自：Carpenter JF, Pikal MJ, Chang BS, Randolph TW. Rational design of stable lyophilized protein formulations: some practical advice.  Pharmaceutical Research, 1997， 1997 Aug;14 (8): 969-75
【中文翻译】

IPEM 此次很荣幸邀请到全球享有盛名的制药冻干领域权威Pikal教授来华讲学和访问，6月26日上海和28-30日北京的两次课程，专为国内制药行业设计，着重于处方和工艺开发、放大、验证以及PAT技术的应用，尽最大努力帮助国内化药及生物制药企业解决新产品的处方工艺开发、已有产品处方工艺改进、验证及即将开展的冻干注射剂质量疗效再评价中的难题、根除痛点。Pikal 教授是冻干领域罕见而不可多得的专家：他既有高深坚实的科学造诣，又有广泛丰富的实际经验。之前已介绍了Pikal 教授的讲学内容和他的职业生涯。【IPEM冻干技术专题课 - Pikal教授其人】​ 接下来我们将陆续推出Pikal教授关于冻干领域的研究成果，他在讲学中将详细阐述产品处方和工艺开发的实用有效的知识、经验及案例分析。

具体课程信息请点击查看： IPEM冻干技术专题课 I 2017年6月26，28-30日