随着重组DNA技术的商业化，制药行业已经转变为从细菌发酵或哺乳动物细胞培养中生产蛋白质药物。这些生物药的开发需要选择一种基于安全性和有效性的优化制剂配方，以确保药物的可生产性，同时保持质量和稳定性。此外，制剂需要根据其预期的给药途径以及最终药物产品的销售进行适当设计，后者常与充满竞争性的市场环境相联系，通过易用性更充分地满足患者需求的产品将具有额外优势。将生物候选药物开发成成功的药物产品必须解决所有相关挑战。在本文中，我们将重点关注在制剂的设计、开发和放大过程中需要解决的挑战和问题，以便在生产环境中实现一致且稳健的产品性能。
生物制品的生产首先是在生物细胞系统中表达蛋白质，然后需要通过层析等多种技术进行回收和纯化。一般，整个生物生产过程是在一系列称为“单元操作”的步骤中执行的。生物药最后的纯化步骤需要一种能够有效地将产物成分置换至药物底物原液制剂成分的技术。药物底物再进行额外的单元操作，以获得最终的药物产品。每个单元操作都可能使治疗性蛋白质受到各种应力的影响。因此，这些工艺步骤的成功将高度依赖于制剂的适当设计以及工艺和工艺设备的优化。
从工艺流程链最后的层析纯化步骤收获后，需要一个单元操作将层析洗脱缓冲液的成分与选定的制剂成分置换。这可以使用体积排阻层析法或使用离子交换层析以结合/洗脱模式进行。但层析可能导致蛋白质的进一步稀释和大体积处理要求，且结合/洗脱离子交换层析法可能受到离子强度和洗脱缓冲液pH要求的限制，继而需要额外的置换步骤。工业中用于缓冲液置换和浓缩的主要技术是一种称为切向流过滤 (TFF) 的超滤/洗滤操作形式。在这项技术中，蛋白质溶液在压力下循环“切向”流过超滤膜。膜上保持着压力差，允许水和小溶质选择性通过，但不允许大分子通过。该技术特别适用于低至中等浓度的蛋白质药物制剂。然而，由于开发和生产>100 mg/mL的高浓度制剂的需求的出现，使TFF系统的应用遇到了新的挑战，因为所需的跨膜通量可能导致膜边界处更高的浓度梯度。这取决于蛋白质与表面相互作用以及解折叠的倾向，可能导致通量衰减，最终导致膜污染。此外，蛋白质对工艺过程产生的气-液界面很敏感，会发生变性，蛋白质流经管路的连续循环和泵的脉冲也会引起空化，导致蛋白质解折叠和沉淀。因此，当暴露于这些应力条件时，能够稳定天然蛋白质结构的缓冲液配方将会减轻这些问题。除了蛋白质在TFF过程中遇到的应力外，另一个潜在的限制是浓缩高粘度蛋白质溶液的能力。特别是，高粘度可能导致高背压，在TFF过程中超过泵的能力。此外，在蛋白质浓缩过程中，随着粘度的增加，扩散系数随之降低，可导致膜表面附近的蛋白质浓度非常高，从而进一步降低跨膜通量。较高的粘度使得从TFF单元中回收浓缩蛋白质也非常困难，导致步骤收率降低，影响工艺的经济性。其中一些挑战可以通过重新设计或修改TFF设备来克服。通过设计适当的制剂配方来降低溶液粘度也有助于解决此类生产工艺的一些限制。如在高浓度抗体中添加适当的赋形剂有可能显著降低粘度，因为这种抗体的高粘度是由可逆的蛋白质自结合引起的，后者似乎是由高浓度下的静电吸引相互作用所控制的。增加制剂的离子强度或添加特定化合物可以降低这些相互作用和粘度。在需要更大幅度降低粘度的情况下，可以通过在更高温度下运行该工艺来进一步改进TFF工艺。在较高的温度下，粘度较低，在特定的跨膜压力下，抗体可以获得更高的膜通量。然而，在这种情况下，长时间暴露在较高的工艺温度条件下可能会损害蛋白质的稳定性。因此，制剂设计变得至关重要，不仅要降低粘度，而且要控制高温下的降解。这可能是一项非常具有挑战性的工作，因为物理降解和化学降解途径可能有对溶液条件的依赖性非常不同。
制剂步骤之后，就需要存储药物底物原液，以便管理产品库存，也就是说，生产活动可能会产生大量的药物底物原液，需要在一段时间内存储。通常也希望尽量减少生产活动数量，因此需要提供一个强大的配方，以确保药物底物的稳定性，有时可能长达数年。冷冻药物底物原液是一种具有明显优势的策略，已在行业中广泛使用。这需要过滤并将大量的原液分装到储存容器中，然后冷冻。在高蛋白质浓度情况下，特别是在高粘度下，使用0.2 μm过滤器进行过滤可能会更加困难，因此在这一步骤中，降低粘度的配方可能是有益的。由于水冻结以及制剂溶质和蛋白质的排除，大体积冷冻步骤会导致冷冻浓缩。如果在解冻过程中没有混合溶液/冰混合物，则蛋白质将暴露于浓度和热梯度中。另外，由冰和蛋白质组成的基质的形成会导致冰表面附近蛋白质构象的改变，这是由于疏水键的减弱和蛋白质在冰表面的吸附。蛋白质结构的破坏可使通常在蛋白质内部的疏水性部分暴露，加上冷冻过程中蛋白质浓度的增加，可导致蛋白质聚集增加。因此，冻融容器的设计是非常重要的，以确保在解冻步骤中有效的传热和混合。尽管冻融系统的发展可以最大限度地减少解冻过程中梯度的形成，但在冷冻过程中蛋白质仍然可能暴露在冰表面。因此，制剂赋形剂，如某些糖，可以起到冷冻保护剂的作用，帮助稳定蛋白质构象，并且经常被包括在内。这类赋形剂的一个重要考虑因素是它们在冷冻过程中不易结晶，一些容易结晶的糖可能导致相分离，从而不再能够保护蛋白质在冷冻过程中免受损害。已被证明作为冷冻保护剂有效的制剂成分包括海藻糖和蔗糖等双糖。药物底物冷冻原液储存设计的另一个重要考虑因素是冰/水/溶质冷冻基质的玻璃化转变温度Tg'。在高于 Tg' 的温度下储存冷冻制剂会导致分子移动性增加，从而导致降解增强，特别是蛋白质聚体的形成。此外，基于不锈钢合金 316L的传统冷冻/储存容器易受氯化物腐蚀。金属腐蚀和金属离子渗入蛋白质制剂可导致金属诱导的蛋白质药物氧化降解。因此，制剂开发可能需要筛选不会促进金属腐蚀的其它抗衡离子。这里，开发替代材料，尤其是用于冻融储存系统的塑料一次性用品将很有吸引力。另一个考虑因素是开发更高浓度的药物底物制剂，这些制剂可以冷冻，从而减少用于储存的体积，继而减少储存容器用量。
药物产品的生产挑战将取决于所选的最终形式。对于液体产品，尤其是高浓度的液体产品，可能需要添加降低粘度的赋形剂，因为产品的粘度会影响灌装前的除菌过滤以及灌装设备的准确性。特别是，高粘度液体可能导致药物产品过滤时间过长，或导致灌装针出现“悬滴”，从而导致药物残留到下一个药瓶中。灌装过程中产生气-液界面和泵空化会导致蛋白质变性，但可以通过在配方中添加表面活性剂等来缓解。但一些常用的表面活性剂容易降解，如聚山梨醇酯 20 和 80，这可能会影响蛋白质药物的稳定性，已经发现特定氨基酸残基的氧化是由于表面活性剂中的过氧化物而发生的。
治疗性蛋白的生产需要多个单元操作，这些操作使蛋白质受到不同的环境和压力影响。条件和应力的变化会导致蛋白质药物的物理和化学变化，从而影响安全性和有效性。此外，高粘度等物理性质可能会使单元操作难以成功地实现其目标。可以通过重新设计工艺和设备来缓解这些问题。或者，开发适当的制剂配方可以在生产步骤中提供帮助，通过保护蛋白质免受特定操作期间遇到的应力或克服工艺限制。总的来说，制剂和储存工艺的开发不仅在于最终产品的稳定性和较长的保质期，首要是通过从药物底物到最终药物产品的过程成功生产蛋白质药物。
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K.Sampathkumar, B.A.Kerwin, Roadmap for Drug Product Development and Manufacturing of Biologics. Journal of Pharmaceutical Sciences, 2024.
R.Fang, P.Sane, I.B.Sebastião, et al., Stresses, Stabilization, and Recent Insights in Freezing of Biologics. Principles and Practices of Lyophilization in Product Development and Manufacturing, 2023.
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