切向流過濾技術在高濃度抗體制劑（HCPF）中的運用
時間：2024.12.30
自1986年第一個治療性抗體進入臨床以來，治療性抗體藥物單抗、雙抗、ADC得到了迅速的發展，到目前為止，FDA共批準了近百個治療性抗體藥物，其中涉及免疫系統與腫瘤治療的抗體類藥物就占到了68%。抗體類藥物已經成為了現代生物醫藥的重要組成部分。
一、關于高濃度抗體制劑
在抗體實驗和生產中，高濃度制劑是很多醫藥企業所追求的目標。HCPF通常指蛋白濃度高于50mg/ml的制劑。高濃度制劑不僅可以為患者提供更好的靈活性，降低患者注射的痛苦，還能夠降低成本并節省醫療資源。
目前在單抗制劑的產品中，2015年后FDA批準的高濃度制劑產品是2015年以前批準總數的三倍，由此可見高濃度制劑的趨勢。本文重點聊一聊TFF工藝在高濃度抗體開發中的挑戰和注意事項。
目前在單抗制劑的產品中，2015年后FDA批準的高濃度制劑產品是2015年以前批準總數的三倍，由此可見高濃度制劑的趨勢。本文重點聊一聊TFF工藝在高濃度抗體開發中的挑戰和注意事項。
二、TFF & 高濃度制劑
盡管高濃度制劑的優勢很明顯，但是由于高濃度抗體制劑的分子間結構更加復雜，更易產生自締合（Self- association）和聚集（Aggregation）。
為了達到皮下給藥所需的高蛋白濃度，經常會遇到許多生產工藝的挑戰。從操作的維度來看，高蛋白濃度會導致高粘度，這可能會導致超濾濃縮過程中的壓力增加。同時，也會導致超濾濃縮過程通量會逐漸下降至很低的程度，從而導致處理時間較長。
高濃度制劑濃縮過程中會帶來物料和TFF系統的幾個變化：
1、濃度和粘度的升高
濃度升高，必然帶來粘度的增加，物料的流動性會變差。較高的蛋白濃度存在較高的聚集風險，因為組分分子距離越接近，分子間相互作用越強，自締合(self-association)的概率就越高。
2、體積排阻
體積排阻主要是由于在膜的上游高濃度的蛋白占據了較大的體積，導致其他溶質的空間減少，尤其對于大體積的分子，會導致部分溶質分子在膜的上下游的濃度發生了差異。在膜上下游的滲透濃度發生改變，滲透壓力會增大。
3、道南效應
帶電產品被超濾膜截留，帶電基團的存在使得膜對不同離子的截留率不同。當溶液中存在多種離子時，不同離子的電荷大小和離子半徑會影響它們通過膜的比例。離子的電荷數越大、半徑越小，其通過膜的比例就越低，從而導致溶液濃度和pH的變化。
為了達到皮下給藥所需的高蛋白濃度，經常會遇到許多生產工藝的挑戰。從操作的維度來看，高蛋白濃度會導致高粘度，這可能會導致超濾濃縮過程中的壓力增加。同時，也會導致超濾濃縮過程通量會逐漸下降至很低的程度，從而導致處理時間較長。
高濃度制劑濃縮過程中會帶來物料和TFF系統的幾個變化：
1、濃度和粘度的升高
濃度升高，必然帶來粘度的增加，物料的流動性會變差。較高的蛋白濃度存在較高的聚集風險，因為組分分子距離越接近，分子間相互作用越強，自締合(self-association)的概率就越高。
2、體積排阻
體積排阻主要是由于在膜的上游高濃度的蛋白占據了較大的體積，導致其他溶質的空間減少，尤其對于大體積的分子，會導致部分溶質分子在膜的上下游的濃度發生了差異。在膜上下游的滲透濃度發生改變，滲透壓力會增大。
3、道南效應
帶電產品被超濾膜截留，帶電基團的存在使得膜對不同離子的截留率不同。當溶液中存在多種離子時，不同離子的電荷大小和離子半徑會影響它們通過膜的比例。離子的電荷數越大、半徑越小，其通過膜的比例就越低，從而導致溶液濃度和pH的變化。
4、壓力變化
超濾過程中伴隨著濃縮的持續，蛋白濃度升高，尤其在濃縮后期，高粘度的物料導致系統阻力上升，壓降變大。特別是在膜包的流道中，壓力降更為明顯。最后表現為，膜包的進口壓力快速上升，超過最大的進口壓力限制，導致濃縮進行不下去。
超濾過程中伴隨著濃縮的持續，蛋白濃度升高，尤其在濃縮后期，高粘度的物料導致系統阻力上升，壓降變大。特別是在膜包的流道中，壓力降更為明顯。最后表現為，膜包的進口壓力快速上升，超過最大的進口壓力限制，導致濃縮進行不下去。
三、如何改良工藝
我們可以通過以下幾個方面改良來控制工藝：
1、選擇合適的緩沖體系。
緩沖液的種類、pH值和濃度會影響蛋白質表面電荷分布、類型和數量，并進一步通過影響靜電相互作用從而影響蛋白質的構象和膠體穩定性。為了實現目標配方成分，可以對DF緩沖液或超濾稀釋緩沖液進行調整，以解決輔料濃度偏移。或者，可以通過在UF步驟期間使用高離子強度的緩沖液來降低所觀察到的道南效應。
2、選擇合適的膜包篩網
不同品牌的平板膜包都有多種篩網可供選擇。高濃高粘的蛋白制劑可以選擇懸空式湍流篩網。其優化的篩網結構能夠減少壓力損失，減緩進口壓力過高的現象；同時有效產生湍流，提高透過效果，減緩高濃度下比較容易產生的濃差極化，提高通量。
1、選擇合適的緩沖體系。
緩沖液的種類、pH值和濃度會影響蛋白質表面電荷分布、類型和數量，并進一步通過影響靜電相互作用從而影響蛋白質的構象和膠體穩定性。為了實現目標配方成分，可以對DF緩沖液或超濾稀釋緩沖液進行調整，以解決輔料濃度偏移。或者，可以通過在UF步驟期間使用高離子強度的緩沖液來降低所觀察到的道南效應。
2、選擇合適的膜包篩網
不同品牌的平板膜包都有多種篩網可供選擇。高濃高粘的蛋白制劑可以選擇懸空式湍流篩網。其優化的篩網結構能夠減少壓力損失，減緩進口壓力過高的現象；同時有效產生湍流，提高透過效果，減緩高濃度下比較容易產生的濃差極化，提高通量。
3、選擇中空纖維柱
相比平板膜包，中空纖維柱是高濃度抗體制劑制備的一種極佳的過濾材料，因為纖維內腔呈現非湍流的流體動力學，能獲得顯著更低的壓力降。通過0.5和1.0mm內徑纖維進行單抗的濃縮，我們發現，兩者存在性能差異，1.0mm內徑纖維可獲得更低的壓力降和更高的通量，從而縮短處理時間。
4、采用單向流超濾（SPTFF）技術
SPTFF技術是切向流過濾技術的一種運用，區別于常規TFF的循環運行，SPTFF中，料液單次通過超濾膜，沒有循環的過程。
相比平板膜包，中空纖維柱是高濃度抗體制劑制備的一種極佳的過濾材料，因為纖維內腔呈現非湍流的流體動力學，能獲得顯著更低的壓力降。通過0.5和1.0mm內徑纖維進行單抗的濃縮，我們發現，兩者存在性能差異，1.0mm內徑纖維可獲得更低的壓力降和更高的通量，從而縮短處理時間。
4、采用單向流超濾（SPTFF）技術
SPTFF技術是切向流過濾技術的一種運用，區別于常規TFF的循環運行，SPTFF中，料液單次通過超濾膜，沒有循環的過程。
同時SPTFF技術采用了非常低的流速，提高轉化率從而達到蛋白的目標濃度。SPTFF技術也簡化了超濾系統配置和簡化了操作。由于比較低的進口流速，泵、罐、管路等配置降低，更小的系統循環體積和滯留體積，提高了可達到的最終濃度，并提升了產品收率；進口流速減小，高濃度下也不會造成高進口壓力報警。
SPTFF技術中，物料只經過一次泵，減少了剪切力，在高濃度條件下，減輕了對蛋白質量的影響，大大提高了蛋白的穩定性，減少了多聚體的產生。更為便利的是，使用現有的膜包和夾具就能實現SPTFF。
近年來，高濃度抗體制劑因其治療潛力與易于對患者給藥而備受關注。然而，這些產品的開發一直在制造、穩定性、分析和管理層面存在挑戰。只有通過穩健的制造工藝與配方開發才能解決這些挑戰，最終才能實現可商業化的高濃度抗體產品。
SPTFF技術中，物料只經過一次泵，減少了剪切力，在高濃度條件下，減輕了對蛋白質量的影響，大大提高了蛋白的穩定性，減少了多聚體的產生。更為便利的是，使用現有的膜包和夾具就能實現SPTFF。
近年來，高濃度抗體制劑因其治療潛力與易于對患者給藥而備受關注。然而，這些產品的開發一直在制造、穩定性、分析和管理層面存在挑戰。只有通過穩健的制造工藝與配方開發才能解決這些挑戰，最終才能實現可商業化的高濃度抗體產品。