可见异物颗粒的出现是生物制药行业中的一个重要问题,可能出现在生物制品生命周期的所有阶段。蛋白药液中的可见异物颗粒进入体内可能引起包括血管栓塞,静脉炎,肉芽肿等不良反应,甚至引起全身感染,直接危害患者的身体健康。一旦出现可见异物颗粒,通常需要进行科学的分析鉴定和根本原因分析,以确保生物治疗产品的安全性和有效性。
近期,药明生物分析科学团队(Analytical Sciences,AS)颗粒异物鉴定和生物物理表征卓越中心在PDA Journal of Pharmaceutical Science and Technology期刊上发表了关于生物制药业常见可见异物颗粒的鉴定和溯源研究的文章(Identification and Root Cause Analysis of the Visible Particles Commonly Encountered in the Biopharmaceutical Industry, DOI:https://doi.org/10.5731/pdajpst.2023.012894)。
文章系统性地对制药业常见可见异物颗粒进行研究并归类,针对外源颗粒,内源颗粒和固有颗粒,从颗粒的鉴定技术,到溯源研究,以及控制策略都进行了探讨,为同行降低制药业常见异物颗粒的产生提供可行的参考。
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如何进行可见异物颗粒的分离和鉴定?
对于不同形态的颗粒应采取合适的分离方式和制样方式,以确保颗粒处于最佳的状态以供测试。对于点状颗粒,一般会使用过滤法,在光学显微镜的协助下利用移液枪将颗粒转移到镀金滤膜上,利用真空泵进行负压过滤。对于纤维状颗粒,在光学显微镜下用金属探针将颗粒转移到NaCl盐片或镀金镜片上。
颗粒鉴定常用到的仪器有:光学显微镜(OM),红外显微(FTIR),拉曼显微镜(Raman)和扫描电镜能谱分析仪(SEM-EDS),见图1。
图1 颗粒鉴定常用到的仪器和技术
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外源颗粒
一般将那些不属于配方、包装材料或组装过程的异物定义为外源颗粒。外源颗粒是在药品生产和包装过程中意外引入的,它们可能来源于环境、设备、人员或其他非原料的来源。识别和控制这些外源颗粒对于确保药品的质量和安全性至关重要。
图2 纤维素颗粒的原位和分离(插图)后的光学显微镜图片点状(a), 纤维状(b), 片状(c);纤维素异物颗粒(红色)和参考品(蓝色)的红外光谱(d);无尘布(e)和经过灭菌的包装材料(f)
纤维素是典型的外源颗粒。如图2a-c所示,纤维素颗粒的外观可能是点状,纤维状或片状颗粒。利用红外光谱技术(图2d)可以准确判断颗粒的ID。制剂(DP)生产过程中纤维素颗粒的来源很多,如无尘布(图2e)或经过灭菌的包装材料(图2f)等。这也说明了这些物品的正确选择和使用对于维护高标准的生产质量和安全性是必不可少的。
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内源颗粒
内源颗粒通常来源于配方成分、组装过程和包装材料。这类颗粒问题通常与生产过程中的相关缺陷或包装相关材料有关。内源颗粒也可能因为产品随时间变化而产生,例如活性药物成分(API)不稳定和配方降解以及药品与包装材料之间的反应。
图3 滑石粉颗粒的原位和分离(插图)后的光学显微镜图片(a);异物颗粒(红色)和参考品(蓝色)的红外光谱图 (b);异物颗粒扫描电镜结果(c, d)
滑石粉是典型的内源颗粒。在溶液中一般呈现为白色点状颗粒(图3a)。对分离后的颗粒进行红外光谱分析(图3b)和元素分析(图3c, d含有元素Mg, Si 和 O),可以明确判断颗粒的ID为滑石粉。
通过溯源调查发现,原液(DS)中出现的滑石粉颗粒通常来自PC(聚碳酸酯)瓶盖内的硅胶衬垫,其生产过程中一般会加入滑石粉颗粒以防止粘连。这些颗粒可能会脱落至原液中导致可见异物的出现。一般认为,原液中的滑石粉颗粒在DP灌装时可以通过0.22 μm滤膜过滤加以去除。
为了避免滑石粉颗粒的产生,可以采取更高级别的PC瓶,如PETG(聚对苯二甲酸乙二醇酯-1,4-环己烷二甲醇酯)瓶。容器的最终选择不仅取决于对产品性质的评估,还需考虑法规要求、成本效益、可持续性等因素,选择容器时需要确保产品的稳定性、安全性和有效性,且符合相关的法律法规要求。
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固有颗粒
固有颗粒主要来源于蛋白质的聚集或蛋白质与其他配方成分的混合物。随着聚集体颗粒的增长,它们逐渐变成不溶性且形态多样的颗粒,可能呈现片状、纤维状、絮状、雾状或其他非晶形态。
蛋白质相关颗粒的形成通常是蛋白质治疗剂开发过程中的主要质量问题之一。因此,研究这类颗粒对于理解蛋白质稳定性和过程开发中的质量控制至关重要。
图4 典型蛋白质和脂肪酸的混合物颗粒的原位和分离后(插图)的光学显微镜图片(a, b);异物颗粒(红色)和参考品(蓝色和黑色)的红外光谱图(c)。
蛋白质和脂肪酸的混合物是一种常见的固有颗粒。在溶液中通常表现为大量的细小颗粒(图4a),混合着少量的较大片状颗粒(图4b)。通过对颗粒红外光谱(图4c)的分析比对,可确定颗粒的ID。
研究表明,游离脂肪酸通过疏水相互作用与蛋白质紧密结合,可能触发蛋白质颗粒的聚集。一般来讲,游离脂肪酸的来源有以下几种:脂肪酸作为一种杂质成分存在于商业化的吐温产品中,这些杂质的量取决于原料的质量等级。吐温降解可以产生脂肪酸,其降解可以通过水解、氧化和相关脂酶的裂解等途径发生。此外,脂肪酸还可通过表达、纯化和病毒灭活工艺引入最终的DS中。
因此,可以通过控制聚山梨酯原料的质量等级、抑制降解条件和改善相关开发过程来避免或最大限度减少脂肪酸颗粒的出现。
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结语
由于异物颗粒一般较小且往往具有独特性,其鉴定需要精准细心的样品制备,以及专业的分析技能和丰富经验。
对于复杂异物颗粒的样本,建议采用多种分析方法进行鉴定和交叉验证,以更加严谨的科学结果助力后续根本原因研究、风险评估以及实施控制和缓解计划。
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关于药明生物分析科学部颗粒异物鉴定卓越中心
药明生物分析科学部颗粒异物鉴定卓越中心(Forensic Analysis Center of Excellence)成立于2017年初,至今已是中国乃至全球为数极少的专为生物制药产品质量和安全提供颗粒异物鉴定分析和参与根源性调查的专业中心。该中心拥有一支经验丰富具国际先进水平的专业性团队,由资深海归科学家担任负责人。目前该中心已支持服务上千个项目,除了来自公司内部众多部门的样品外,还支持了大量来自其他外部公司的样品,完成了大量颗粒和异物鉴定工作,积累了丰富经验,并积极参与了研发和生产过程相关异常事件的根源调查,支持了公司对药检部门实地审计的准备和应答。
该中心拥有标准化的鉴定流程及成熟的微粒转移技术,并配备有国际水平的分析仪器及庞大的红外和拉曼光谱数据库(商用数据库和内部数据库),可通过不同方法对鉴定结果进行交叉确认,以确保鉴定结果的可靠性和准确性。
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