單抗藥物發(fā)展趨勢及工程設計分析

（中國電子系統(tǒng)工程第二建設有限公司 江蘇 214072）

單抗是單克隆抗體藥物的簡稱，單克隆抗體藥物在生物技術制藥中占有重要地位，并逐漸成為生物醫(yī)藥領域發(fā)展的主要方向。單克隆抗體是由單一B細胞克隆產生的針對單一抗原表位的結構均一、高度特異的抗體。其制備的藥物具備以下優(yōu)勢：

（1）特異性強，可以進行靶向治療；

（2）無限增殖，特性穩(wěn)定，可以進行批量制備；

（3）靈敏度高，副作用小，用藥量少，蛋白質類藥物不會額外對肝腎造成負擔。

近十多年單抗藥物的銷售也一直保持高速增長，如今單抗藥物的銷售額早已突破千億美元大關。據(jù)SFDA官方報道2016-2017年全球最暢銷的10個藥物銷售統(tǒng)計，其中6個是單抗藥物，由此可見單抗藥物的優(yōu)勢和前景。在2019年全球銷售額前二十的藥品中，其實有13個是生物藥，而單抗藥物更是占據(jù)其中的9席之多，可以說單抗藥物目前是全球制藥市場最重要的細分領域之一。其中單抗藥物阿達木（Humira），最近幾年一直被稱為“藥王”，在2019年阿達木單抗藥物的銷售額高達196億美元。

自1986年FDA批準第一個治療性單克隆抗體藥物以來，單克隆抗體藥物從靶點開發(fā)到技術改進，從臨床研究到商業(yè)化策略，各個方面均日趨成熟，已經成為醫(yī)藥領域的主流新秀。目前，中國抗體藥物市場空間非常巨大，同時國家政策支持力度大，人才不斷聚集，單抗產業(yè)正進入關鍵的發(fā)展時期，未來隨著醫(yī)保對于單抗藥物的覆蓋加大以及國內單抗產業(yè)的發(fā)展，市場將繼續(xù)維持高速增長。

1.單抗藥物的生產工藝簡介

單抗藥物生產工藝流程大致可以分為三個階段：

（1）上游工藝（從種子到收獲）；

（2）下游工藝（從蛋白捕獲到原液收獲）；

（3）制劑工藝（以凍干制劑為例，從配液到成品儲存）。

整個單抗藥物的生產工藝流程主要包括細胞接種、細胞擴增、細胞培養(yǎng)、收獲、純化、超濾濃縮以及無菌制劑。

(1)上游工藝

主要工藝步驟包括：

①細胞接種。從種細胞庫中取出工作種子，然后在生物安全柜中水浴復蘇，將細胞接入搖瓶進行培養(yǎng)，直到設定密度。

②細胞培養(yǎng)。接種區(qū)細胞接入搖袋式反應器，隨后在各級生物反應器中進行逐級放大培養(yǎng)，在培養(yǎng)過程中不斷地檢測反應器中溫度、壓力、溶氧量、pH等，在抗體滴度到達目標值后進行收獲。

③收獲。通過碟片離心機和深層過濾系統(tǒng)棄掉細胞和細胞碎片，收獲細胞培養(yǎng)液。

上游工藝最核心的部分就是細胞培養(yǎng)。加大細胞培養(yǎng)的規(guī)模是企業(yè)降低成本提高利潤的有效手段。國內動物細胞的大規(guī)模細胞培養(yǎng)技術還在起步階段，相關的生產技術和裝備制造技術有待提高。目前國內最大的細胞培養(yǎng)罐在6000L左右，相對國外動輒過萬的培養(yǎng)罐，國內流加培養(yǎng)規(guī)模較小。

(2)下游工藝

主要工藝步驟包括：

①粗純。收獲后的料液進行高效捕獲目標蛋白，主要工序為層析純化，低PH病毒滅活，常見的親和層析系統(tǒng)，陰離子層析系統(tǒng)，陽離子層析系統(tǒng)等，過程需要嚴格進行溫度，PH等工藝參數(shù)的控制。

②精純分裝。將粗純收獲液經過超濾濃縮和緩沖液交換后，加入蛋白穩(wěn)定劑和賦形劑制成原液，分裝入儲存袋或者儲存桶內待檢。

下游工藝的分離純化為抗體制備的關鍵工藝，純化工藝效率直接影響單抗產業(yè)化成本。純化工藝效率一方面體現(xiàn)在雜質是否分離徹底，另一方面也體現(xiàn)在各個純化步驟所用時間，特別是過層析柱所用的時間效率。

(3)制劑工藝

單克隆抗體制品屬于生物制品，為了保證其藥效和便于儲存使用，單抗制品的制劑形式常見的有：凍干粉針、安瓿瓶、預充式水針。以凍干粉針為例，主要工藝步驟包括了洗瓶，配液，灌裝及半加塞，凍干，軋蓋等。

2.單抗藥物的廠房設計

(1)主工藝區(qū)特點分析

根據(jù)工業(yè)化生產需求，主要的功能分區(qū)緩沖液/培養(yǎng)基配制區(qū)、緩沖液暫存區(qū)、種子擴培、細胞培養(yǎng)區(qū)、收獲區(qū)、純化區(qū)、超濾間等。

①緩沖液、培養(yǎng)基配制區(qū)域。一般這兩個輔助區(qū)域都設置為D級區(qū)，也有將緩沖液配置定為C級，主要根據(jù)配制工藝以及操作風險來判定級別。該區(qū)域主要設備為各類罐體，一般需要設置鋼平臺，此外還需要配套機械間、稱量室、清洗間、滅菌間、CIP站。工業(yè)化生產的配制系統(tǒng)一般采用全封閉系統(tǒng)防范微生物等風險。

②緩沖液暫存區(qū)域。由于需要大量使用緩沖液，在工業(yè)化生產時一般需要設置緩沖液暫存區(qū)。一般為CNC區(qū)域，主要靜置的貯存罐體，該區(qū)域設計重點為工藝管道，特別是管廊架的設計與施工，緩沖罐區(qū)域。

③種子擴培。一般為C級區(qū)，確保生物安全及防止微生物污染，有生物安全柜，建議獨立設計空調系統(tǒng)。種子擴培操作一般在的生物安全柜下操作，設置安全柜獨立排風，排風經過高效過濾器進行過濾處理。

④細胞培養(yǎng)及收獲間。細胞培養(yǎng)與收獲為核心工藝區(qū)，一般設置為D級區(qū)，主要設備為細胞生物反應器（不銹鋼罐或一次性設備）。細胞生物反應器需要進行嚴格的工藝控制，確保細胞增殖處于穩(wěn)定的環(huán)境。此生產區(qū)需要配套鋼平臺、種子間、清洗、滅菌、CIP站等功能間。目前細胞培養(yǎng)都在追求規(guī)?；?，生產企業(yè)都希望通過更大的規(guī)模來換取更大的利潤空間。多級細胞培養(yǎng)的生物反應器系統(tǒng)。

⑤層析純化。該區(qū)域同樣是單抗藥物生產的核心工藝區(qū)，一般設置為C級區(qū)，主要設備為各類罐體和層析柱。區(qū)域內需要配套裝柱間、清洗間、滅菌間、CIP站等功能間。純化工藝一般采用全封閉式管道系統(tǒng)，因為純化工藝都是直接和藥液接觸，需要確保工藝過程的無菌。純化工藝主要需要追求規(guī)模化、連續(xù)性和高效率。純化間層析系統(tǒng)。

⑥超濾與分裝。該區(qū)域一般為C級區(qū)，主要為超濾系統(tǒng)、層流系統(tǒng)、產品儲罐，需要配備清洗間、滅菌間、CIP站等功能間。超濾系統(tǒng)及原液分裝的層流系統(tǒng)。

(2)人物流設計

①盡量實現(xiàn)單向流

分別設計清潔物料和污染物料的進入口，人員進出通道和物料進出通道分開，不同區(qū)域的入口盡量分開設置，主要人流通道和物料通道盡量分開設置。人作為制藥廠房內最大的污染源，我們需要格外關注人流通道的設計。

②合理的物流設計

大規(guī)模單抗生產車間中物料在車間內主要以液體形式存在。培養(yǎng)基、緩沖液的配制、儲存和使用會涉及大量物料的轉運，如何合理組織物料運輸是物流設計的重點。為了充分利用重力流，我們在進行工藝布局的時候可以將工藝區(qū)域按照前后順序自上而下地進行布置。比如可以將緩沖液和培養(yǎng)基配制設置在3層，然后將細胞培養(yǎng)區(qū)域設置在2層，將純化超濾設置在1層。這樣物料的流向就可以保持從高往低處流動，不僅減少了阻力也減少了管道內的料液殘留。如果平面設計是大平層設計，我們還可以考慮壓縮空氣壓料的方式進行轉運。通過合理的物流運輸途徑和物料方式選擇可以最大化的提高生產效率和節(jié)約能源。

③恰當?shù)娜宋锪鞴芸卮胧?/p>

人物流的管控主要通過各類門禁、互鎖裝置來實現(xiàn)。為防止不同區(qū)域人員的交叉污染以及保證不會發(fā)生混淆差錯，門禁系統(tǒng)是必須使用。此外合理的互鎖設計可以有效的保證功能區(qū)避免外界污染。物流通道上可以設置電動門，由于物流通道經常伴隨著小推車等出入，使用電動門可以很好的實現(xiàn)自動閉合而不影響通行，電動門還可以很方便的配合門禁系統(tǒng)使用。通過門禁系統(tǒng)的密碼管制，實現(xiàn)符合要求的操作人員進入關鍵區(qū)域，并可以追溯操作痕跡，限制非工藝人員進入?；ユi系統(tǒng)的控制面板可以安裝在門框上或者是在彩鋼板上嵌入式安裝，該面板可以顯示互鎖解鎖的倒計時時間以及對應互鎖門的通行狀態(tài)。

(3)空調系統(tǒng)及公用工程系統(tǒng)設計

①空調系統(tǒng)設計?？照{系統(tǒng)設計需要充分考慮風量平衡（考慮工藝排風的需求）、壓差梯度設置、氣流組織，不同功能區(qū)劃分為不同空調系統(tǒng)，有生物活性或者風險較大的工藝區(qū)單獨劃分空調系統(tǒng)。當房間內布置生物安全柜時，還應該特別注意生物安全柜的布置位置，生物安全柜應安裝于排風口附近，不應安裝在氣流激烈變化和人走動多的地方，不應安裝在門口。生物安全柜應處于空氣氣流方向的下游。空調系統(tǒng)設計時還應考慮不同的運行模式，例如工作模式、值班模式、消毒模式等。

②公用工程設計。單抗生產廠房所需的公用工程是比較復雜的，常見的公用工程系統(tǒng)包括：給水系統(tǒng)、排水系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)、采暖與空調系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)等。生物制品車間一般需要設計地下室，用于放置廢水消毒滅活設施。公用工程的設計的重難點在于不僅要考慮當下的車間需求還需要為以后產品擴能或者車間改建做好充分的預留。此外，在進行公用工程設計時盡量考慮采用管廊的設計方案，不僅美觀整齊，還便于施工和后期檢修。

3.總結

隨著單克隆抗體生產規(guī)模的急速擴大，生產技術也正在不斷完善，國內很多領先的生物制藥企業(yè)已經具備了國際一流的單抗生產線。但是，目前我國大規(guī)模單抗生產車間的設計和施工經驗依舊欠缺，隨著生產設備的持續(xù)改進，自動化程度的不斷提高，產量不斷放大，對于廠房設施也提出了更高要求。我們應該隨著產業(yè)進步，不斷學習和總結，助力我國的單抗事業(yè)的蓬勃發(fā)展。