生物治疗药物包括多种不同的模式，其生产过程可能因模式而异。然而，在药物产品（DP）的开发和生产过程中，不同模式之间存在着诸多相似之处。这些相似之处涵盖了对目标产品质量概况（QTPP）的需求、分析开发、制剂开发、容器/封闭系统研究、药品工艺开发以及生产和技术要求等方面。这些要求通常由众多监管文件规定，例如美国食品药品监督管理局（FDA）、欧洲药品管理局（EMA）和国际协调会（ICH）对人用药品的规定，以及其他国家特定的要求。尽管关于药品开发所需研究的知识相当丰富，但目前尚缺乏明确的指导，以阶段依赖的方式规定在从临床前到商业化的不同临床开发阶段应完成哪些具体研究。鉴于此，我们制定了一份高级药品开发和生产路线图。该路线图适用于不同的模式，并旨在提供一个从生物药品早期开发到商业化的统一框架。
简介
在过去的几十年里，治疗性生物制药领域，尤其是抗体和工程抗体模式的探索与开发，已经取得了显著的进展。如今，市场上已有超过100种单克隆抗体（mAb）生物制药成功上市，同时全球大约有1000种研究分子正在临床试验阶段接受检验。从早期的发现阶段到最终成为上市产品，开发出高质量的生物治疗药物不仅是一项成本高昂的挑战，而且临床开发过程中较高的淘汰率进一步推高了平均投资成本。生物制药的临床和商业成功，最终取决于其在人类患者中的安全性、有效性和免疫原性表现。因此，确保药品能够以一贯的高质量、高效率以及低成本反复生产，是至关重要的。在本文中，我们将概述从早期阶段到工艺验证以及商业化的制剂和药品开发及生产的简化方法或路线图。这份路线图是基于多种已获批的蛋白质和单克隆抗体产品的丰富经验制定的，旨在适用于所有生物治疗产品。接下来的章节将详细阐述这些概念，并提供额外的信息和资源，以助于读者更好地理解和应用这些原则。
定义药品开发路线图
生物制药开发的核心目标是精心打造高品质的产品和生产工艺，确保产品性能始终符合预期，并精准满足患者需求。在制剂和药物产品（DP）开发过程中遇到的种种挑战，可以通过本路线图中详细规划的研究设计来一一攻克，具体可参见表1，并在后续章节中进行深入探讨。这份路线图的构思基于质量源于设计（QbD）理念，融合了临床及商业化阶段药品开发的丰富经验、全球监管机构对行业的指导规范，以及对生产与DP开发最新评论的洞察。
尽管在过去二十年间，生物制药的种类和数量呈现出显著的多样化趋势，涵盖了单克隆抗体、抗体衍生物、Fc融合蛋白、细胞因子、双特异性抗体、抗体偶联药物、聚乙二醇化酶、核酸（例如mRNA，通常与药物递送系统如脂质纳米颗粒、病毒样颗粒等结合使用）、病毒载体以及基于细胞的治疗系统等，但其从临床前开发迈向商业化的基础研究路径却有着诸多相似之处。实际上，监管机构的众多指导文件并非针对特定的治疗方式，而是依据项目的具体需求灵活采用。在一些特殊领域，比如基因和细胞疗法，美国食品药品监督管理局（FDA）会提供额外的指导方针，并给出更详尽的解释说明，以确保这些前沿疗法的开发和应用符合高标准的质量和安全要求。
制定路线图的关键在于识别在不同药物产品（DP）形式（例如小瓶和预充针中的液体和冻干药物产品）开发过程中所面临的常见挑战。表2以治疗性蛋白质为例，突出了常见问题。然而，这些问题与大多数药物产品相关，尽管其相关性和理解程度会因所研究的分子而异。为了进行早期临床研究，在临床I期和II期可以使用平台制剂和生产工艺，这些需要最低限度的开发。对于那些缺乏现有技术知识且尚未开发出平台制剂的新模式，可能需要在早期临床I期和II期进行更广泛的制剂研究。随着产品开发进入临床III期和商业化阶段，将根据质量目标概况（QTPP）的更新进行额外研究，以确定优化的制剂，确保药物在商业生产、储存和临床给药期间的质量和稳定性。药物产品开发研究的一个重要方面是药物底物（DS）工艺及其产生的DS质量和纯度。图1以单克隆抗体（mAb）为例，突出了用于DP开发和表征的研究序列的材料来源。工艺开发团队和制剂团队之间的紧密合作至关重要，以便持续了解哪些工艺修改可能会影响DP质量和稳定性，包括上游生产和下游纯化的修改。上游生产的变化，例如从mAb的补料分批发酵到强化补料分批发酵再到连续工艺发酵，都可能影响杂质谱，从而导致宿主细胞蛋白（如肽酶和酯酶）的变化，这会影响产品的长期稳定性。对于细胞和基因治疗产品，从基于质粒的生产改为基于稳定细胞系的生产，以及从小批量2L发酵罐扩大到≥2000L发酵罐，都会对杂质概况产生重大影响。与层析柱供应商、柱纯化条件的变化、过滤器类型、过滤器结构材料和化学品供应商的变化相关的下游工艺的微小变化都可能导致宿主细胞蛋白杂质概况的变化，并且化学杂质（例如金属污染）可能会影响长期稳定性。因此，应通过进行桥接研究，在适当的开发阶段使用早期材料开发的制剂与最终工艺材料进行验证。在临床前/I期开发期间，理想情况下使用毒理学批次的最终工艺物料来确认制剂，而在临床II期进行的开发则使用关键材料和商业化前的工艺性能确认（PPQ）阶段进行确认。
在加速注册的情境下，可能省略了II期临床试验，直接从I期临床试验过渡到关键性临床试验，这在针对未满足医疗需求的适应症，尤其是关键抗肿瘤药物中较为常见。在这种特殊情况下，制剂开发团队和工艺团队可以考虑将制剂开发与稳健性研究相结合，并与关键工艺参数的工艺表征以及最坏情况下的工艺条件进行整合。这种策略有助于确保在加速开发过程中，制剂的质量和工艺的稳健性得到充分评估和验证，以满足监管要求并保障患者安全。
临床前/I 期开发
生物药物产品的早期开发阶段由一系列活动定义，其目的是向监管机构提交新药临床试验申请（IND）并获得启动I期临床试验的批准。这些活动包括开发药物底物的生产工艺、药物产品的制剂和设计、分析方法的开发、动物临床前毒理学和安全性研究、药物底物（DS）和药物产品（DP）的现行良好生产规范（cGMP）生产、编写通用技术文件（CTD），以及向监管机构提交IND申请以供审查和批准启动临床试验。如表1所示，药物产品开发路线图涵盖了这些活动的子集，并将在后续章节中进行详细讨论。
初始 QTPP 开发
在开展开发活动之前，定义目标产品质量概况（QTPP）至关重要。QTPP专注于化学、生产和控制（CMC）属性，涵盖预期在临床环境中的用途、给药途径、剂型、递送系统、剂量强度、制剂、储存条件、容器封闭系统以及适合预期上市产品的药品质量标准（例如无菌性、纯度、稳定性和药物释放）。值得注意的是，QTPP可用于协助在开发的早期临床前阶段选择模式和最终候选分子。QTPP可以整合预期的商业上重要的产品特性，尽管在早期开发阶段这一点并不关键，但有助于实现以患者为中心的商业药物产品（DP）设计，这对于市场接受是必要的。鉴于众多可用于设计、整合和选择分子所需特性的工具，可以避免诸如翻译后修饰、聚集等问题带来的重大挑战。这将为临床开发期间确定的存储、处理和交付选项提供更大的灵活性。
QTPP不仅在项目团队内部，而且在行业与FDA或其他监管机构之间都是一个重要的沟通工具，它为DP的CMC方面提供了明确的定义。该文件对于建立基于质量源于设计（QbD）的开发计划至关重要，并作为确定使临床试验计划成为可能的DP表征的蓝图。QTPP的开发促进了产品开发团队和临床团队之间的对话，因为药品特性是在制剂开发过程中定义的。有时，这些特性可能会对临床试验设计造成限制，例如在高蛋白质浓度下出现的不溶性或不可接受的粘度问题。QTPP被视为一个活文件，随着在开发和临床试验过程中从产品理解中获得新知识，它会不断更新。表3展示了一个单克隆抗体（mAb）的QTPP示例及其在早期和后期开发之间的变化。
表 3. 生物制药产品开发的质量目标产品概况 (QTPP) 示例。
分析开发
用于确定药物产品（DP）降解和杂质概况的分析方法的建立通常与生产工艺的建立和制剂的开发同步进行。这些分析方法本身通常被定义为用于评估质量、安全性、活性、数量和纯度（包括工艺相关和产品相关杂质）的检测手段，可进一步细分为产品特定检测和药典检测。产品特定检测正如其名称所示，通常与活性药物成分的产品质量和活性或效力密切相关，包括用于检测蛋白质聚集体的尺寸排阻高效液相色谱（SE-HPLC）分析、用于分析空腺相关病毒（AAV）衣壳和完整AAV衣壳的分析性超速离心、蛋白质片段分析，以及用于疫苗和病毒载体的毛细管电泳-十二烷基硫酸钠聚丙烯酰胺凝胶电泳（CE-SDS或SDS-PAGE）、与翻译后修饰相关的电荷异质性的离子交换色谱（IEX）或毛细管等电聚焦电泳（cIEF），以及AAV结合检测以确定早期活性，随后进行功能检测以确定效力。
许多公司开发了针对特定分子实体的分析平台。如果尚未建立平台检测方法，则需要开发针对特定分子的分析方法。分析平台允许使用已建立的分析检测方法评估新产品。例如，尺寸排阻高效液相色谱（SE-HPLC）、还原和非还原毛细管电泳-十二烷基硫酸钠聚丙烯酰胺凝胶电泳（CE-SDS）、和毛细管等电聚焦电泳（cIEF）等技术常被用作产品特定检测。虽然结合检测方法具有靶标特异性，但检测方法本身可以在公司内部建立为平台，例如酶联免疫吸附测定（ELISA）或生物传感器平台。在此阶段，检测方法被开发为“适合用途”并由分析开发小组进行鉴定，然后转移到质量控制小组，用于药物底物（DS）和药物产品（DP）的现行良好生产规范（cGMP）生产、放行和稳定性研究。由于制剂开发将与分析开发并行进行，因此应制定策略来证明使用早期分析检测方法和开发后期的鉴定检测方法的稳定性可比性。
非产品专用检测，旨在确保产品质量，通常是依据药典标准进行的检测，这些标准由美国药典、欧洲药典、日本药典以及其他相关机构制定。此类检测包括对颜色、澄清度、可见颗粒、亚可见颗粒、pH值、渗透压、蛋白质浓度、容器密封完整性、无菌性、细菌内毒素以及可提取物的检测。尽管这些检测并非专门为产品开发设计，但无菌性、内毒素和生物负荷等检测需要针对产品基质进行验证。对于某些特定分子，药典中也可能包含针对产品的特定分析方法，例如胰岛素的反相高效液相色谱（RP-HPLC）或聚山梨酯的检测方法。此外，非药典、非产品专用检测还包括聚山梨酯浓度的测定等。
对于制剂开发团队而言，至关重要的是采用与分析团队一致的平台检测方法，并确保这些平台检测方法能够有效地检测预期的降解产物。例如，尺寸排阻高效液相色谱（SEC-HPLC）是一种基于分子大小分离的HPLC技术，适用于分析蛋白质的聚合状态和分子量分布。此外，毛细管电泳-十二烷基硫酸钠（CE-SDS）技术结合了毛细管电泳和SDS凝胶电泳，用于蛋白质和多肽的纯度分析，具有高度重复峰型和良好的重现性。这些方法的选择和验证对于确保药物产品的质量和稳定性至关重要。同时，酶联免疫吸附测定（ELISA）也是一种常用的分析方法，用于检测抗原或抗体，具有高度的敏感性和特异性。通过这些平台检测方法，可以确保药物产品在开发过程中的质量控制和稳定性评估。
制剂开发
理想情况下，制剂开发应与生产工艺的开发、分子实体的表征以及分析检测的建立同步进行。从项目启动之初，就应验证赋形剂、原材料和耗材的来源是否符合药典标准，并确保能够以适当的等级采购，以满足后续生产的需要。适用于制剂的赋形剂类型可以在美国食品药品监督管理局（FDA）维护的“一般认为安全”（GRAS）目录、FDA非活性成分指南以及加州大学旧金山分校的赋形剂浏览器中找到，后者保存了FDA数据库中关于赋形剂的大量信息。许多研究人员可能会在商业产品中尝试尚未获批的新型赋形剂。尽管这些赋形剂可能提供所需的药物产品（DP）特性，但制剂团队需要意识到，将新型赋形剂商业化可能需要额外的开发时间、成本和监管工作，例如进行广泛的动物毒性研究。
此阶段的目标是在确保为临床团队提供足够灵活性以进行I期安全性研究并适应II期剂量探索研究的同时，尽快进入临床阶段。因此，随着生产工艺的发展，产品的杂质谱会不断改进，产品特性也会随之变化。杂质包括翻译后修饰（PTM）、聚体、工艺残留物（如亲和柱中的Protein A配基）、宿主细胞DNA、基因治疗产品的质粒DNA，以及蛋白质治疗药物和基因/细胞治疗产品的宿主细胞蛋白。了解用于开发的产品的杂质谱在任何时候都很重要，因为这些杂质可能会影响稳定性、颗粒形成和免疫原性潜力，尽管最近对单克隆抗体（mAb）制剂中宿主细胞蛋白（HCP）的分析表明其对药物的免疫原性风险很低。另一方面，具有脂肪酶/酯酶功能的HCP会水解聚山梨酯，从而导致脂肪酸（亚）可见颗粒的形成和功能性聚山梨酯的损失。
制剂平台通常也用于早期开发阶段的产品。对于mAb，典型的液体平台制剂可能是含有25-100 mg/mL mAb、组氨酸缓冲液、聚山梨酯80以及pH为6的等渗蔗糖。此阶段平台制剂的优势在于能够快速进入临床，并通过最低限度的研究验证平台制剂的稳定性，包括早期运输研究或搅拌研究、冻-融研究，以及冷冻（-80°C和-20°C）和液体（2-8°C、25°C和40°C）储存研究。-80°C储存提供参考控制，还提供药物底物储存的初步数据。DP的长期冷冻储存可显著降低PTM或运输诱导聚集的风险。许多公司使用开发平台，将制剂冷冻储存在-20°C或-80°C下，或进行冻干，以避免在储存期间产生PTM，在冷藏温度下储存以及在将产品运送到仓库和临床地点期间形成聚集/颗粒。然而，对于许多基于抗体的疗法，从I期开始在2-8°C下储存的平台液体制剂也变得普遍，并且具有从开发早期阶段开始通过这种DP呈现形式获得临床经验的优势。
如果使用早期工艺开发材料进行制剂开发研究并证明其稳定，则毒理学批次的生产可以与长期制剂研究同时进行，而不是依次进行，从而大大缩短开发时间。对于新的或显著修改的分子实体，如Fc结合物、mAb-蛋白质/肽结合物或新的蛋白质生物治疗药物，需要遵循更传统的制剂开发途径，通常包括pH和赋形剂筛选研究、急性研究以了解降解途径、溶解度和聚集倾向、冷冻/解冻、运输/搅拌研究和冷冻/液体储存研究。
在抗体偶联药物（ADC）的制剂和工艺开发中，应考虑构成这种分子的三个组分，即抗体药物底物（DS）材料、连接药物DS材料和最终药物产品（DP）材料。一旦连接药物结合，抗体的稳定性特征就会有所不同。结合的异质性可能导致聚体增加、分子丢失或过度活跃等问题。对于细胞疗法的制剂方面，目前还没有发展到与ADC相同的程度，通常涉及含有不同量二甲基亚砜（DMSO）的细胞储存溶液。基因疗法的制剂方面遵循单克隆抗体（mAb）制剂的原理。
在开发早期，建立颗粒概况并持续表征该概况至关重要，因为它们可能会影响免疫原性。虽然显微镜和光遮蔽是定义颗粒数量和大小的药典方法，但美国食品药品监督管理局（FDA）鼓励在开发早期通过流动成像和背景膜成像等正交技术收集数据，这些技术可以提供有关颗粒根本原因的信息。DP灌装和封口操作期间失败的原因包括外观、小瓶/瓶塞/卷边缺陷以及容器中的内在和外在颗粒。表征分子形成不溶性聚集体或颗粒的倾向、促进其形成的条件以及颗粒特性可能推动识别和缓解策略。
为了加快开发进程、确保制剂与储存容器的兼容性并降低药物产品（DP）生产成本，公司可以使用预定义的容器/封闭系统，该系统与预期的合同开发制造组织（CDMO）或DP生产工厂的灌装线兼容且之前已通过认证。最常见的西林瓶是ISO 2R、6R和10R玻璃I型，带有13 mm或20 mm氟聚合物涂层弹性塞。西林瓶可在预清洗和除热原的桶中获得，确保它们经过与DP生产过程相同的处理。塞子可以在使用前预先清洗并准备好灭菌，再次确保公司只需在使用前对组件进行最低限度的处理并模仿生产过程。
使用中兼容性研究
根据预期的目标器官和给药途径，I期临床试验可以通过静脉、眼内、鞘内、皮下或其他适当途径启动（如果此阶段可行且由QTPP定义）。在临床使用DP之前，需要使用适当的给药系统（例如静脉稀释剂和给药系统、封闭系统转移装置（CSTD）和注射器组件）进行使用中的兼容性和稳定性研究，以确保活性药物成分的安全性和给药。虽然只有最低限度的监管指导，但行业工作组最近发布的两份出版物发表了行业对生物制药使用中稳定性和兼容性的方法，涵盖临床开发和商业用途。对于静脉给药，《Pharmacy Manual》中描述了在静脉袋中制备稀释DP所需的步骤、静脉袋的类型、可接受的储存时间和温度、静脉的输注、在线过滤器的类型和给药时间。在开发初期，静脉输液兼容性研究应尽可能少，并证明与单个代表性静脉输液袋/输液器具的生理盐水和/或葡萄糖的兼容性。在极少数情况下，需要开发额外的稀释稳定剂溶液以减少吸附。PVC是静脉输液袋最常见的结构材料，尽管非PVC袋也在使用。由于USP<800>医疗环境中的危险药物处理，CSTD越来越多地被美国药房用于在静脉输液袋中制备产品。如果生物制药（即使无毒）是抗肿瘤药物，则属于USP<800>类别。虽然不同生产商的CSTD具有共同的组件类别，但它们的设计和结构材料差异很大，可能会导致许多问题，包括颗粒脱落、聚集、界面应力、吸附和滞留体积大。如果要在I期使用CSTD，则需要与各个药房或临床站点合作，确定站点使用的CSTD，评估产品与CSTD的兼容性，并在必要时用DP测试CSTD。由于不同生产商的CSTD各不相同，因此不可能像对静脉输液系统那样对DP进行结构材料的测试。还需要进行注射器兼容性研究，以确保在输送给患者之前的稳定性。应该强调的是，在制备静脉输液袋后，不应通过医院或诊所内的气动管道运输它们，因为这已被证明会导致静脉输液袋中的某些产品形成大量颗粒。此外，如果药房与诊所分开，可能需要对制备的产品进行产品运输研究，以确保从溶液制备到输送到患者床边的稳定性。如果没有微生物挑战数据，静脉输液袋或注射器的储存时间将限制为室温下4小时，尽管根据国家和监管机构的不同，时间可能会更长。还可以利用微生物挑战研究和制剂平台，允许在不同的开发项目中使用单个研究来支持更长的静脉输液袋保存期。
GMP DP 生产和稳定性监测
在当前阶段，应设计药物产品（DP），以便无需特殊工艺要求即可将药物物质（DS）灌装到主要包装材料中。最简便的方法是通过以下工艺流程将配制的DS原液直接制成配制的DP原液：首先配制DS原液，然后进行混合，接着进行生物负荷过滤，之后将液体转移至不同容器，再进行除菌过滤以生产配制的DP原液，随后进行灌装、封塞、封盖以及目视检查。大多数合同开发与生产组织（CDMO）的生产线上都配备有经过认证的特定容器/封闭系统，通过在开发过程中与这些系统保持一致，通常可以避免进行工程运行。如果需要，可以加入稀释步骤，以便将浓度更高的DS用于Ib期或II期临床试验。关键步骤的控制对于确保最终生产的DP的质量至关重要。用于早期研究的材料的典型测试包括生物负荷控制、混合或稀释后的蛋白质浓度检测、除菌过滤器的完整性测试、灌装重量检查以确保足够的可提取量、DP生产后的外观测试、无菌性测试以及容器封闭完整性测试，以确保DP在储存期间的无菌性。
如果从毒理学到GMP生产的制剂和工艺没有显著变化，毒理学批次也可作为I期供应GMP批次稳定性的先导批次。为了延长重新测试日期，使其足够早于临床试验中使用的DP，可以使用非GMP先导批次，例如使用与GMP批次相同的制剂和工艺生产的毒理学批次，并使用与GMP相同的合格检测方法监测稳定性。使用来自毒理的非GMP批次应比GMP批次至少提供额外3个月的稳定性，并使毒理批次的放行和稳定性与GMP批次保持一致。在这种情况下，可以提交IND，其中包含GMP DP批次至少1个月的稳定性，并利用毒理学批次的较长稳定期作为支持批次信息，以延长临床研究期间GMP批次的保质期。
