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01月03日

国产新冠疫苗上市—疫苗开发与生产的进步与挑战 ​

作者 : admin | 分类 : 生物医学 | 超过 7 人围观 | 已有 0 人发表了看法
原标题:国产新冠疫苗上市—疫苗开发与生产的进步与挑战 ​

科学家在支持疫苗开发的生物工艺和分析技术方面取得了重大突破。此类技术已帮助疫苗制造企业快速、经济高效地获得稳定产品的纯度和质量。尽管由于全球疫苗市场的快速增长,对疫苗开发和制造的热度持续增加,但是生物加工行业的这一领域仍然充满挑战。

在这里,我们回顾了疫苗行业当前的制约因素和复杂性,特别是与产品开发和制造有关的复杂性。我们描述了克服疫苗挑战的生物过程和分析创新技术的发展,并展望了未来发展的趋势。

疫苗生产研发的挑战和复杂性

全球疫苗市场发展迅速,因此吸引了很多新的参与者和研究者。世界卫生组织(WHO)报告说,从2000年到2013年,疫苗市场从40亿美元(美元)增长到240亿美元(下表1)。市场趋势表明,到2028年,疫苗市场的价值估计约为1000亿美元,复合年增长率(CAGR)为11.02%。有超过120种新产品正在开发中,而其中的60种对发展中国家特别重要。

国产新冠疫苗上市—疫苗开发与生产的进步与挑战 ​

疫苗正成为生物制药行业的增长引擎。在过去的几年中,随着并购数量的增加,疫苗在制药行业中的地位发生了变化。一种新的疫苗商业模式正在兴起,并引起了资本的极大兴趣。

尽管疫苗是来自活生物体的生物产品,但就其成分和生产它们所需的技术而言,它们比许多传统的药物更为复杂。疫苗通常用于健康个体(预防),而其他药物则少有用于健康人群。与许多其他生物制剂相比,疫苗也更难以开发和生产,因此更难以制成“仿制”形式。因此,疫苗产品更有可能保留其商业价值。

疫苗使用多种细胞底物(例如哺乳动物、昆虫、微生物和真菌细胞系)生产。新抗原通常也需要新的细胞底物生产。下表2列出了疫苗开发和生产中使用的不同细胞底物的数量。该清单包括多种疫苗产品,包括减毒活疫苗、灭活疫苗、亚单位疫苗、多糖、病毒样颗粒和蛋白质复合物。每种疫苗都有自己的复杂生产工艺以及生化和生物学特性的范围。

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图1显示了开发疫苗原液过程的一般方法。工艺开发从实验室规模开始,以确定操作流程和参数,然后逐步扩大规模(通常在20 L发酵或细胞培养中),以生产用于第一阶段临床研究的GMP原液。再扩大到200L(通常用于临床阶段2)之前,使用实验设计(DoE)对关键单元的操作和参数进行过程参数研究。在第3阶段(约2000L规模)之前,需要进行工艺验证和工程运行。在过程开发和规模放大过程中,科学家进行生物物理、化学和生物表征研究,以获取产品和工艺过程参数的积累,以支持和证明产品的可比性和过程的可放大性。

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图1:疫苗工艺开发的一般方法和流程。

除了上述复杂的研发过程之外,疫苗生产企业还面临着高成本、高风险的商业环境,与其他主要疫苗生产企业的竞争、法规遵从性和安全性预期的提高以及技术的高度复杂平台。开发和批准疫苗产品通常需要12至14年的时间(下图2)。每个新开发项目的总成本可能超过10亿美元,并且从早期开发到批准的总体成功率在2000–2010年间不到10%。2016年的一项研究表明,从第一阶段到批准上市,成功率约为20%(下表3)。

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图2:疫苗开发的典型时间表(LCM =生产周期管理)

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疫苗市场瞬息万变

进入市场的疫苗数量受到技术进步和可用性的推动。例如,从1800年代中期到20世纪中叶,只有少量基于发酵和遗传学的疫苗进入市场。随着新疫苗逐步进入市场,这些数字在20世纪下半叶显着上升。新型疫苗的开发是由免疫学研究推动的,该研究可以区分抗体介导的保护和细胞(淋巴细胞)介导的保护。通过细胞培养及传代允许选择减毒突变体并实施能够纯化蛋白质、多糖结合物和基因工程生物成分的技术时,疫苗的创新也取得了显著的进步。

自1980年代以来,蓬勃发展的生物产业刺激了生物制药技术的发展,以满足高产量、高生产率以及提高速度和效率的需求。作为回报,生物加工技术的迅速发展进一步推动了包括疫苗在内的生物制药行业的发展。每个疫苗开发用于非临床投资的金额超过8亿美元。

疫苗行业面临着以低成本、短时间开发高质量产品的挑战。首要的目的是要进入市场,突显了快速流程开发策略和技术的重要性。这种压力驱使疫苗行业采用创新技术。作为回报,缩短过程开发时间将加快整个疫苗产品的开发时间表,并迅速向全球市场提供安全和高质量的疫苗产品。

一次性技术和封闭系统的应用

一些疫苗制造企业面临更多困难。其中包括需要使用小批量和多样化的产品组合。大流行病爆发需要疫苗开发者迅速做出反应,并使用强效成分,对清洗过程提出了很高的要求。在这样的压力下,一次性填充包装组件可能成为疫苗生产设施的不二选择。

生物制品行业已经使用一次性技术超过10年,以至于可以将其视为包括疫苗开发和生产在内的生物处理的主流。关键的进展包括一次性生物反应器这样的一次性产品,以及在最终配制和分装中使用的一次性产品(预填充注射器)。许多供应商提供一次性生物反应器、离心机、深层过滤器、色谱层析系统和用于原液制备和最终配制的一次性袋子。

具有一次性技术的新型封闭系统:在过程开发中已经建立了一些一次性系统,并将其用于制造。例如,有公司开发了一种封闭的、一次性使用的过程系统(从台式到100L规模的过程),用于无血清活病毒疫苗产品,供应商与疫苗行业之间密切合作(下图3)。再现了强大的纯化过程,并将病毒产量从20–40剂量/升显着提高到400–500剂量/L(增加了10倍)。此外,产品中残留的Vero DNA和宿主细胞蛋白也大大减少,纯化过程从操作的三天缩短为两天。此外,工作人员发现封闭系统的操作比以前的系统更易于管理。因为它产生更高的产量,新系统需要更少的生产运行。一次性技术的使用可确保在整个过程中保持无菌状态。

国产新冠疫苗上市—疫苗开发与生产的进步与挑战 ​

图3:从制造到采用一次性技术配制的全封闭生产工艺系统(UF=超滤,DF=渗滤,TFF=超滤,HF=中空纤维)。

最终结果是总体上减少了开发时间和制造成本。与以前的系统相比,使用此系统可以更轻松、更快捷地进行设备周转,并且不再需要对固定资产(如不锈钢发酵罐,储液罐和离心机)进行验证。在封闭的系统中完成了多次演示,并使用了一次性技术对GMP进行了运行,所有产品均通过了无菌测试。一次性技术的应用提供了减少固定成本、减少设备数量和清洁验证的步骤,同时增加了设施和过程的灵活性并加快了过程开发时间。一次性产品在解决与开发高质量流程相关的工业挑战的同时,还可以降低运营成本。

封闭的系统展示了应用一次性技术来加速工艺开发的好处。预期实施此类技术将减少工艺开发时间,降低制造成本并提高工艺和设施的灵活性,从而有利于扩大生产活动并提高工艺开发效率。

高通量技术加快疫苗生产工艺开发

有的疫苗生产企业还一直在开发按比例缩小的模型和高通量技术,以加快和降低工艺开发成本。下 图4举例显示了某企业的产品数学建模和按比例缩小模型的开发效果,该产品可以解决按比例放大和故障排除的难题。数据表明可以在200L规模上应用2L规模的成功研究经验。多年来,疫苗开发人员已经引入了许多高通量的过程和分析设备系统,以加速产品开发,降低成本并增强对过程和产品的总体了解。

国产新冠疫苗上市—疫苗开发与生产的进步与挑战 ​

图4:数学模型和缩小模型解决个月放大挑战。

表4列出了从常规方法到高通量系统在从上游微生物和细胞培养到下游纯化以及产品制剂的疫苗工艺开发过程中获得的可比性结果。使用高通量方法可节省大量时间,资源和材料。只有有效地建立了高通量的过程测试能力,高通量的过程开发才会成功。这是疫苗开发要解决的下一个热门领域。

国产新冠疫苗上市—疫苗开发与生产的进步与挑战 ​

CHO=中国仓鼠卵巢,SDS-PAGE=十二烷基硫酸钠聚丙烯酰胺凝胶电泳,HPLC=高效液相色谱,UPLC=超高效液相色谱,DSC=扫描热仪,高温热法。

上面提供的示例证明了应用高通量技术来加速过程开发的好处。预计此类技术的实施将减少过程开发时间,从而加快临床应用范围,扩大候选疫苗的创新范围。

连续制造

理想情况下,连续制造包括基于系统方法进行集成,具有基于模型的控制并利用连续流的工艺过程。企业设计了一个连续制造过程,因此上游和下游之间或原料药和药品之间的区别最终将消失。

在过去的十年中,生物制造企业在连续制造发展方面进行了巨额投资,因为它有望减少工艺步骤,减少占地面积和设备尺寸,同时提高产品质量和成本节约。尽管连续处理仍处于早期阶段,但疫苗行业已经接受了它,并准备探索与该方法相关的优势。在疫苗生产中实施连续过程仍然面临许多技术挑战,包括需要开发用于病毒灭活和去除、连续超滤和过滤的连续步骤,以及用于监控和控制整个工艺过程的过程中分析工具。

连续的灌注培养过程(上游)并不新鲜。灌注细胞培养已被生物技术界广泛使用,因为它能够产生稳定的蛋白质,而传统的分批补料技术很难或不可能完成这种过程。相对而言,连续下游纯化的开发在该领域中是滞后的,但这种情况即将改变。近年来,越来越多的技术可用于支持连续的下游处理(下图5)。

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图5:连续制造的关键推动力是快速的技术进步(TFF=切向流过滤)。

根据Janet Woodcock(FDA CDER药物评估和研究中心主任)的说法,实现连续生物制药生产的一个困难是开发先进的控制策略,并结合关键质量属性(CQA)的实时数据策略。其他挑战包括有效整合下游单元操作以满足纯度要求,以及就实时释放方法达成生物工艺界的共识。

生物制造商(包括疫苗开发商)越来越多地接受按设计质量(QbD)原则。QbD强调过程理解和过程控制,这对于连续过程也是必不可少的,尤其是过程控制策略作为成功的连续制造的适当分析工具的应用(下图6)。

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图6:使用质量设计(QbD)原理和思维方式为连续制造奠定基础。

分析方法的创新

“尖端”分析技术可加快产品开发速度,并使人们对产品和过程有更好的了解。这有助于企业快速解决其过程中的问题。例如我们重点介绍的技术是质谱(MS),毛细管电泳(CE)和高通量测序(HTS),因为它们提高了生物产业迅速解决问题和了解其产品的能力。

使用MS技术的优势包括其高灵敏度、选择性和准确性。它也可以用作在线检测方法,例如与高效液相色谱(HPLC)或超高效液相色谱(UPLC)结合使用,以对复杂样品进行高度灵敏的多维分析。反过来,它可以对疫苗的关键质量属性进行准确、强大的监视和控制,并有助于在产品开发过程中进行快速而可靠的决策。

MS可用于在单个分析工作流程中监视诸如蛋白质抗原含量、完整质量、同一性和翻译后修饰等参数,从而能够使用单个仪器或技术引入对过程的多属性监视(MAM)。已有企业成功应用质谱方法鉴定和定量了摩尔范围内的小分子杂质、赋形剂和佐剂。

液相色谱质谱(LC-MS)和LC-MS/MS通常用于高度准确地测定蛋白质完整质量和氨基酸序列,以鉴定目标蛋白质,HCP杂质和截短或其他共价修饰。先进的仪器和样品制备方法已能够鉴定佐剂组合疫苗中的多种蛋白质抗原,从而可在单个测定工作流程中释放产品,从而只需花费一小部分费用即可替代多种免疫化学测定。氢氘交换(HDX)MS用于中和单克隆抗体(MAb)的表位作图,中和单克隆抗体在免疫测定中用作关键试剂。

CE技术有助于疫苗抗原蛋白的纯度和定量分析,疫苗抗原蛋白的定量稳定性指示测定,并替代了以前的定量方法,例如十二烷基硫酸钠聚丙烯酰胺凝胶电泳(SDS-PAGE)作为平台新的研究目标蛋白抗原纯度测定的选择。使用CE的主要优点包括高通量和分辨率,以及自动化样品制备和数据分析的潜力。未来的机会包括CE与MS系统(CE–MS)的接口,以进行高度选择性和灵敏的在线检测。

HTS技术平台是体内(动物)和体外病毒不定因子测试的替代方法。这项技术的发展是为了防止HTS技术检测到更广泛的不定因子,以防止在工业中发生类似于猪圆环病毒的潜在危机。2011年,疫苗企业逐步开始探索不同的HTS技术,并开始开发自动化分析管道。高温超导技术可快速进行细胞底物和病毒种子制剂的预筛选,并具有降低污染风险的灵敏性,从而可以在进行工艺开发之前进行投资。

有的企业还正在开发HTS技术,以简化体内的不定源试剂测试包,以替代体内和体外的不定源试剂测试。在调查不定因素的过程中,HTS是有益的。研究者已经能够鉴定出在检测是否存在活性病毒的过程中引起细胞病变的病毒分离株,能够鉴定出病毒阳性对照是导致非典型单层结果的潜在原因,从而确定了不动杆菌是最可能的原因。在扩展细胞库的卵测试过程中观察到胚胎死亡,并鉴定出一种新型的哺乳动物正咽病毒,这是在原代猴肾脏控制细胞批次中观察到的非典型结果的原因。

为未来做好准备

疫苗开发的速度和市场上疫苗的数量主要受到创新技术的进步和实施的推动。通过使用一次性技术、高通量筛选系统和尖端的分析方法,使得研究的时间和成本上都获得了可观的回报。在不久的将来,许多进入疫苗开发和生产的新技术将继续改变制造企业的工作方式,并将整个行业推向更高的高度。这些技术包括连续制造、转化技术(例如mRNA疫苗平台)、数据挖掘和人工智能、分子印迹、新型佐剂、免疫调节和新型表达系统。正如伍德考克(Woodcock)在最近的一次研讨会中指出的那样,从现在开始20年后,生物产品的制造不可能像现在这样。通过拥抱技术创新并采取渐进的步骤和计算得出的风险,疫苗行业将为未来做好充分的准备。

文章来源:

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