生物制藥4.0——過程分析技術在下游工藝的應用
質量源于設計（QbD）
2004年，美國食品藥品監督管理局（FDA）發布《21世紀藥品生產質量管理規范——基于風險的方法》[1]，正式啟動過程分析技術（PAT）倡議，旨在通過工藝開發、生產與質量保障體系的創新，降低藥品制造中的公共衛生風險。PAT的監管框架[2]以“質量源于設計”（QbD）為核心目標，要求制藥企業明確產品的關鍵質量屬性（ CQAs），實時監控相關關鍵工藝參數（CPPs）與關鍵績效指標（KPIs），并將這些參數自動控制于預設范圍內。
制藥行業引入QbD理念，顛覆了傳統依賴終端檢測的質控邏輯，通過過程參數的實時反饋與動態優化，保障產品質量。為生物藥下游工藝（DSP）的精準化與連續化奠定了理論基礎，極大提高了藥品研發速度。
下游工藝（DSP）
下游工藝（Downstream Process, DSP）是生物制藥生產的關鍵環節，主要目標是將上游培養獲得的生物分子（如單克隆抗體、重組蛋白）進行純化、純化和制備符合臨床要求的藥品。
生物藥品在下游工藝（DSP）中需確保分子結構未發生改變，確保治療效果，同時有效去除雜質，確保產品未受污染，保障患者的安全。這一目標的實現高度依賴對關鍵質量屬性（CQAs）的精準控制。
關鍵質量屬性（CQAs）
關鍵質量屬性（CQAs）是決定藥品安全性、有效性與合規性的核心指標，其確立貫穿于下游工藝開發的始終。關鍵質量屬性（CQAs）的評估需基于藥物分子理化特征與生物學特性，結合目標適應癥的臨床需求參數，并系統整合不同目標市場的監管框架及藥典標準，構建多維度的質量評估體系，以確保藥物質量屬性的科學性和合規性。
在下游工藝開發中，CQAs不僅是質量標準的定義依據，更是工藝參數優化的導向標。通過實時監控CQAs，才能動態調整CPPs，從而確保批次間一致性，降低生產風險。
PAT與分子光譜技術:實時監控CQAs的關鍵
過程分析技術（PAT）通常采用分子光譜技術結合在線/入線傳感器實現CQAs的實時監控，其非破壞性、高靈敏度的特點符合DSP的連續化生產需求。目前研究蛋白質不同層次的結構特征的主流分子光譜技術包括近紅外光譜（NIR）、拉曼光譜和熒光光譜。拉曼光譜可以用來分析蛋白質的二級結構（如α-螺旋、β-折疊等）以及三級結構的變化，但對于一級結構的直接分析較為有限。拉曼光譜可以提供關于蛋白質中特定氨基酸殘基的信息，例如芳香族氨基酸（如色氨酸、酪氨酸和苯丙氨酸）的側鏈振動模式，這些信息可以間接反映一級結構的某些特征。
拉曼光譜更多是用于研究蛋白質的高級結構和動態行為。
Akwa®Raman在線拉曼分析系統
作為分子光譜技術的典型代表，Akwa®Raman在線拉曼分析系統在蛋白質結晶工藝中展現了PAT的核心價值。結晶是制劑化中決定藥物溶解性與穩定性的關鍵步驟，但其動力學過程受溫度、pH、沉淀劑濃度等多因素動態影響。傳統離線檢測因滯后性難以捕捉瞬時變化，而Awka系統通過以下方式實現閉環控制：-
實時監測：通過拉曼光譜解析晶核形成速率、晶體多態性及溶劑化狀態。例如，在溶菌酶結晶模型中，系統可捕捉晶核形成的“臨界點”，優化結晶時間。
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參數優化：量化溫度與硫酸銨濃度的交互作用，確定最佳結晶條件（溫度、PH、電導率等），縮短工藝開發周期。
- 風險預警：通過光譜特征（如非晶態特征峰）預警晶體聚集或形態異常，及時調整攪拌速率或降溫梯度。
Akwa®Raman系統特點:
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高信號收集效率（保證高分辨率的同時增強拉曼信號）；
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高效采集樣品信號通量專利設計（DSP采樣時間<10s）；
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7x24小時連續采集信號實現高信噪比（SNR）；
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支持多種建模方法（機器學習、深度學習）分析及預測評估；
隨著高階軟傳感器與人工智能的結合，過程分析技術（PAT）將促進下游工藝（DSP）向更高效和智能化的方向發展，從而為生物制藥的全球合規性和質量一致性提供有力保障。
參考文獻
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FDA, Guidance for Industry. PAT – A Framework for Innovative Pharmaceutical Development, Manufacturing, and Quality Assurance, 2004.
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Rüdt, M., Brestrich, N., Rolinger, L., Hubbuch, J., 2017b. Real-time monitoring and control of the load phase of a protein a capture step. Biotechnol. Bioeng. 114 (2), 368–373.
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J. Glassey, K.V. Gernaey, C. Clemens, T.W. Schulz, R. Oliveira, G. Striedner, C.-F.Mandenius, Process analytical technology (PAT) for biopharmaceuticals,Biotechnol. J. 6 (4) (2011) 369–377.
