冷凍干燥技術(shù)在基因工程藥物中的應用

隨著生物技術(shù)的迅猛發(fā)展,生物活性物質(zhì)不斷被利用,利用轉(zhuǎn)基因的宿主體(原核和真核)細胞生產(chǎn)的活性物質(zhì)作為藥物已應用于臨床,國內(nèi)外批準上市的已逾50種,正在開發(fā)的數(shù)量達幾百種其中,大部分是蛋白質(zhì)和活性多肽蛋白質(zhì)分子的化學結(jié)構(gòu)決定其活性影響活性的因素很多,主要有兩方面,一是結(jié)構(gòu)因素,包括分子量大小,氨基酸組成,氨基酸序列,有無二硫鍵,二硫鍵位置,空間結(jié)構(gòu);二是蛋白質(zhì)分子周圍的環(huán)境因素,蛋白質(zhì)!多肽受復雜的物理!化學因素影響而產(chǎn)生凝聚!沉淀!水解!脫酰氨基等變化國內(nèi)已批準上市的基因工程藥物和疫苗有20多種,大部分是凍干制劑,原因就是凍干制劑能長期保持蛋白質(zhì)!多肽的活性因此,在新藥的研發(fā)過程中,凍干技術(shù)是重要的一個環(huán)節(jié)。

　　在加入WTO后,全球一體化,市場開放,藥物二次加工市場發(fā)展迅速,藥物外包加工(Outsourcing)早已成為歐美制藥工業(yè)的一種慣例據(jù)報道,2003年全球藥物外包市場達300億美元,2004年估計達340~350億美元制劑外包約占整個藥物外包市場的26%,其余為原料藥外包加工20世紀90年代后,委托加工原料藥(訂單加工原料藥)已被技術(shù)要求更高的/提高原料藥的加工檔次0所代替,即大公司將其開發(fā)的新藥(原料藥)交給具有很強科技實力的科研開發(fā)型公司,由后者將新藥(尤其是蛋白質(zhì)/多肽類藥以及抗病毒藥!抗癌藥等等)加工成適合作為納米級制劑!凍干粉針!口腔快溶片!氣霧/干粉吸入劑,以及其他新穎給藥途徑的原料藥這一方式成為/藥物二次加工的新目標凍干針劑是其中一項重要的技術(shù)產(chǎn)品,如荷蘭的DSM公司,它是歐洲著名的藥物二次加工大企業(yè),擅長加工抗生素原料藥的凍干粉針劑2004年,投資6200萬美元擴大凍干粉針劑生產(chǎn)能力(11臺超大型凍干機,每臺占地30多m2),成為歐洲最大的粉針劑生產(chǎn)公司加拿大的PATHEON公司是北美主要的藥物二次加工企業(yè),主營代加工凍干粉針劑該公司與意大利合作在意大利建立一個大型的凍干粉針劑生產(chǎn)基地,一臺大型凍干裝置占地271m2，可見凍干技術(shù)不但作為基因工程藥物生產(chǎn)的一個重要環(huán)節(jié),而且其技術(shù)的優(yōu)勢可以發(fā)展成為一個產(chǎn)業(yè)。

　　本文將結(jié)合基因工程的多肽和蛋白質(zhì)藥物的凍干針劑生產(chǎn),結(jié)合本中心的中試工作,進行討論,供同行參考。

　　1 冷凍干燥技術(shù)的原理和應用

　?。?） 原 理

　　 冷凍干燥是指將藥品在低溫下凍結(jié),然后在真空條件下升華干燥,去除冰晶,待升華結(jié)束后再進行解吸干燥,除去部分結(jié)合水的干燥方法該過程主要可分為藥品準備!預凍!一次干燥(升華干燥)!二次干燥(解吸干燥)!密封保存等步驟圖1所示縱坐標為氣壓,橫坐標為溫度,0℃(實際為0.001℃)為三相點,表示水以液體存在時的最低大氣壓,低于該點氣壓,水只能以冰或蒸氣存在,也就是在此時升溫時,水只能從冰直接變成蒸氣,冷凍干燥就是遠低于該氣壓(高真空度)下干燥水分的,通常在66~133Pa真空度和-25℃以下,才能保證冷凍干燥順利進行。

　?。?） 優(yōu)點與缺點

　　冷凍干燥與其他干燥方法相比,有以下優(yōu)點:

1)藥液在凍干前分裝,分裝方便!準確!可實現(xiàn)連續(xù)化;

2)處理條件溫和,在低溫低壓下干燥,有利于熱敏物質(zhì)保持活性,可避免高溫高壓下的分解變性,以實現(xiàn)蛋白質(zhì)不會變性;

3)含水量低,凍干產(chǎn)品含水量一般在1%~3%,同時在真空,甚至可在通N2保護情況下干燥和保存,產(chǎn)品不易被氧化,有利于長途運輸和長期保存;

4)產(chǎn)品外觀優(yōu)良,為多孔疏松結(jié)構(gòu)且顏色基本不變,復水性好,凍干藥品能迅速吸水還原成凍干前狀態(tài);

5)凍干設備封閉操作,安裝環(huán)境潔凈度高,減少雜菌和微粒的污染,干燥中和封裝后的缺氧可起到滅菌和抑制某些細菌活力的作用

　　冷凍干燥及制品的缺點和不足:

1)設備要求高!投資大!干燥速率低!干燥時間長!能耗高;

2)生物活性物質(zhì)(如多肽和蛋白質(zhì)藥物)采用凍干制劑主要是為了保持活性,但配料(如保護劑!溶劑!緩沖劑等)選擇不合理!工藝操作不合理!凍干設備選擇不適當都可能在凍干制劑制備過程中失活,導致產(chǎn)品前功盡棄,這是生產(chǎn)凍干制劑的關(guān)鍵,需進行基礎研究和針對特定產(chǎn)品反復試驗;

3)溶劑不能隨意選擇,只限于水或一些冰點較高的有機溶劑,所以很難制備某種特殊的晶型,有時凍干品在復水溶解時會出現(xiàn)渾濁現(xiàn)象,這些均為開發(fā)凍干制劑所必須考慮和實驗研究的。 

　?。?） 冷凍干燥技術(shù)的應用

　　冷凍干燥技術(shù)于1813年英國人Wallaston發(fā)明,1909年Shsckell試驗用該方法對抗毒素!菌種!狂犬病毒及其他生物制品進行凍干保存,取得了較好的效果在第二次世界大戰(zhàn)中由于對血液制品的大量需求,冷凍干燥技術(shù)得到了迅速發(fā)展,進入了工業(yè)應用階段。50年代凍干食品系統(tǒng)的大規(guī)模發(fā)展,促進了凍干技術(shù)和設備的進步,但由于高難度!高投入!高能耗和制造設備的落后,經(jīng)歷了幾十年的起伏和徘徊。近20多年來,隨著人們生活水平提高,對食品的品質(zhì)!營養(yǎng)!天然無公害的觀念轉(zhuǎn)變,推動了凍干技術(shù)的發(fā)展,生產(chǎn)過程從間歇式到連續(xù)式,設備從0.1m2到上千m2形成系列,應用范圍廣泛:在科研方面,應用于如分析土壤中的衡量成分;去除高效液相色譜收集組分的溶劑;考古中發(fā)現(xiàn)的重要文物如布匹!皮革!竹簡等的干燥脫水等在工業(yè)上,應用于凍干食品如蔬菜!水果!海產(chǎn)品!甚至鮮花等;香料及調(diào)味品如咖啡!茶及各種香料!調(diào)味料;保存營養(yǎng)保健成分及色香味形的方便食品(日本方便食品中50%是凍干食品);水產(chǎn)品最廣泛!要求最嚴格的還是在醫(yī)藥和生物制品方面的應用,主要是應用于血清!菌種!基因工程藥物!疫苗!天然藥物及生物制品等我國生物制品規(guī)程2000版中,確定的11個重組治療蛋白藥物就有8個是凍干制劑,如重組人干擾素α1b!重組人干擾素α2b!重組人干擾素α2b!重組人干擾素γ!重組人白介素22!重組人紅細胞生成素!重組人粒細胞巨噬細胞集落刺激因子!重組鏈激酶。

　　冷干制劑的生產(chǎn)過程

　　基因工程多肽和蛋白質(zhì)藥物凍干制劑是通過宿主體(微生物或動物細胞)培養(yǎng)獲得表達產(chǎn)品!經(jīng)分離純化得到活性物質(zhì),經(jīng)過配制!過濾與分裝,分裝好的樣品送入冷凍干燥機,進行預凍!升華!干燥,最后封口因此凍干制劑的生產(chǎn)過程包括藥物準備!預凍!一次干燥(升華干燥)和二次干燥(解吸干燥)!密封保存等5個步驟。以下將詳細說明。

　　對于新產(chǎn)品的開發(fā),則必須通過實驗來確定凍干的工藝條件,在藥物準備好后,要確定藥物水溶液的共熔點,共熔點對冷凍干燥很重要,因為藥液是一個復雜的液體,當溫度下降到某一溫度時晶體開始析出,隨溫度下降,晶體數(shù)量增加,到最后才全部凝結(jié),此時溫度叫共凝點,若從冷凍狀態(tài)升溫到共凝點,融化開始,這就溶質(zhì)和溶劑的共熔點。不同物質(zhì)的共熔點不同,如0.85%氯化鈉溶液為-21.2℃,而10%葡萄糖溶液為-27℃共熔點的測量有熱分析法!電阻法和低溫顯微鏡直接觀察等方法。熱分析法是基于凍結(jié)的藥品在升溫過程中,溫度達到共熔點時會突然有個能量的吸收,用熱分析儀來測定該能量吸收峰可計算得到共熔點溫度;電阻法是在降溫冷凍或先冷凍后升溫過程中電阻突然變大或變小求得,對非離子型有機化合物其電阻變化不明顯,可加入一定量的附加劑來測定冷凍干燥是在真空狀態(tài)下進行,只有藥液全部凍結(jié)后才能在真空下升華,否則部分液體存在時,在真空下不僅會迅速蒸發(fā),造成液體的濃縮,使凍干產(chǎn)品萎縮,而且溶解在水中的氣體在真空下會迅速冒出來,造成液體沸騰,甚至冒出凍干瓶外,所以凍干產(chǎn)品在開始升華時的溫度必須低于共熔點,全部凍結(jié)。

　　冷凍干燥時間一般較長,為保證產(chǎn)品質(zhì)量和縮短生產(chǎn)周期,必需通過反復試驗來確定凍干曲線,因為凍干效果是以凍干制劑與原藥液的活性保存率來衡量,而活性保存率既與凍干曲線有關(guān),亦與藥液的組成與配比有關(guān),因此需多次反復試驗才能進行優(yōu)化與確定。