一次性系统完整性验证与 E&L 风险管理

丁满生代虎 2026-04-15

随着生物制药产业的迅猛发展，一次性系统（SUS）凭借其灵活性强、交叉污染风险低、验证成本节省等优势，已广泛应用于从研发到商业生产的各个环节。然而，SUS 的引入也带来两大核心质量挑战：物理完整性验证与化学风险（浸出物及可提取物，E&L）管理。本文系统阐述了 SUS 完整性验证的关键技术，包括基于压力衰减、电导率、真空衰减等原理的测试方法及其适用场景。同时深入探讨了 E&L 风险的来源、评估策略（基于风险的三阶段方法）、分析方法学（如 GC-MS、LC-MS）以及安全阈值的建立。最后，本文提出将完整性验证与 E&L 风险管理整合的策略，强调在系统设计、供应商审计、标准符合性及生命周期管理等环节进行系统性风险控制的重要性，旨在为生物制药企业安全、合规、高效地应用一次性系统提供理论与技术参考。

Part1 引言

一次性系统（Single-Use Systems, SUS）一般是指以聚乙烯、聚丙烯、氟聚合物等聚合物材料制成，在单个生产批次或规定使用次数之后即予以丢弃的生物工艺设备，包括生物反应器、配液袋、储液袋、连接管路、过滤器及各种功能模块。它彻底改变了传统不锈钢设备所采用的固定厂房、长周期清洁验证（CIP/SIP）及长周期验证模式，因而成为多产品共线生产、快速临床供药与个性化药物制造的理想选择 ^[1] 。

然而，SUS 的应用存在一定风险。由于它采用柔性塑料材质，完整性和密封性极易受损，对微生物或颗粒的侵入几乎无防护能力，这意味着从进入 SUS 到生产出库的整个过程中都可能发生较大变化。其次，作为一种聚合物材料，将它应用于该类工艺的过程中，存在物理迁移和污染的较高风险。并且，若将该聚合物长期应用于含有有机溶剂、表面活性剂或强酸强碱性物质的工艺流体中，聚合物内部的氧化剂、增塑剂、催化剂或聚合物单体都可能进入药液，成为浸出物（leachables），进而引发一定程度的安全风险（如毒性、致癌性）和工艺效能风险（如导致蛋白变性、抑制细胞生长等）^[2]。通过研究极端条件下的可提取物，可以预测此类浸出物的潜在来源。

因此，建立科学、严谨、以风险为基础的 SUS 完整性验证及 E&L 风险管理体系，是保证药品安全性、有效性与质量合规性的根本前提，也是 FDA、EMA、NMPA 等生物制药行业主要监管机构关注与检查的重点^[3]。基于此，本文拟对二者进行系统且具有逻辑性的论述。

Part2 一次性系统完整性验证

完整性验证旨在确认 SUS 在组装、操作、运输及储存过程中物理屏障功能的完好性，其核心在于泄漏检测 [4]。SUS 的完整性缺陷可以归结为三类：

制造缺陷，即膜材本身存在针孔，焊缝及热合处不完整；
操作损伤，即组装过程中因挤压、刺穿或与尖锐物接触造成的损坏；
材料疲劳，即长期震荡、温度 / 压力循环导致材料出现薄弱点并破裂。因此，完整性失效最直接、最危险的后果是引发微生物污染或导致非无菌状态。

2.1

验证方法与技术

目前 SUS 完整性测试的主流方法包括压力衰减法、真空衰减法、高压放电法及微生物挑战法等，各类方法的适用场合、技术特点与局限性存在差异，因此 SUS完整性测试应结合所测系统类型（如过滤器、袋子、组件连接处）及工艺要求合理选择 ^[4] 。

2.1.1

压力衰减法

最常用且最可靠的离线或在线测试方法是向被测腔体（袋体）内充入洁净压缩空气或氮气至选定压力，待保压稳定后测定一定时间内的压力降；若压力降超过预定阈值，即判定为泄漏。该方法灵敏度高，操作简单，但存在明确的前提条件：测试时必须严格控制环境温度和湿度，防止外界因素对压力测量结果造成干扰。对于结构复杂的部件（如多通道连接器），宜采用分段测试的策略进行全面检测。

2.1.2

真空衰减法

真空衰减法一般适用于刚性或半刚性一次性组件（如一次性注射器、卡式瓶等）的完整性测试。其基本原理是把样品置于密闭测试腔内，抽真空后观测腔内压力变化；若存在泄漏，外界空气会进入腔体造成压力升高，因此可通过压力变化曲线直接、可靠地判断系统完整性。该方法的最大优点是灵敏度极高，能检测直径小于 1 μm 的漏孔，但测试周期较长，且对测试设备中真空泵的真空度控制精度要求较高。

2.1.3

高压放电法（或电导法）

适用于装有导电液体（如缓冲液、培养基）的袋体。使用时，在袋内液体中插入电极，并在袋外施加高压电场；若袋壁存在穿孔，导电液体会形成通路，产生可检测的电流信号。该方法可实现在线、实时、无损监测，是未来的发展趋势 ^[4] 。

2.1.4

微生物挑战试验

传统的确定性方法（如细菌截留试验）常被用于验证除菌级过滤器的完整性，但用它验证大型储液袋时操作困难，耗时较长，因此一般不作为常规测试，而宜作为前期验证的一部分执行，通常由过滤器供应商完成相关测试并提供验证报告。用户实际更常进行的是过滤器使用前后的完整性测试，如起泡点测试、扩散流测试、保压测试等 ^[5] 。

2.1.5

目视检查与物理测试

安装前后的目视检查（查看有无破损、污染）、挤压测试（感觉是否漏气）是基础且必要的检测手段。

2.2

验证策略与生命周期管理

由于完整性验证要贯穿 SUS 全生命周期，因此宜在全生命周期中执行 ^[1] ：

来料接收：依据供应商提供的合规证书（CoC）及测试报告，对产品进行抽样目视检查；
使用前：由于关键无菌连接及无菌袋体对产品质量保障至关重要，宜在使用前对二者进行完整性测试，即压力衰减测试；
使用中：对于长期运行的生物反应器袋，可考虑采用在线电导法进行监测；
使用后：若需评估工艺操作是否导致破损，可进行使用后测试；
验证文件：应制定详细的标准操作规程（SOP），明确测试方法、接受标准、测试频率及失败调查程序，并形成完整的验证报告。

Part3 SUS 的 E&L 风险管理

SUS 的 E&L 风险是 SUS 引入的最复杂的化学风险，需要系统性的管理策略 ^[2,6] 。一般而言，可提取物是指在实验室控制的、强于实际工艺条件的极端条件下（如升高温度、使用不同极性的溶剂、延长接触时间），从SUS 材料中提取出的化学物质，代表了潜在浸出物的“最大可能池” ^[7] 。浸出物是在正常的工艺条件下，从 SUS迁移到药品或工艺流体中的化学物质，是实际存在于最终药品中、可能被患者接触到的物质 [6]。通常，可提取物研究用于预测和识别潜在的浸出物，浸出物的种类和数量是可提取物的一个子集，且浓度更低。

3.1

E&L 风险的来源与影响

E&L 风险的潜在危害可从来源途径和最终影响两个维度进行系统分析。

3.1.1

来源

一次性系统的 E&L 来源主要包括以下方面：

聚合物基质：残留单体、低聚物；
添加剂：抗氧化剂（如 BHT）、增塑剂（如DEHP，在制药领域已较少使用）、润滑剂、着色剂、光稳定剂；
加工助剂：模具脱模剂、清洗剂残留；
降解产物：材料经辐照灭菌（如 γ 射线、电子束）或长期储存产生的降解物 ^[6] 。

3.1.2

影响

E&L 风险的潜在影响如下：

患者安全：毒性、致突变性、致癌性、生殖毒性；
产品稳定性：催化蛋白氧化、发生络合反应、导致颗粒物形成或 pH 漂移；
工艺性能：影响细胞生长和活力、改变层析柱性能。

3.2

基于风险的 E&L 评估策略

目前行业普遍遵循基于科学和风险的评估方法，确保符合 ICH Q3、USP<665> 和 <1665> 的原则 ^[3,11,13] 。完整的 E&L 风险管理需遵循“风险评估 - 安全研究 - 动态监测”的原则。

3.2.1

风险评估

E&L 风险评估应从工艺特性和供应商数据两个维度展开，通过系统性评价确定研究范围与控制策略。

3.2.1.1 基于工艺的评估

基于工艺的评估包括以下方面：

工艺流路分析：绘制整个工艺过程的详尽流程图，识别所有与产品或中间体接触的 SUS 组件并作出“产品接触清单”；
组件风险评估：针对不同组件，综合接触时间、温度、流体性质（pH 值、极性、表面活性剂等）、组件表面积 / 体积、组件位置（如是否会在后期纯化步骤中被清洗掉）等因素，判断其风险发生的可能性，从而确定需重点研究的组件 ^[10]。
定义控制策略：依据风险评价结果，明确 E&L 研究的范围及程度，例如确定是否需要开展全流路研究、代表组分研究或括号法研究等。

3.2.1.2 基于供应商数据的评估

基于供应商数据的评估包括供应商资质审查与数据转化应用两个层面：

供应商审核：选择具有良好质量体系、聚合物配方完整可追溯（符合 USP <665> 要求）且提取物数据标准化的供应商。
利用供应商数据：供应商提供的提取物研究数据（一般按照 BPOG、PDA 等标准展）是风险评估的一手数据，可用于初步毒理学评估及目标性浸出物的筛选。

3.2.2

溶剂残留

通过提取物与浸出物分析，并结合毒理学评价，建立可量化的安全性控制标准。

3.2.2.1 提取物与浸出物研究

安全研究涵盖提取物与浸出物两个互补维度，具体内容如下：

提取物研究：溶剂选择覆盖从极性到非极性的全范围，包括水、乙醇 / 水混合物及低 pH 缓冲液，以模拟最恶劣的迁移条件；提取条件采用高温、长时间的强化方法（如 50 ～ 70℃、持续数天或数周），确保提取程度高于实际工艺条件；分析方法多采用综合筛查技术，常见的有挥发性有机物（HS-GC-MS）、半挥发性有机物（GC-MS）及非挥发性 / 半挥发性有机物（LC-MS、LC-UV、ICP-MS 等）的筛查鉴定 ^[12] 。

浸出物研究：模拟研究应在模拟实际工艺条件下开展浸出实验，用于识别潜在浸出物并验证分析方法灵敏度；可提取物与可浸出物相关性研究需建立 E&L 相关性模型，利用可提取物数据预测可浸出物水平，并确定需监控的目标化合物；工艺验证批次监测应在工艺性能确认（PPQ）批次中，对中间产品和 / 或终产品进行浸出物检测，确认实际生产条件下的浸出物水平符合安全阈值要求。

3.2.2.2 毒理学限度制定

毒理学限度的制定可从以下方面展开：

毒理学关注阈值：对于已鉴定的浸出物，可采用毒理学关注阈值（TTC）或根据化合物性质选取的特异性阈值（如基因毒性杂质采用 1.5 μg/d 的限度）进行安全评价 ^[13] ；
每日允许暴露量：按照毒理学数据，计算各类浸出物的每日允许暴露量（PDE）；
安全阈值计算：根据 PDE 和最大日用药剂量，计算药品中每种浸出物的允许浓度（安全阈值）。

3.2.3

动态监测

动态监测通过以下管理机制，确保产品全生命周期内的 E&L 风险持续受控。

质量标准的建立：把浸出物相关关键指标正式、合理地列入中间产品或终产品的质量标准中加以控制；
变更控制：由于 SUS 供应商、材料配方及生产工艺的任何变更都可能影响 E&L 档案，因此所有此类变更均应先进行评估，必要时开展补充研究；
周期性回顾：对 E&L 数据、供应商最新资料及产品质量趋势进行有计划、有规律的审查，以确认控制策略是否仍然有效。

Part4 完整性验证与 E&L 风险管理的整合策略

由于两大风险并非孤立存在，完整性破坏易引发非预期的 E&L 风险（即内容物与外部环境、支撑结构意外接触），而材料选择又直接关系到 E&L 特性及完整性性能（如机械强度、可焊性），因此宜对二者进行整体管理 ^[9] 。

4.1

设计阶段

在工艺设计过程中，应同步选择具有良好完整性记录和低 E&L 特性的 SUS 供应商。供应商应能提供符合USP <665>（塑料组件和系统的表征）要求的可提取物数据和相关的完整性验证支持文件 ^[3,4,7] 。

4.2

供应商管理与审计

本文主要依据三项重要指标选择供应商：E&L 研究能力、数据透明度及完整性测试能力，同时应尽量选择遵循 Bio-Process Systems Alliance（BPSA）或Extractables & Leachables Safety Information Exchange（ELSIE）等行业标准指南的供应商。

4.3

标准与法规符合性

必须充分确保所选验证方法及 E&L 研究方案符合甚至优于中国药典、USP、FDA/EMA 指南、ISO 标准中有关 E&L 研究的各项要求（特别是 ISO 10993-18 中针对 SUS 的 E&L 研究） ^[8,14] 。

4.4

生命周期文件体系

建立统一的验证主计划（VMP），其内容需覆盖供应商选择、组件验收、工艺验证（含 E&L 评估）、日常监测和变更控制等全流程要求，从而形成完整的证据链 ^[1,9] 。

Part5 SUS 的 E&L 风险评估实施案例

A-mab 的生产采用基于一次性使用系统的工艺，原液和制剂生产过程中使用了大量一次性耗材，包括细胞培养袋、储液袋、滤芯及膜包等。相较于传统不锈钢设备，一次性使用系统在灵活性、周转速度和操作效率方面具备显著优势；更重要的是，一次性技术的应用可大幅降低交叉污染风险，同时显著减少清洁消毒等操作环节的工作量。

一次性使用系统通常由聚合材料组件装配而成，存在一定潜在风险。因此，本案例结合产品特性并参考BPOG 于 2017 年发布的《最佳实践指南 - 用于评价应用于生物药品生产中的聚合物一次性使用系统的浸出物风险》 ^[16] ，通过计算一次性使用系统组件的可提取物和浸出物（E&L）的总体风险系数，将风险等级划分为“高、中、低”三个水平，并针对不同风险等级制定相应控制措施。

5.1

风险评估标准

参考 BPOG 于 2017 年发布的《最佳实践指南 - 用于评价应用于生物药品生产中的聚合物一次性使用系统的浸出物风险》，设定评估标准如表 1 所示。

表 1 SUS 的 E&L 风险评估标准

5.2

E&L 总体风险系数计算

参考表 2 中的判定标准，计算得出各一次性组件的浸出物总体风险系数（LRR）。根据总体风险的高低，将一次性组件的总体风险等级划分为“高、中、低”三个水平。

表 2 SUS 的 E&L 风险系数及等级

5.3

E&L 的风险控制措施

E&L 风险控制应采取分级管理策略，具体控制要求如表 3 所示。

表 3 SUS 的 E&L 风险控制措施

5.4

实施案例

本研究以 A-mab 为案例，针对生产过程中直接或间接接触产品的一次性耗材（如细胞培养袋、搅拌袋、原液储存袋、滤芯、膜包和管道等），按照上述风险评估标准并结合产品工艺特点，逐一计算各一次性组件的LRR（潜在风险等级），并判定其风险等级。表 4 列举了部分案例。

表 4 A-mab 生产中使用的 SUS 的 E&L 风险等级评估示例

通过以上风险评估可知，发酵阶段配制培养基所用的 50 L 配液袋，综合评估得出 LRR=3.1，属于低风险等级，实际控制中需向供应商索要物料 COA、USP/EP 符合性证明、耗材可提取物 / 浸出物数据等资料；反应器生产阶段所用的 2000 L 反应袋，综合评估得出LRR=4.0，属于中风险等级，实际控制中除需向供应商索要物料 COA、USP/EP 符合性证明、耗材可提取物 /浸出物数据外，还需供应商提供可提取物安全性评估数据，以识别毒理学限度是否符合需求；原液分装阶段所用的冻融袋，综合评估得出 LRR=4.0，属于高风险等级，实际控制中除需向供应商索要物料 COA、USP/EP 符合性证明、耗材可提取物 / 浸出物数据、可提取物安全性评估等资料外，还需进行 E&L 研究等工作。

Part6 结论与展望

一次性系统是现代生物制药工艺中不可或缺的重要组成部分，只有保证其物理完好性与化学安全性，才能保证产品质量。完整性验证为工艺提供了有效的物理屏障保护手段；E&L 风险评估则通过科学的风险评估及管理方法保证产品的化学安全 ^[1,2,9] 。

未来的发展趋势将集中在以下方面：开发更灵敏、更迅速的在线 / 无损完整性检测技术 ^[4] ；建立 E&L 标准数据库与数字化数据库，避免重复试验 ^[14] ；利用计算毒理学方法及 read-across 等办法加快浸出物的风险评价 ^[15] ；研制新材料以降低 E&L 风险，从根本上提高产品的完整性。生物制药企业、SUS 供应商及监管机构需共同努力，不断丰富和完善一次性产品的相关标准及指导原则，最终实现为患者提供更安全的一次性产品的目标。

参考文献

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责任编辑：邵丽竹

审　　核：何发