蛋白质药物低温冷藏运输用的新型容器 ——深度冷冻运输箱，是敏感的蛋白质药物常用的运输容器。但迄今为止还没有最低温度为-70℃的低温冷冻运输箱。现在，机床设备制造商Zeta公司和Boehringer Ingelheim公司合作开发生产了一种高效的低温冷冻容器。
文/ Birgit Pittermann

如何做好高价值生物医药制品的储存对生物制药企业来说是巨大的难题。蛋白质复杂的3D结构通过极其弱小的分子内的相互作用而连接在一起，因此蛋白质对环境和周围情况的变化非常敏感。同时蛋白质药物的天然折叠结构对药物的有效性至关重要，只有正确折叠的蛋白质才能与合适的分子相互结合，蛋白质折叠结构如果出现变化不仅会使药物失去应有的药效，从病理学的角度来看也会给病人带来不利影响。
因此，在储存蛋白质药物时要仔细地考虑整个过程，了解每一个影响因素。值得一提的是，蛋白质药物的储存是一个比较漫长的过程，往往长达数年。

储存蛋白质——蛋白质结构有多稳定？
制药工业领域中可靠、有效的蛋白质储存方法就是低温冷冻储存。在冷冻室或者在受控的冷冻容器中，蛋白质的活性成分被冷冻抑制。但是实践中的经验告诉我们：即使是在冷冻状态下，蛋白质也会出现重排效应和变构效应，改变原来的天然结构，一些有害变化会形成聚合或者凝絮。因此，为了保证质量就必须将蛋白质冷冻到极低的温度，因为将温度降低到玻璃化转换温度之下可以防止蛋白质结构变化。
蛋白质产品的质量和冷冻效果一方面取决于所选择的冷冻工艺参数，另一方面取决于蛋白质溶液的成分。通常情况下，上述两个因素导致的蛋白质质量变化，不仅会给操作人员带来额外的工作量，也会造成蛋白质有效药物成分的损失。对蛋白质溶液不同成分、不同浓度、不同的酸碱度pH值、添加剂、防冻剂或者添加剂之间相互作用的认识，以及蛋白质溶液经过一次或者多次冷冻、解冻后质量状态的认识，构成了理解蛋白质冷冻过程的基础。

高风险监控，低损失产品
在冷冻过程中，由于蛋白质溶液中像缓冲盐一类的辅助成分会根据其溶解度变化而逐渐沉淀形成冰晶，因此蛋白质溶液变得越来越浓，同时离子强度也会大幅度提高。另外，冰晶形成也会导致蛋白质溶液出现影响蛋白质折叠结构的冰液界面。由于蛋白质溶液中不同活性成分的影响因素与其影响效果有着巨大的差异，因此要在实验室中对符合生产实际要求的低温冷冻设备进行详细的试验测试。实验研究的目的是掌握蛋白质产品在冷冻到解冻循环中的状况，从而更加准确地理解蛋白质溶液的冷冻到解冻过程。
了解蛋白质溶液冷冻过程的基本情况之后，实验室对中等生产规模的蛋白质冷冻工艺过程进行了试验，试验中将再次对整个冷冻工艺过程进行分析，以确定下一步骤的优化改进和每一个冷冻工艺步骤的准确。准确的冷冻工艺过程是蛋白质工业化冷冻的基础。
中等规模的蛋白质冷冻工艺过程实验室试验可以使用不同的检验分析方法，并能得出有价值的实验结果。试验首先要确定最合适的参数，并在试验过程中对这些参数进行优化。同时试验的首要驱动力应是质量，不应是经济性问题，也不应是冷冻速度。如上所述，对根据实验室实验结果开发设计的Pilot Freeze低温冷冻设备的工作全过程进行试验测试，为在工业化生产中使用提前做好所有准备工作。实践证明Pilot Freeze低温冷冻设备同样适用于检验现有的工业化低温冷冻工艺过程，我们可以在工艺过程优化或者工艺过程验证中对实验室实验的低温冷冻过程重新进行验证、优化，然后通过技术转让返回到工业生产领域中去。总而言之，Pilot Freeze低温冷冻过程中得出的分析数据对于新的蛋白质溶液的冷冻过程开发和现有蛋白质冷冻工艺过程的优化都有着非常重要的意义和作用。

深度低温冷冻——最佳产品质量的保障？
只有在温度低于玻璃化转换温度的情况下，才能假定溶液中的蛋白质结构没有更多的运动和结构变化。因此，那些特别敏感的蛋白质产品需要冷冻系统的温度低于-70℃。
如果已经证明在工业温度范围内使用500 L的工业规模冷冻容器进行深度低温冷冻是可行的，那么就要为高敏感性和高活性药物蛋白质的大规模深度低温冷冻设计开发能够在小于-70℃环境中使用的深度低温冷冻解决方案。Zeta公司与Boehringer Ingelheim公司已经着手容积200 L、适用于-85℃冷冻过程的冷冻容器研发，二者在低温冷冻技术领域有多年的合作经验。
利用Zeta公司Pilot Freeze低温冷冻设备进行一系列的深度低温冷冻和解冻试验，分析试验过程中出现的聚合、浑浊、蛋白质结构破坏、颗粒物形成等现象对产品质量的影响。试验前首先需要考虑的是冷冻过程的效率，其次是产品的吞吐量、需要达到的温度、容器的几何比例关系以及希望得到的冷冻冰层厚度等。计算可实现的冷冻和解冻速率后，便可以进行试验验证。

产品开发中的高要求
为了设计开发新的低温冷冻容器，Zeta公司的工程师们需要找到一种能够承受如此低温而且保证稳定、安全可靠的低温冷冻过程、使用寿命长的金属材料。选择合适材料的同时也要考虑操作者的人身安全，因为相关法律中规定对高活性的医药产品采取特殊的防护措施。
一系列的试验测试验证深度冷冻速率的理论计算是正确的。德国制药巨头Boehringer Ingelheim公司开发设计出了具体的计算模型，这一计算模型也是Boehringer Ingelheim公司受某科学技术出版社的委托完成的一项重要工作。
由于使用的是一套能够对不同容积的冷冻容器进行冷冻的制冷系统，Zeta公司在整个深度冷冻设备的研发过程中节省了许多冷冻技术服务 ——从产品检验测试直至工业化规模的冷冻。在专业技术团队中，每一种产品都会超过当前的研发技术水平，这不仅可以保证在合作过程中双方最大程度的交流经验，也可以保证研发出来的深度冷冻容器的高质量，从而加快工艺技术和设备的开发速度。