制药4.0 mRNA药物连续化生产工艺

2024-04-03

本文献为解决上述问题采用聚合质量和能量平衡模拟，蒙特卡罗方法，空间布局分析等方法作为制药4.0数字化设计实现工具，为实现分层设计相关的生物过程，投入可放大的生产设备使其连续运行；收集所获得的技术数据，进行资源投入分析，评估建立一条规范化的GMP生产线，以端到端生产配方mRNA疫苗的可行性。

一

智能制造4.0为生物制药，特别是mRNA药物生产的连续性方面提供了无与伦比的标准化质量保证。连续的mRNA药物生产被认为是通过质量源于设计、可控自动化、实时验证、稳定性和可重复性来建立连续生产工艺，以期与监管要求协调一致。与所有生物制药一样，基于RNA疫苗的生产依赖于批量操作，其特点是低水平的自动化和可重复性。由于可重复性要求，生产步骤必须由经过认证的设施中训练有素的人员执行，这反过来又增加了标准操作程序制定（SOP）的难度，缩小了生产转移到当地环境的前景，由于这些生产制造中的障碍和后续记录完整可追溯的障碍共同影响导致在疫情爆发的危机中扰乱了供应链，这是最近全球Covid-19 爆发期间面临的一个现实问题，能够立即生产疫苗的区域设施即使不是不存在，也是有限的。而想要实现连续且可重复性较高的mRNA药物生产主要有两个难点：其一，由分批到连续的过渡必然需要对整个生产过程的了解；其二，则是试验性生产线的开发和运营有关的费用使这种冒险成为不可能。

经过一系列的设计实验，包括建立整个工作流程和方法设计策略，接种、上游生产和质粒扩增，碱性细胞裂解、质粒纯化、DNA线性化，IVT反应器设计与mRNA纯化，mRNA脂质纳米粒（LNP）配方设计，洁净室设计，资源分析方法，总资本投资和生产成本，最低剂量销售价格（MSPD）估算，不确定性分析，可进行以下实验并得出数据：

1. 上游灌注反应器设计

2. 质粒的碱性裂解，纯化和线性化

3. 线性化DNA模板的纯化和IVT

4. LNP配方与自组装

5. 洁净室相关费用

6. 资源投入分析

7. 不确定性分析

结论

通过模型方程，对确定的关键工艺参数进行确定性、多变量、因子敏感性分析，探索操作和材料质量属性的设计空间。上游灌注流量为5 L m2 h−1，孔径为2µm的孔膜，主反应器室容积为1000 L，转速为250 rpm。此外，对于IVT反应器系统，分别以4 mM UTP、10 mM Mg2+和0.5µM聚合酶为输入浓度，研究了3个10 L单位(每个单位的实际工作体积为8 L)。对于色谱块进行的纯化步骤，设备的尺寸分别考虑保留时间为20 min和物料流量为10 L/h，长度为43 cm，直径为21 cm。对mRNA和脂质分子的空间分子排列的初始原子构型进行定向，以保持适当的范德华距离耐受，从而阐明配方物质组成的整体结构。计算了参与典型结构疫苗单元形成的实际分子数，并对模拟过程进行了指导。具有A/B级良好制造认证的洁净室设施被认为与建议的解决方案相匹配。

二

通过经验数据和设计方程获得的结果，或通过质量和能量平衡模拟的聚合得到的结果，为我们的资源消耗分析提供了动力，通过概率蒙特卡罗评估来采购GMP操作的设备和原材料。最后总结了在预计的30年生命周期中与产品供求有关的价格波动。每个制造步骤的设备资源分配由a的饼状图显示。发酵占资源参与的12%，细胞裂解占40%，线性化反应器和相关辅助设备占14%，IVT反应器占28%，配方相关泵和微流体混合设备占6%。原材料也按照指定的工艺步骤进行分组，结果如图b的饼图所示。发酵原料几乎可以忽略不计，细胞裂解试剂占12%，线性化试剂占42%，IVT试剂占26%，LNP配方相关及主要载体成分材料占20%。

图10.脂质颗粒载体对连续 GMP mRNA 制剂产品总成本（馅饼）的百分比贡献：（a）设备,(b) 原材料；

对于设想的分批到连续的操作转移，一个模拟框架以设计工艺条件是必要的。本文的主要研究发现如下:

一、从细菌培养出发，论证了连续端到端生产的GMP合规性、mRNA LNP配方疫苗技术采用的可行性。为解决这一问题，引入了灌注反应器、SMB色谱步骤、连续细胞裂解模块和微流体配方等创新技术。在严格的质量指令下，这为未来实际的、模块化的过程线开发实施铺平了道路。

二、材料驱动的流程将质量和能量平衡结合或利用文献、经验和实验元素，使我们能够将操作性设计空间框架与关键质量属性联系起来，随后提供了整个过程的全面映射，可用于进一步的实验优化。对于所研究的工艺过程和代表性材料体系，出血率、停留时间和UTP浓度分别被确定为灌注生物反应器和IVT反应器组分块的关键参数。

三、这种数字方法进一步使我们能够安全地评估该项目的经济方面，记录某些显著的发现。与单剂量方案相关的MSPD价格预计最可能在1.30 - 1.45欧元之间。事实上，与批量生产相比，连续生产mRNA疫苗的总成本略微相同，这归因于有限的、应用的放大级。MSPD具有保留离散度的特点，因此波动带来的依赖性有限。最后，细胞裂解装置(包括其相关的纯化模块和线性化酶)上升为主要成本因素，分别占设备和原料的40%和42%。

mRNA药物产品已被证明是安全的管理和有效的，由于其效力、临床前到临床试验设计的适应性以及快速和低成本的开发和制造，我们需要一种有希望的疫苗替代品。通过将各种序列优化的mRNA构建物封装到LNP载体中，已在体内诱导了配制的mRNA对几种传染病(如寨卡病毒、流感病毒、狂犬病毒等)的功能性免疫。挑战仍然存在，包括按照制药4.0原则，阻碍建立定向法规、记录和增加安全性和有效性、放大生产，及无菌生产装置的分散化。这项工作深入研究了即插即用模型的开发，研究了每年约2.7亿剂(每剂含有30µg API mRNA)的连续GMP生产。后一种方法可以普遍应用，即独立于目标产品的使用(蛋白质、单克隆抗体、抗原、衍生物)，因此有助于对任何新兴的RNA疫苗生产平台的全面过程的掌握。

总结

在工业4.0的背景下的医药制造行业，我们更加重视的是保障药品生产的质量稳定，减少药物在生产过程中由于人为出现的差错，生产过程可视化，生产全流程可追溯。智能制造和医药工业相结合，可大大的提高药品生产质量的稳定性，对于整个生物制药行业，尤其是mRNA药物生产，规范化、标准化的推行显得尤为重要，由于其原材料及生产过程投入成本较高，我们在放大生产的过程中试错率就要控制在一定的成本范围之内，此时，对于整个生产过程中的物料（原料、辅料以及包装材料）、工艺和设备、厂房设施及生产人员、生产记录完整性方面的要求就比较高，而制药工业4.0就能解决半数问题，从而实现mRNA药物放大生产的连续性和可重复性。

文献来源：

Ouranidis, A.;Davidopoulou, C.; Tashi, R.-K.;Kachrimanis, K. Pharma 4.0 Continuous mRNA Drug Products.Manufacturing. Pharmaceutics 2021,13,1371. https://doi.org/10.3390/pharmaceutics13091371

撰稿人 | 迈安纳

责任编辑 | 邵丽竹

审核人 | 何发

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