在蛋白藥物治療的早期研發(fā)中，有必要設(shè)計(jì)一種在運(yùn)輸和長期儲存期間穩(wěn)定的配方。顯然，水溶劑的液體產(chǎn)品對于生產(chǎn)來說是很容易且經(jīng)濟(jì)的，對于終端使用者也是十分方便的。

水溶劑的液體產(chǎn)品存在的問題

1. 大多數(shù)的蛋白以液體狀態(tài)存在時，易于化學(xué)（脫酰胺或氧化）和/或物理降解（聚合，沉淀）;

2. 如果嚴(yán)格控制水溶劑蛋白的儲存條件，并且對配方進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，可以減緩其降解，但是在實(shí)際的運(yùn)輸過程中，精確控制儲存條件通常是行不通的，蛋白會因受到多種應(yīng)力的作用而變性，包括搖動，高低溫，冷凍等;

3. 盡管會設(shè)計(jì)配方和運(yùn)輸條件盡可能規(guī)避這些應(yīng)力導(dǎo)致的損害，但是仍然不能足夠阻止在長期儲存過程中造成的損害。例如，在某些情況下，盡量減少化學(xué)降解的條件會導(dǎo)致物理損傷，反之亦然，那么就無法找到提供必要的長期穩(wěn)定性的折衷條件。

解決方案：凍干配方

設(shè)計(jì)合理的凍干配方，理論上可以解決以上存在的所有這些問題。在干燥的樣品中，降解反應(yīng)可以得到充分的抑制或減緩，蛋白產(chǎn)品在室溫狀態(tài)可以仍然維持其穩(wěn)定性，保存期可達(dá)到數(shù)月或數(shù)年的時間。而且，在運(yùn)輸過程中，短期的溫控偏離，凍干的蛋白樣品通常也不會受到損害。即使在兩種或多種降解途徑需要不同條件才能實(shí)現(xiàn)最大熱力學(xué)穩(wěn)定性的情況下，干燥產(chǎn)品中反應(yīng)速率的降低也可以實(shí)現(xiàn)長期的穩(wěn)定性。因此，一般來說，當(dāng)配方前研究表明在液體配方中不能獲得足夠的蛋白穩(wěn)定性時，冷凍干燥提供了頗有吸引力的替代方案。

凍干蛋白配方可能遇到的問題

然而，相對水針劑產(chǎn)品，只需要簡單灌裝即可來說，凍干過程較為復(fù)雜，且耗時、成本高，再有，一個十分關(guān)心的問題，如果配方中沒有合適的穩(wěn)定賦形劑，大多數(shù)蛋白制劑在凍干的過程中至少部分會因凍結(jié)應(yīng)力和脫水應(yīng)力而變性，結(jié)果通常是不可逆的聚合，通常是在凍結(jié)之后立即聚合或在儲存過程中，小部分蛋白分子發(fā)生聚合。因?yàn)榇蠖鄶?shù)的蛋白藥物是非腸道給藥，即使只有百分之幾的蛋白聚合也是不可以接受的。因此，只是簡單的設(shè)計(jì)一個配方，允許蛋白能承受凍干過程中的應(yīng)力，但是無法確保凍干后的樣品能有長期的穩(wěn)定性。一個較差的凍干配方，蛋白很容易發(fā)生反應(yīng)，須要求在零度以下儲存，這樣的配方應(yīng)當(dāng)認(rèn)為是不成功的。

本文將提供一些實(shí)踐的指導(dǎo)，用于配方的設(shè)計(jì)，可以在凍結(jié)和干燥過程中保護(hù)蛋白，并且在室溫條件下長期儲存和運(yùn)輸過程中具有很好的穩(wěn)定性。

再有，會簡要地討論，配方設(shè)計(jì)須考慮到工藝條件的物理限制，已獲得最終低水分含量的良好蛋糕。我們將不討論凍干工藝的設(shè)計(jì)和優(yōu)化，也不會偏離關(guān)于賦形劑選擇的實(shí)用建議，以解決關(guān)于這些化合物穩(wěn)定蛋白質(zhì)的機(jī)制的爭論。有豐富經(jīng)驗(yàn)的藥物科學(xué)家可能跟這篇文章的內(nèi)容也沒有很大的關(guān)系，但是可以將蛋白藥物產(chǎn)品推向市場，然而，我們的目標(biāo)主要是針對對于穩(wěn)定的凍干蛋白配方設(shè)計(jì)還不太了解以及具有很大挑戰(zhàn)的那些研發(fā)人員提供一個很好的開始。

當(dāng)合理設(shè)計(jì)凍干配方時，需要考慮的因素很多，從整體來看，工作會比較復(fù)雜，但如果能很好的理解決定最終成功的主要限制因素，那么就會容易很多。

01蛋白的穩(wěn)定性

首先記住蛋白產(chǎn)品選擇凍干方法的主要原因是其不穩(wěn)定性，整個配方中最敏感的成分也是蛋白質(zhì)，那么在配方設(shè)計(jì)中首要關(guān)心的是賦形劑的選擇，能夠提供蛋白好的穩(wěn)定性。

02最終藥物配置

在配方研發(fā)開始之前，須確定好最終藥物的配置，需要考慮的問題包括給藥途徑（常為非腸道給藥），共同給藥的其他物質(zhì)，產(chǎn)品體積，蛋白濃度，凍干盛裝容器（西林瓶、預(yù)充針或其它）等，如果最終藥物需要多次使用，在配方中需要加入防腐劑，這個可能會降低蛋白的穩(wěn)定性。

03配方張力

在選擇賦形劑時，可能會考慮設(shè)計(jì)等張溶液，甘露醇和甘氨酸通常是良好的張力調(diào)節(jié)劑，這些賦形劑經(jīng)常優(yōu)于NaCl,因?yàn)?/span>NaCl具有較低的共晶融化溫度和玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度，使得凍干更難進(jìn)行。另外，如果樣品中含有相對低的蛋白量，經(jīng)常會加入填充劑，避免在凍干的過程中蛋白損失，甘露醇和甘氨酸同時也可以充當(dāng)這個角色，因?yàn)樗麄儠?/span>很大程度的結(jié)晶并且形成機(jī)械強(qiáng)度較高的蛋糕結(jié)構(gòu)。然而，須意識到單獨(dú)使用晶體類的賦形劑通常不能夠在凍干過程和儲存期間給蛋白提供足夠的穩(wěn)定性。

04產(chǎn)品的蛋糕結(jié)構(gòu)

最終凍干的樣品須具有優(yōu)雅的外觀結(jié)構(gòu)，較強(qiáng)的機(jī)械強(qiáng)度并且沒有出現(xiàn)任何塌陷和/或共晶融化，水分殘留要相對較低（1g水/100g 干物質(zhì)），如果產(chǎn)品發(fā)生塌陷，不僅外觀不能接受，而且會導(dǎo)致樣品最終的水分含量較高，復(fù)水時間延長。

05產(chǎn)品玻璃化轉(zhuǎn)變溫度

為了確保干燥后蛋白具有長期穩(wěn)定性，非晶態(tài)成分（包含蛋白）的玻璃轉(zhuǎn)化溫度要高于計(jì)劃的儲存溫度。水是無定形相的增塑劑，需要保持較低的水分含量確保樣品的Tg 要高于運(yùn)輸和儲存的最高溫度。

06產(chǎn)品塌陷溫度

一般來說，達(dá)到最終的目標(biāo)，在整個凍干過程中，需要維持產(chǎn)品溫度在其玻璃轉(zhuǎn)化溫度以下。在干燥過程中，當(dāng)冰晶升華時，對于非晶態(tài)樣品，產(chǎn)品溫度須維持在其塌陷溫度以下，塌陷溫度通常與熱致相變溫度（也就是最大凍結(jié)濃縮無定形相的玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度Tg’）一致，同時，也有必要維持產(chǎn)品溫度在任何晶體成分的共晶融化溫度以下。在實(shí)際中，這些溫度可以通過差示掃描量熱儀DSC或凍干顯微鏡來測定。在配方開發(fā)中有必要測定產(chǎn)品的塌陷溫度。

凍干顯微鏡Lyostat5及搭配使用的DSC模塊

為什么要測定塌陷溫度？

在低于產(chǎn)品的塌陷溫度下干燥是需要付出代價的，產(chǎn)品的溫度越低，干燥的速度越慢，干燥的成本就越高。通常，在-40℃以下干燥是不實(shí)際的，同時樣品能降低到的溫度還受一些物理?xiàng)l件的限制，比如凍干機(jī)的性能以及產(chǎn)品的配方。在配方開發(fā)過程中，藥物研發(fā)人員應(yīng)該與工藝工程師（設(shè)計(jì)凍干工藝人員）緊密配合，并且清楚了解放大化生產(chǎn)型凍干機(jī)與實(shí)驗(yàn)室研發(fā)凍干機(jī)的區(qū)別是非常重要的，通常情況下，生產(chǎn)型凍干機(jī)和實(shí)驗(yàn)室凍干機(jī)在工藝參數(shù)控制方面會有所不同，一部分原因是生產(chǎn)型凍干機(jī)較大，在凍干過程中每瓶樣品的產(chǎn)品溫度差異較大。因此，如果對凍干過程熟悉的研發(fā)人員可以提供有用的信息幫助配方科學(xué)家做出正確的判斷，避免由于誤判導(dǎo)致將較好的配方排除在外。對于塌陷溫度較低的產(chǎn)品，也有一些方法，如可以通過控制過程參數(shù)來實(shí)現(xiàn)短時快速干燥。

配方設(shè)計(jì)需平衡蛋白穩(wěn)定性和塌陷溫度

很明顯，配方設(shè)計(jì)的一個目標(biāo)是保證蛋白穩(wěn)定性的前提下提供較高的塌陷溫度，產(chǎn)品的塌陷溫度主要取決于配方的組成，如果蛋白的含量超-過 - 所-有溶質(zhì)的20%，會對Tg’有較大的的影響。盡管單純的蛋白溶液通常用DSC很難測出Tg’，根據(jù)實(shí)驗(yàn)得出，增加蛋白含量，對于大多數(shù)的配方來說，均可以提高Tg’。通過外推法得到純的蛋白溶液的Tg’，大約為-10℃，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于大多數(shù)的單一賦形劑的Tg’(如蔗糖的Tg’為-32℃)，因此，從工藝過程的經(jīng)濟(jì)角度考慮，更期望配方中較高的蛋白質(zhì)和穩(wěn)定劑比例，然而，蛋白的穩(wěn)定性通常隨著穩(wěn)定劑與蛋白含量比例的增加而提高，因此須在高的塌陷溫度和較好的穩(wěn)定性方面做出平衡。并且，如下文討論的內(nèi)容，隨著蛋白濃度的增加，蛋白質(zhì)在預(yù)凍過程中抵抗凍結(jié)應(yīng)力損傷的能力就會得到改善，那么在高蛋白濃度和高穩(wěn)定劑和蛋白重量比的情況下，穩(wěn)定性是首好的，這樣，就會導(dǎo)致整個配方較高的固形物濃度，給工藝帶來困難，總濃度超過10%的配方將比較難凍干。

如何改變Tg'？

在升華之前對配方進(jìn)行一些處理可以改變Tg’，如經(jīng)常使用的退火處理，在退火處理過程中，會從無定形相中移走一小部分成分，如使用甘氨酸作為晶體的填充劑，取決于預(yù)凍的方法，可能一部分的甘氨酸分子會保留在樣品的無定形相中，甘氨酸具有相對較低的Tg’(-42℃)，因此讓甘氨酸盡可能的結(jié)晶是非常重要的，這樣可以提高樣品中無定形相的Tg’，加快干燥，節(jié)省成本。對于賦形劑結(jié)晶，設(shè)計(jì)理想完善的方案，可以用DSC模仿凍結(jié)和退火工藝的條件來進(jìn)行，這個方法可以參考Carpenter 和 Chang的文章內(nèi)容。

實(shí)際上，從灌裝到最終干燥的產(chǎn)品復(fù)水，每一步均會對蛋白造成損傷，并且要求配方的成分能夠抑制蛋白的降解。

在快速處理步驟（如灌裝，預(yù)凍，干燥和復(fù)水等）中，主要的問題通常是物理損害，如低聚物的形成和/或蛋白沉淀；通常，蛋白從液體到固體的轉(zhuǎn)變，相對與減緩化學(xué)變化，更多的會減緩蛋白的物理變化的速率，因此，儲存過程中的化學(xué)降解經(jīng)常是更嚴(yán)重的穩(wěn)定性問題。在儲存期間或復(fù)水時，蛋白也會發(fā)生聚合。在預(yù)凍和干燥過程中，受到凍結(jié)和干燥應(yīng)力的作用，蛋白的結(jié)構(gòu)很容易遭到破壞，如果在這些過程中，能夠抑制蛋白去折疊（變性），那么降解過程就會達(dá)到最小化，

因此，配方設(shè)計(jì)主要的關(guān)注點(diǎn)就是在這些過程中能夠保護(hù)蛋白，在干燥后的樣品中具有較高的Tg及較低的含水量，能阻止樣品內(nèi)部發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，更好的保持蛋白的天然性能。

01在預(yù)凍過程中的蛋白的穩(wěn)定性

特定的蛋白是否易受冷凍破壞的影響取決于許多因素，除了在配方中包含適當(dāng)?shù)姆€(wěn)定劑外。一般來說，會考慮三個很重要的參數(shù)：蛋白濃度，緩沖液的種類以及預(yù)凍方法。

蛋白濃度

增加蛋白質(zhì)的濃度能夠提高蛋白對凍結(jié)變性的抵抗力，可以通過簡單地測定凍融后蛋白聚合的百分比，該百分比與蛋白質(zhì)濃度呈反比。通常，如果預(yù)凍過程中去折疊的蛋白分子部分與濃度無關(guān)，那么預(yù)計(jì)增加蛋白濃度會增加蛋白聚合。然而，現(xiàn)在人們認(rèn)為，增加蛋白質(zhì)濃度會直接減少冷凍誘導(dǎo)的蛋白質(zhì)去折疊。據(jù)推測，凍結(jié)階段的損傷包括蛋白在冰水界面的變性，假設(shè)只有有限數(shù)量的蛋白分子在這個界面變性，增加蛋白的初始濃度會導(dǎo)致較低比例的變性蛋白。處于實(shí)際的目的，將蛋白濃度作為一個重要的考慮因素，在配方開發(fā)過程中盡可能保持較高的濃度，就顯得特別簡單了。

緩沖液種類

緩沖液的選擇也是非常關(guān)鍵，主要引起問題的是磷酸鈉和磷酸鉀，在預(yù)凍和退火過程中，二者的pH值會有明顯的變化。對于磷酸鈉，其二元堿形式的容易結(jié)晶，導(dǎo)致在冷凍樣品中，剩余的無定形相中的pH會降到4或更低。對于磷酸鉀，其二氫鹽結(jié)晶后，pH會變到接近9.  pH改變的風(fēng)險以及對蛋白的損害可以通過提高最初的冷卻速度，限制退火步驟的時間，降低緩沖液的濃度等來控制，所有這些措施可以降低鹽類結(jié)晶的機(jī)會?？焖倮鋬?，不進(jìn)行退火也限制了蛋白質(zhì)在暴露在冷凍狀態(tài)下的時間。盡管其他的賦形劑能夠輔助抑制pH的改變，較好的方法是避免使用磷酸鈉和磷酸鉀。在預(yù)凍階段pH有較小變化的緩沖液包括檸檬酸鹽，組氨酸，Tris溶液等。

預(yù)凍方法

排除由于pH變化造成的問題，在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，預(yù)凍過程中，蛋白質(zhì)受破壞的程度跟冷卻的速率有關(guān)系，較快的冷卻速度形成的冰晶體較小，冰的比表面積越大，受破壞的程度越大，這個推測是由于蛋白在冰水界面變性導(dǎo)致。冷卻的速度通常受凍干機(jī)設(shè)備本身性能的限制，然而，一些對冷凍敏感的蛋白，即使慢速冷卻也會導(dǎo)致其變性。

02、在干燥和儲存過程中蛋白的穩(wěn)定性

盡管整個蛋白分子在預(yù)凍過程中保持了其原有的結(jié)構(gòu)，然而，在后續(xù)的脫水干燥過程中如果不加入合適的穩(wěn)定劑也會面臨變性的風(fēng)險。簡單的說，當(dāng)去除蛋白分子的水合外層時，蛋白質(zhì)天然的結(jié)構(gòu)便遭到破壞。對多個蛋白的紅外光譜研究表明：無合適的穩(wěn)定劑存在時，在干燥的蛋白樣品中，其結(jié)構(gòu)將會遭到去折疊。如果樣品迅速復(fù)水，損傷的程度（如，聚合百分比）與干燥蛋白質(zhì)的紅外光譜的非天然表現(xiàn)直接相關(guān)。因此，降低復(fù)水后結(jié)構(gòu)的破壞需要減小預(yù)凍和主干燥過程中蛋白結(jié)構(gòu)的去折疊。而且，即使樣品立即復(fù)水后100%的天然蛋白分子被恢復(fù)，干燥的固體中也會有相當(dāng)一部分去折疊的分子。在復(fù)水過程中分子內(nèi)的再折疊可以主導(dǎo)分子間的相互作用，從而導(dǎo)致聚集，在復(fù)水后表現(xiàn)為100%的天然分子。

適當(dāng)?shù)馁x形劑可以阻止或至少減輕蛋白結(jié)構(gòu)的去折疊，配方是否成功可以通過紅外光譜檢查干燥后蛋白的二級結(jié)構(gòu)來立即判斷，更重要的是，發(fā)表的一些研究顯示，干燥樣品的長期穩(wěn)定性取決于干燥過程中天然蛋白的保留量，如果干燥后的蛋白樣品存在結(jié)構(gòu)上的去折疊，即使樣品在低于其Tg溫度以下儲存，蛋白也會很快被破壞，因此，紅外光譜法可作為蛋白配方的另外一種工具，研發(fā)人員可以在凍干后對樣品進(jìn)行檢測，確定其結(jié)構(gòu)是否遭到破壞。

歡迎先關(guān)注我們，下一期內(nèi)容將繼續(xù)為大家?guī)?/span>“實(shí)用建議：如何合理設(shè)計(jì)穩(wěn)定的凍干蛋白配方（二）”，詳細(xì)分享：蛋白樣品凍干的賦形劑有哪些、基于成功蛋白凍干配方會導(dǎo)致最終失敗的一些細(xì)節(jié)問題等。

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譯自：《Rational Design of Stable Lyophilized Protein Formulations:Some Practical Advice》  John F.Carpenter,Michael J.Pikal,Byeong S.Chang,Theodore W.RandolpH pHarmaceutical Research, Vol.14,No.8,1997

* 如有理解錯誤之處，還請參考原文

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