简介
为了稳定日益增多的复杂生物技术药物并加强冷链管理，冻干制剂作为供应链支柱的实用性日益凸显。
为了深入探讨冻干工艺发展背后的不同因素，我们采访了 IMA Life（伊马生命）北美区的研究科学家 Justin Griffiths。
冻干技术（Lyophilisation 或 freeze-drying）是当今制药行业最关键的技术之一，尤其在生物制品、疫苗和其他热敏性制剂的长期稳定方面更是如此。该工艺通过升华去除冷冻产品中的水分，从而保留了复杂分子的结构完整性和生物活性，而如果使用传统的保存方法，这些分子将无法存活。
我们有机会与行业专家、IMA Life 北美区研究科学家 Justin Griffiths 一起回顾了这项极其复杂技术的各个方面。
NCF：冻干工艺在制药行业中发挥着越来越重要的作用。造成这一趋势的原因是什么？
Justin Griffiths： Covid-19 疫情凸显了冷链的脆弱性，促使相关机构和制造商将冻干制剂视为供应链弹性的重要支柱。由于能够保持产品的完整性和无菌性，冻干技术现已成为稳定敏感产品（如活病毒疫苗、抗体偶联物和病毒载体）的黄金标准。无需超低温储存的优势也简化了物流，并提高了患者的用药安全。
冻干技术的未来前景极为广阔。例如，我们公司正在开发过程分析技术（PAT），在我们搭载人工智能平台的 SENTINEL® 的创新数据管理策略支持下，该技术可实现对工艺和产品的实时监控。这些解决方案旨在通过增强可重复性并加深对工艺的理解，使冻干过程变得更加可靠和可持续。
与此同时，IMA Life 北美区和 Rhea Vita（IMA集团）也在开发两个新平台——无菌喷雾冻干和旋转冻干，旨在拓展生产领域的版图，特别是针对高通量疫苗和高附加值定制药品。综合来看，这些平台代表了冻干技术作为制药 4.0 (Pharma 4.0) 生产基石的不断成长。
NCF：关于冻干技术的 GMP 附录 1 新增条款 8.123 已于 2024 年 8 月 25 日生效。在使系统适应新要求的过程中，必须解决的最关键问题是什么？
Justin Griffiths： 附录 1 的出台是冻干操作中最重大的变化之一。第 8.123 条款要求冻干机及其自动进出料系统必须尽量减少操作人员的干预，并在 A 级保护下保持无菌连续性。这意味着需要更快地向半自动或全自动传输系统过渡，与限制进出隔离系统（RABS）或密闭隔离器相集成，并改进对气流和真空完整性的控制。
给予两年的过渡期，是考虑到让现有工厂适应这些新要求具有复杂性，同时也能最大限度地减少生产停机时间和潜在的供应问题。
为了满足这些新需求，IMA Life 开发了完全集成到西林瓶灌装和封口线中的冻干机，它们可在隔离环境或 RABS 下运行。对于现有设备，我们还提供半自动升级解决方案，无需更换整条生产线即可符合附录 1 的要求。这些系统配备了在单向 A 级气流下运行的电子可调装载推车，并对灭菌框架进行专用存储和处理，以维持无菌连续性。这些解决方案展示了如何通过平衡法规合规性、业务连续性和成本效益的务实升级过程来实现要求。
NCF：冻干过程可以分为三个连续的步骤：冷冻、一次干燥和二次干燥。关于冷冻，在确定最合适的冷冻速率时，有哪些关键问题（例如与所获得的晶体大小和随后的升华阶段的关系）？
Justin Griffiths： 在冻干过程中确定最佳的冷冻曲线已被公认为循环设计的关键环节，因为它需要在工艺效率和产品稳定性之间取得平衡，并能实现对最终冻干粉饼（cake）结构的控制。
冷冻速率调节了成核前的过冷度，这会影响冰晶的大小以及最终干燥块的多孔结构。这些因素直接影响了干燥动力学和产品的整体质量。
快速冷冻通常会导致更大程度的过冷，并产生较小的冰晶和更细的孔隙，这会增加水蒸气流动的阻力并延长一次干燥阶段的时间。然而，这种较大的比表面积可以促进后期阶段更快的水分解吸。
另一方面，缓慢冷冻有助于形成更大的晶体和更宽的孔隙，从而通过降低产品阻力来促进更快的一次干燥。因此，必须对冷冻速率进行优化，以平衡这些截然相反的效应。
冷冻速率还影响生物分子的稳定性。快速冷冻可降低冷冻浓缩和聚集的风险，而过度过冷则会增加界面应力并导致蛋白质变性。它还影响赋形剂的结晶和西林瓶的形态一致性，因为随机成核会导致孔隙结构和干燥行为的变异。
为了克服这些挑战，IMA Life 开发了专有的受控成核技术 KRYOSEQ®，该技术通过引入无菌冰雾消除了冰形成的随机性。KRYOSEQ® 能够实现整个批次的同时成核，创造出均匀的冰晶结构以及更大、更一致的孔隙，从而降低传质阻力。根据配方的不同，这种方法可将一次干燥时间缩短 30% 甚至更多。在我们的 Lab4Life 服务的支持下，客户可以量化并微调 KRYOSEQ® 为其自身药品带来的益处。该系统还可以无缝地加装到现有的冻干机中，在确保合规性和性能提升的同时，将对生产操作的干扰降至最低。
NCF：在二次干燥阶段结束时，最佳的残余水分值是多少？达到这些值并保证产品获得长保质期的最合适方法是什么？
Justin Griffiths： 产品的长期稳定性取决于达到一种以极小分子流动性为特征的物理状态，而这一状态的条件取决于干燥块中的最终水分含量。
通常来说，最常见的残余水分范围在 0.5% 到 3% (w/w) 之间，尽管具体限制因配方而异。蛋白质通常要求水分值低于 1%，而疫苗可以容忍 2% 到 3% 之间的湿度。过度干燥会去除必需的结构水并破坏活性药物成分（API）的稳定性；而水分含量过高则会降低玻璃化转变温度（Tg），增加分子流动性，从而增加降解的风险。在某些具有高浓度单克隆抗体的配方中，稍微高一些的湿度水平（约 3% - 5%）反而可以改善稳定性分布。
要达到这些数值，需要在二次干燥期间精确控制层板温度、干燥时间以及腔体压力。通常通过卡尔·费休滴定法（Karl Fischer titration）、热重分析法或近红外光谱法（NIR）来测定水分含量，以确认是否达到了所需的干燥终点。
进行长期稳定性测试的关键在于，要通过适当的包装选择、处理过程和验证测试，尽可能地减少加工后的水分吸收。
NCF：一次干燥阶段是如何进行的？涉及哪些关键参数？需要多长时间？结束时残留水分的百分比是多少？
Justin Griffiths： 一旦所有西林瓶完全冷冻，腔室压力就会降低到水的三相点以下，以促进升华。通过层板中循环的流体进行受控加热，为冰转化为水蒸气提供所需的能量。水分子从因温度较高而蒸汽压较高的产品中，迁移到保持在极低温度（约 −60 °C 至 −100 °C）且蒸汽压低得多的冷凝器中。这种压力梯度是升华背后的主要驱动力。水蒸气在冷凝器盘管上再次冷冻，从而有效地去除产品中的水分。结果会得到一个固体多孔的冻干块（cake），它保留了原始冷冻基质的结构。
控制这一阶段的关键设备参数是层板温度和腔体压力，这两者都会影响产品温度。其中，产品温度是最重要的变量：必须将其保持在特定配方的既定临界温度以下，以避免结构坍塌。
层板温度决定了热量输入，通常在 −35 °C 到 +10 °C 之间变化；而腔室压力通常控制在 50 到 200 mTorr 之间，这些参数的组合用于控制传质速率。
一次干燥阶段的持续时间很大程度上取决于配方、容器类型和操作条件。它通常是冻干循环中最长的阶段，可持续 8 到 72 小时不等。
此阶段结束后，干燥块中的残余水分含量通常为初始水分含量的 5% 到 35%；与赋形剂结合或捕获在无定形基质中的残余水，随后将在二次干燥阶段通过解吸过程被去除。
NCF：对于上述三个步骤开发过程中通常相互关联的各种关键工艺参数，如果要进行最佳的整体评估，您有什么建议？
Justin Griffiths： 关键工艺参数（CPPs），如坍塌温度、共晶温度、腔室压力和冷冻速率，在冻干的关键阶段中相互作用，其中每个步骤都建立在上一步骤所确定的条件基础之上。冷冻期间设定的物理结构和热学特性决定了安全高效干燥的界限。
优化始于表征，即确定配方的关键热转变。需要定义不能超过的上限热边界，如：
Tg’：最大冷冻浓缩溶液的玻璃化转变温度
Teu：共晶熔点
Tc：坍塌温度
了解这些限制条件，可以合理选择防止坍塌或回熔的工艺条件。对于冷冻阶段，目标是获得完全冷冻的基质以防止坍塌，形成有利的孔隙结构以支持更快的升华，并获得正确的形态以确保长期稳定性。诸如 IMA Life 的 KRYOSEQ® 受控成核系统等技术，通过促进均匀的冰形成，从而提高批次均匀性、孔隙结构一致性和整体干燥效率，直接支持了这些目标。
在一次干燥期间，对层板温度和腔室压力的精确控制可将产品温度保持在临界限制以下。使用具有明确设计空间（Design Space）的质量源于设计（QbD）框架，可以在保持产品完整性的同时最大限度地提高干燥效率。IMA Life 的 Lab4Life 通过帮助客户表征、建模和优化关键参数，来构建稳健、可扩展且符合法规的冻干工艺，从而支持这一方法。
NCF：在此过程中，可以用作冷冻保护剂或冻干保护剂的主要赋形剂有哪些？它们发挥什么作用？优化其选择应考虑哪些因素？
Justin Griffiths： 设计稳定的冻干配方在很大程度上取决于选择正确的冷冻和冻干保护剂，这些赋形剂有助于保护分子在冷冻和干燥过程中免受损伤。
冷冻保护剂（Cryoprotectants）： 在冷冻阶段发挥作用，保护产品免受冰晶形成和冷应激引起的损伤。它们通过降低冰液边界的界面应力，帮助防止蛋白质去折叠和聚集，并保持蛋白质原有的水合结构。
冻干保护剂（Lyoprotectants）： 在干燥和储存阶段发挥作用，在水分被去除后保护产品。它们通过氢键取代水分子，并形成限制分子运动和降解的刚性玻璃状基质来稳定蛋白质。
发挥这些作用的最常见赋形剂包括二糖（如蔗糖和海藻糖）和多元醇（如甘露醇、山梨醇和聚乙二醇）。海藻糖和蔗糖等糖类是首选，因为它们既可以作为冷冻保护剂，也可以作为冻干保护剂；而甘露醇主要作为冷冻保护剂和填充剂，在激进的一次干燥条件下支持坚固的冻干块结构。
选择赋形剂需要平衡热稳定性和化学稳定性。非还原糖（如海藻糖和蔗糖）具有较高的玻璃化转变温度和坍塌温度，可实现更快的干燥和更稳定的配方，而低 Tg' 的多元醇往往会减慢干燥速度。必须优化配方比例、缓冲液选择、表面活性剂和工艺参数，以防止结晶并确保蛋白质完全稳定，同时产生外观良好的冻干块。
在 IMA Life 的 Lab4Life 设施中，配方科学家和工艺工程师协同合作，评估赋形剂组合，表征热学特性，并开发优化的冻干循环，以平衡稳定性、效率和产品质量。通过 Lab4Life 的配方和循环开发服务，可以使用差示扫描量热法（DSC）、冻干显微镜和实验设计（DoE）等技术对这些参数进行实验测试和建模。这种方法允许根据每种配方的热学和结构特性进行量身定制，从而确保工艺设计的高效、稳健和科学。
NCF：冻干过程需要对各种关键参数进行持续密切的监控。对于使用传感器和/或高级 PAT 技术正确设计和实施过程控制，您有什么建议？
Justin Griffiths： 商业化冻干中的过程控制仍然主要依赖于常规传感器，例如用于测压的皮拉尼计（Pirani）和电容薄膜真空计，用于测温的层板探头，以及放置在代表性西林瓶中的热电偶。这些仪器很可靠，但只能提供产品在冷冻和干燥过程中行为的局部视图。
为了扩大对工艺的了解，现代过程分析技术（PAT）工具现在能够实时洞察传质、热流和产品温度动态：
可调谐半导体激光吸收光谱（TDLAS）： 测量水蒸气通量以计算升华速率、产品阻力和批次平均温度，而不会破坏无菌状态。
测压温度测量（MTM）： 从压力上升数据推断原位温度，尽管它会短暂中断蒸汽流。
LyoFlow（Comser 制造）： 直接提供蒸汽流量和升华速率的重量测量，经过正确校准后支持精确的终点检测。
无线传感器： 移除了电缆和馈通件，简化了瓶内监控，但它们仍然具有侵入性，可能会使成核产生偏差，并且对于常规 GMP 使用来说成本高昂。
残余气体分析仪（RGA）： 扩展了对腔室组成的深入了解。例如，IMA Life 的 QUANTUM RGA 可检测微量气体变化、一次干燥终点和潜在泄漏。
近红外（NIR）光谱： 可以在卸料期间量化残留水分。
IMA Life 目前的开发重点是从已安装在生产型冻干机上的标准传感器中提取更丰富、与产品相关的数据。这些衍生参数（包括蒸汽通量、批次温度和终点检测）被集成到人工智能驱动的 SENTINEL 平台中。通过结合现有仪器、新兴 PAT 工具和预测分析，SENTINEL 将冻干从被动过程转变为数据驱动、自我优化的操作，从而提高了质量、可靠性和效率。
NCF：在冻干工艺的确认和验证中，需要考虑哪些重要方面？
Justin Griffiths： 冻干工艺的确认和验证可确保设备和工艺持续稳定地交付安全、有效且高质量的产品。确认序列包括设计、安装、运行和性能确认（DQ/IQ/OQ/PQ），随后是工艺验证和持续监控。
对于无菌冻干机，验证旨在确认有效清洁、可靠灭菌和无菌操作：
在位清洗（CIP）： 使用核黄素覆盖率测试进行验证，以确认清洗液与所有产品表面接触。
在位灭菌（SIP）： 受到生物指示剂（BI）的挑战，以证明微生物的减少。
培养基灌装模拟： 随后证明集成生产线在 A 级（Grade A）条件下运行且无污染。
针对特定产品的验证证明了关键质量属性（如残留水分、冻干块结构和复溶时间）在正常和最差条件下都能持续达标。取样证实批次均匀性，清洁验证确保没有产品残留。
工艺性能确认通过验证层板温度、腔室压力和干燥时间能够生产出符合规格的产品，来确保全规模批次间的可重复性。对于复杂的容器系统（如双室西林瓶或注射器），可能需要进行额外的研究，以确保传热和传质的均匀性。长期稳定性研究和持续工艺确认，可确保经过验证的工艺随着时间的推移保持受控状态，从而在整个商业化生产过程中保障产品质量和保质期。
NCF：从法规合规的角度来看，正确采集、存储和分析所收集数据的关键问题是什么？——同样也从数据完整性的角度来看？
Justin Griffiths： 在现代冻干技术中，围绕数据完整性的挑战不在于缺乏数据，而在于如何在高度自动化、多步骤的工艺过程中管理数据的准确性、完整性和可追溯性。每个批次都会从温度、压力和真空传感器中产生数以百万计的数据点，每一个数据点都必须可靠地捕获并无缝且无需人工干预地存储起来。
为了实现这一目标，需要关注以下几个层面：
精确采集： 这是首要任务。所有关键参数（如层板温度、腔室压力和时间）应通过安全、实时的接口直接从经过验证的仪器中记录。手动输入或运行后的编辑会引入风险，因此现代系统依赖于监控和数据采集（SCADA）架构内的自动数据捕获和带时间戳的记录。这确保了测量结果既完整又可追溯到经过校准的传感器。
数据完整性和保留： 电子记录必须符合 FDA 21 CFR Part 11 和欧盟附录 11（EU Annex 11）的要求，这些法规要求所有电子数据必须安全、可归因于授权用户，并受到保护以防篡改。这包括唯一登录、受控访问和全面的审计跟踪（记录对记录的每一次更改或修改尝试）。即使硬件和软件不断演进，数据也必须在多年内保持可读和可检索，这就使得可靠的归档和备份策略变得至关重要。
转化为可操作的见解： 最终目标是将合规数据转化为支持批次放行和调查的实用信息。为了实现这一目标，数据在监控系统屏幕或批次报告中的呈现方式必须清晰、直观且易于导航。在 IMA Life，我们的监控系统经过多年的客户体验和监管审查不断完善，这些积累的知识现在已完全嵌入到我们的标准设计中。
NCF：从监管的角度来看，在实现统一的监管愿景（这使我们能够遵守适用于此类工艺的各种法规，包括按地理区域、质量风险管理和计算机化系统的法规）方面，关键问题是什么？
Justin Griffiths： 建立全面的冻干方法的难点并不在于物理学本身，而在于如何应对拼凑在一起的不同监管要求。
ICH 指南通过质量源于设计（QbD）、质量风险管理（QRM）和生命周期验证的原则提供了一个共同的基础；然而，各地区对这些原则的解释仍然存在差异：
工艺验证差异： FDA 提倡采用基于风险管理和科学的方法进行工艺验证，并未强制规定工艺性能确认（PPQ）的固定批次数量；而欧洲附录 15（Annex 15）通常要求连续三个批次，除非另有正当理由。因此，全球制造商倾向于按照“最高共同标准（最大公约数）”原则来设计其流程，利用实验设计（DoE）和过程分析技术（PAT）来支持基于风险的合理性论证。
计算机化系统差异： FDA 21 CFR Part 11 和欧洲附录 11 都在不同范围内解决了数据完整性问题。Part 11 适用于所有创建、修改或存储的电子数据；而附录 11 则将审计跟踪限制在与 GMP 相关的数据上，并要求进行定期审查。在实践中，公司通常采用 Part 11 提供的更广泛的模型，同时将审查方法与附录 11 的要求相统一。此外，2022 年修订的附录 1 进一步加强了对冻干的无菌要求。
最终，成功取决于将坚实的科学基础与统一的合规战略相结合的能力，该战略应能够始终如一地满足跨地理区域的监管期望。
关于 Justin Griffiths
Justin Griffiths 在尼亚加拉大学（Niagara University）获得化学学士学位，并在布法罗大学（Buffalo University）获得化学博士学位。在 IMA Life，他主要负责冻干前和冻干后的表征、循环开发、工艺优化以及技术转移/放大。除了这些工作之外，他的兴趣领域还包括开发新的传热方法以及开发传统批量冻干的替代方案。
