IPEM 冻干技术专题简报

全球享有盛名的制药冻干领域权威Pikal教授继IPEM上海冻干专题课后,于6月27日来到北京,与药业和监管、审评机构人员进行了为期4天的深入技术交流,分享他在冻干工艺配方研发、放大、验证、技术转移及冻干机设计和性能的监管考量方面的最新研究成果。

 

 

Pikal教授的演讲从制剂关键性质及将此类信息有效应用在冻干工艺设计中展开,关键性质包括制剂塌陷温度、药物稳定性和所用辅料性质。制剂塌陷温度(Tc)指产品在冻干期间失去宏观结构并塌陷的温度。Tc与冷冻状态下玻璃化转变温度有关,通常高出Tg' 约2℃,或等于溶质在冷冻溶液中的共晶温度(Teu)。在结晶和非结晶冷冻浓缩物中,结晶相处于过量状态,但“肉眼可见”的塌陷不会出现,只有当产品温度高于Tg'或非晶相的塌陷温度时,非晶相才会塌陷。在Tg' 至Teu之间,非晶相塌陷到结晶相表面,结晶相提供机械支持。因此,以结晶相为主的非晶相和结晶相的混合物中,Tc接近Teu,因此冻干温度总是需要低于Tc。然而对于蛋白质药物来说,蛋白质对冻干施加的应力十分敏感,在该过程中容易降解或分解,在界面(蛋白质-空气和蛋白质-冰)中产品会经历冷变性,因此冻干的低温并不能保证产品稳定性。

随着对以上这些冻干基础理论知识的探讨,Pikal教授进入演讲主旨之一:冷冻干燥过程设计。如果蛋白质药物在发生显著变性之前结束干燥过程,在冻干过程中变性速度足够慢,则有可能解决低温或其他应力引起的热力学不稳定性带来的蛋白质变性问题。如此,意味着蛋白质可以在远高于Tg'的温度下安全地进行冻干,并允许更快的干燥过程。在Pikal教授看来,最佳冻干工艺是指以最低成本实现最高药品质量,但这需要优化冻干的所有可控阶段。

哪些因素是冷冻的关键?

  •      冷却速度和冰核温度?

  •      退火?

  •      一次干燥:温度如何实现?

  •      目标产品温度?

  •      室压和板层温度

  •      二次干燥:干燥程度?如何实现?

  •      残留水分,什么是可接受的温度范围?

在接下来的演讲中,Pikal教授从典型冻干工艺的冷冻、一次干燥和二次干燥三个阶段的设计及优化进行了详细阐述。冷冻作为冻干第一阶段,将大部分水从药物和辅料中除去,并在冰与药物相之间形成界面。冷冻通常引起多个不稳定压力,特别是蛋白质药物。这些压力包括增加蛋白质间相互作用导致聚集;由缓冲盐结晶产生pH变化引起蛋白质浓度降低;冰层形成“脱水”效应引起疏水相互作用减少;以及离子强度显著增加引起蛋白质稳定性问题。通过选择最佳缓冲盐(即,避免磷酸盐、琥珀酸盐和酒石酸盐)或通过将缓冲液浓度降至数毫克,可以使冷冻期间pH值变化最小。通过增加蛋白质浓度(即,“饱和”蛋白质-冰界面)和/或通过使用表面活性剂可以使冰-水界面处的蛋白质降解最小化。对于给定蛋白质制剂,工艺设计在蛋白质稳定中起到重要作用。

Pikal教授以详实的案例,引导工艺开发人员关注“退火”的重要性。退火是将产品简单保持在高于最终冷冻温度下一段确定的时间,目的是确保潜在结晶物有效结晶(通常为结晶填充剂,例如甘露醇或甘氨酸)。如填充剂未有效结晶则会降低Tg' 潜力,并且在储存期间从固体中结晶而降低储存稳定性。若其在一次干燥过程中结晶,则可能导致西林瓶破裂,较为常见的做法是使用浓缩甘露醇的高灌装深度。可通过采用缓慢冷冻法使甘露醇结晶,或避免甘露醇完全结晶之前温度低于-25℃左右,来防止西林瓶破裂。退火可促进结晶完成。退火温度应介于Tg'(非晶相)至Teu(填充剂)之间,在此温度范围内,具有高结晶速率并可完全结晶,完成结晶需要足够的退火时间,最佳时间则取决于所用填充剂的比例和性质。填充剂与其他溶质具有高质量比(总建议浓度>80%)时,结晶速度会快得多,因此不建议低质量比(<50%的总溶质)。由于低温下过饱和度较高,因此低退火温度可能产生高结晶度,由于高粘度,结晶速度可能过低。最佳退火条件是达到结晶度与结晶速率之间的平衡。对于甘露醇或甘氨酸,若灌装深度大于等于1cm,则建议温度为-20或-25℃,退火时间至少2小时。可以用冷冻溶液X射线衍射或差示扫描量热 (DSC)方法来研究退火条件,以评估结晶度发展。除了对溶质结晶的影响。研究退火还有其它作用,例如,在高于Tg' 玻璃化转变温度的条件下退火致使冰晶形成,可降低产品对水蒸气流动的阻力,进而一次干燥时间较短。此外,假如产品比表面积减少,会降低二次干燥期间的水脱附速率,可能导致成品中残留水分含量增加或需要更长的二次干燥。

在接下来的演讲中,Pikal教授从一次干燥过程设计中如何优化产品温度(Tp)、室压、板层温度设计、冻干机过载,二次干燥过程中如何设计合适的加压速率和室压、板层温度和二次干燥时间等角度详细讲解了冷冻干燥过程设计。

Pikal教授以NIPTE与辉瑞公司、康涅迭戈大学、普渡大学承担FDA项目为例,分享了质量源于设计(QbD)在冻干蛋白工艺开发过程中的应用。

一些具有普遍性的结论:冻干循环可运用冻干质量规范(GFDP)设计,这些循环可运用单稳态模型和确认性实验运行优化,而经过优化的循环可用于开展范围确定研究,并反过来有助于定义与西林瓶底部产品温度(Tp)有关的设计空间,在放大运行时,在设计空间内提供西林瓶底部的Tp将获得质量相当的样品,水分吸收研究提供水分对产品质量影响的信息,可确定和证明可接受含水量是合理的。

课程最后,Pikal教授提出:“什么是合格的冻干产品粉饼外观?”即:冷冻变异导致改变粉饼质地,塌陷、起皮、粉饼收缩和/或开裂、马朗戈尼流引起的“雾”状物、在封装区中的瓶塞与西林瓶之间干燥产品等是否合格?教授总结如下:
1.  冷冻变异改变粉饼质地:常用于大容量有色溶液,没有已知的对关键质量属性的负面影响;
2.  起皮:对关键质量属性没有负面影响;
3.  粉饼收缩和/或开裂 :通常某些产品自然发生,对关键质量属性没有负面影响;
4.  塌陷:一次干燥过程中暴露在超过塌陷温度的温度下产生的不均匀的粉饼结构,肉眼可见。可能影响稳定性和/或复溶时间,但概率较低;
5.  马朗戈尼流引起的 “雾”状物:除非在封装区,否则没有负面影响;
6.  在封装区中的瓶塞与西林瓶之间的干燥产品:各种原因,影响严重,可能会破坏无菌性!

最终结论:除非外观变异影响关键质量属性(影响患者的产品性能)和/或影响市场地位,否则该产品是可以接受的!

IPEM冻干专题课上海、北京班的举办,促进了药业、学术界、监管和审评机构专家们对冻干工艺认知的提高,将对国内冻干新产品研发、改进产品稳定性及即将开展的注射剂质量疗效再评价工作起到积极地推动作用。

感谢上海东富龙和杭州澳亚生物技术有限公司长期支持IPEM教学及为本次冻干专题课提供学习、实践场地和技术支持。