注射用生物制剂开发的关键考虑因素

生物制剂Formulation

蛋白类药物凭借其特异性高、见效快、疗效好、副作用少等优点，在疾病诊疗方面已被广泛应用。同时，又因此类药物分子量大、结构复杂和稳定性差等原因，致使在开发方面面临巨大的挑战。该篇文章将对生物药制剂开发中所遇到的问题进行了分析和总结。

生物制剂开发的常见考虑因素 

1、生物药类别

蛋白药物，具有复杂的三维结构，需要适当的折叠和构象稳定性才能有效地发挥治疗功能。蛋白质折叠态和伸展态之间的自由能差一般在5-20kcal/mol，相当于几个氢键或离子对的自由能。

核酸类药物，目前在生物药品中仅占1%，是快速增长的生物制剂种类之一。人们对核酸的兴趣源于其靶向结合基因序列、抑制疾病基因表达和转录的能力，这是传统蛋白质和多肽药物无法达到的，因此核酸类药物在疾病缓解和治疗方面具有明显的优势。核酸的一个显著弱点是极易受到核酸酶作用而在体内降解，通常需要对其骨架进行化学修饰来增加稳定性、延长半衰期，并提高转录和翻译效率。

细胞和基因治疗（如基因递送载体/病毒载体、细胞转染和干细胞），大约占生物药品的3-5%，细胞具有极其敏感的结构、多样化的形态和不同化学性质的表面抗原（如脂质、蛋白和糖链）。从生物学的角度来看，细胞和基因疗法在信息处理和靶向治疗上比小分子和大分子药物具有显著优势，甚至可以治疗一些疑难杂症，其应用范围从传统的组织修复再生和疫苗扩大到其他治疗领域，如传染病、自身免疫、癌症免疫治疗和代谢疾病等。

2、稳定性

生物药由于其高分子量、复杂结构、固有的弱稳定性等性质，容易发生各种不同的物理和化学降解，导致稳定性和活性的丧失。物理降解可以分为构象不稳定性（如去折叠）、胶体不稳定性（如聚集和微粒形成）、表面不稳定性（如在分子表面吸附和降解）或形态不稳定性（如抑制细胞表面的抗原呈递）四个方面，而化学降解涉及共价键的修饰，包括氧化、脱酰胺、异构化、二硫键变换，以及功能基团或连接子的剪切等。在药物发现阶段，通过基因工程技术，可以降低最常见的化学不稳定性。

表1. 最常见的大分子药物的处方开发风险^a

a低(绿色)、中(黄色)和高(红色)的风险分类是基于作者的经验和文献数据对处方开发挑战程度的定性解释。该生物药种类及其相应降解的列表代表了目前生物制药开发中最常见的类别的集合。

b*，脱硫作用；**，黏附作用。

不同的生物药种类具有不同途径的降解风险（表1），根据已知的降解途径，可以合理地选择和优化制剂处方，以保护生物制剂不受潜在的物理和化学降解的影响。

对核酸类药物而言，其分子量大、电荷负荷量高和对核酸酶的高敏感性导致药物稳定性差和生物利用度低，需要以药物递送为重点进行制剂开发以提高分子稳定性和生物利用度。抗体偶联药物(ADCs)通过连接物与单克隆抗体共价结合，集合了单克隆抗体优越的靶向特异性和小细胞毒性药物(有效载荷)的靶向杀伤能力。ADCs的制剂处方开发、整体构象、胶体稳定性和体内稳定性的研究均是ADCs开发难题。

细胞和基因的处方开发更具挑战，由于其存在各种复合因素，包括多个报告基因，多个复杂的抗原表位，膜流动性和通透性，载体异质性，所有这些都对细胞或病毒的稳定性及功能具有很大的影响。

3、剂型选择

生物药品的最佳剂型取决于多种因素，包括疗效、预期剂量、给药方案、大分子的稳定性、包材相容性、治疗靶点、给药途径、患者依从性、以及商品成本等。

一般情况下液体制剂是首选剂型，制剂开发过程简单，具有较高的依从性。此外，液体制剂可以使用预充注射器和自动注射笔进行自身给药或在家给药，为需要经常给药的慢性疾病(如糖尿病和关节炎)患者提供便捷。

药物开发过程中由于液体制剂受储存温度或运输等问题的影响，会考虑选择冻干制剂。冻干制剂是通过在干燥条件下降低分子运动和降低降解速率来提高药物稳定性。该剂型可接受较高温度的储存。但从商业角度来看，冻干过程会加大商品的成本，冻干制剂的开发仍面临一些挑战，比如某些辅料（如盐类）对冻干工艺的影响限制冻干制剂处方开发。

除了传统冻干技术外，在生物制剂的开发中也使用了其他干燥方法，例如利用喷雾冷冻干燥来产生特定大小和形态的颗粒，以便将气溶胶粉末递送至肺部深处(如吸入性胰岛素或干扰素)。在这种情况下，必须通过使用适当的辅料(如糖、表面活性剂，高分子聚合物)来优化制剂处方，以避免大分子变性和聚集问题。

对于在液体制剂和冻干制剂中很难保持稳定的细胞药物来说，冷冻制剂的应用非常广泛。与液体制剂相比，细胞冷冻制剂具有更好的长期稳定性，但冷冻制剂的开发也面临着独特的挑战，包括冻融过程中发生在冰-水界面的变性、潜在的缓冲液和赋形剂结晶以及冻结后出现沉淀，都将导致聚合物的形成和pH值的变化，从而影响产品的质量和疗效。从药品成本和依从性的角度来看，储存、运输和使用的高成本会使冷冻制剂应用变得较为复杂。

图1. 生物药物的处方开发中两个主要考虑因素

（a）给药途径; (b) 剂型

4、给药途径

由于酶降解、透过性差、药代动力学/药效学差异和生物利用度低等问题，生物药物通常使用注射给药途径，占所有生物药给药途径的~85% （图1）。在所有注射给药途径中，静脉注射和皮下注射占大多数，分别占~37%和~28%。在制剂开发中，应当严格遵从相关指导原则，需证明生物药以及预定给药途径和相关包材的相容性，以确保患者的用药安全和依从性。

给药途径的不同可能会导致包材相容性问题。例如，在静脉注射给药中，包材或输液相关组件材料(例如,聚氯乙烯或聚烯烃)以及稀释剂(例如,生理盐水或葡萄糖)会影响药物的稳定性和活性。常见的相容性问题通常包括活性成分被吸附到包材的表面，以及聚集物、不溶性微粒和可见异物的形成。前者通常可以通过改变表面活性剂和浓度进行改善，后者需要进行更多的处方和包材筛选。

与蛋白药物相比，核酸药物更依赖给药途径的选择。现阶段核酸药物主要是以静脉注射的方式进行给药，但由于核酸酶会诱导核酸药物的降解以及其高清除率的特点，核酸药物通常需要局部给药（例如在肿瘤内、眼内和阴道内给药）。与给药途径相关的处方开发需考虑以下几个因素：注射剂量、粘度、光敏性以及对释放出的金属离子和剪切力的敏感性等。在其他非肠外给药途径，如经皮、鼻、颊、直肠、阴道和口服，可能会出现组织渗透性差的情况，这主要是生物药的分子量大和电荷性质等因素造成。加入渗透促进剂或许是一种有效的处方优化方法，但其毒性作用也限制了这一给药途径的探索和开发。

参考文献：

Muralidhara, Bilikallahalli K., and Marcus Wong. "Critical considerations in the formulation development of parenteral biologic drugs." Drug Discovery Today 25.3 (2020): 574-581.