在一次性生產解決方案初次發布后不久，一次性技術 （SUT）就被行業接受。從市場的角度來看，單克隆抗體(mAb)代表了一個重要的產品類別，該等實體的生產平臺具有高度一致性的特點。因此，設備供應商最初專注于開發用于制造該產品組的設備和相關一次性組件。因此，設備供應商最初專注于用于生產該產品組的設備和相關一次性組的開發。
在過去十年中，抗體偶聯物藥物（ADC），在廣義上也稱為生物偶聯物，采用了一次性制造技術。這一趨勢是由產品安全考慮(避免交叉污染)和職業暴露限制(OEL)要求驅動的。盡管最初在臨床上遇到了挫折，但ADC代表了一個不斷增長的細分市場，有70多種產品處于臨床開發階段，并推出了4種產品，即Kadcyla™（羅氏基因泰克），Adcetris™（西雅圖遺傳學），Mylotarg™和Besponsa™（輝瑞）。
從作用方式的角度來看，ADC被認為是化療藥物，因為它們結合了小分子的細胞毒性或細胞抑制活性與mAb的選擇性。抗體單元特異性地識別腫瘤抗原，因此，有效載荷可以傳遞到所需的靶標。這些有效載荷的全身毒性太高，無法在沒有靶向功能的情況下使用。一個關鍵的生產步驟是在mAb和高效有效載荷（即活性藥物成分（HPAPI））之間形成共價化學鍵，也稱為“彈頭"或“毒素"。常見的有效載荷是美登素類化合物（DM1和DM4），奧利他汀（MMAE和MMAF）和吡咯苯二氮卓類（PBD）衍生物，后者顯示出最高的效力。有效載荷通過不同復雜性的連接子與mAb偶聯。在大多數情況下，這些連接子與mAb恒定結構域中的半胱氨酸或賴氨酸殘基結合。半胱氨酸基和賴氨酸基偶聯示意性地顯示在圖1中。有關ADC結構和功能方面的更多詳細信息，我們向感興趣的讀者推薦Hoffmann等人的評論論文。
除上述ADC外，術語生物偶聯物還包括其他化學修飾的蛋白質，這些蛋白質通常不被歸類為HPAPI，例如：
● 聚合物（例如聚乙二醇、淀粉和聚唾液酸）偶聯mAb，其中聚合物單元的功能是改變mAb的藥代動力學
● mAb與抗生素偶聯，可有效靶向治療細菌感染
● mAb與結合放射性核素的螯合劑偶聯，用于向靶向癌細胞遞送細胞毒性輻射（放射免疫療法）
● 弱抗原（例如細菌多糖）與蛋白質性質的強抗原的結合疫苗，可引發針對弱抗原的更強免疫應答
雖然選擇性通常通過使用完整的單抗來保證，但該功能可以由工程抗體(如片段抗原結合(Fab)、單鏈可變片段(scFv)、單域抗體(sdAb)或另一種抗體模擬支架(affbody、DARPin、anticalin、alphabody等)來替代。 生物偶聯物的結構復雜性，加上ADC的高效能，使得這些產品的生產成為一項具有挑戰性的任務。
2007 年，龍沙是投資專用生物偶聯設施的合同制造組織之一，當時的重點是 ADC。在調試后的 10 年中，該設施發布了來自 30 多種不同產品的 500 多個臨床和商業批次。玻璃和不銹鋼多用途設備用于初始生產，一次性技術的采用僅限于無菌過濾器、轉移管、取樣裝置和儲物袋。2014年，推出了一個一次性的生產平臺，該平臺包括 50-200L一次性混合袋技術和切向流過濾 （TFF） 撬塊，適用于高達3 m2 的膜面積。從那時起，大多數臨床項目都是在更大規模的端到端SUT生產設置中執行的。這一發展是由以下好處推動的：
● 降低操作人員接觸有毒化合物的風險
● 避免了每個HPAPI的生產都需要專用設備，這在項目周轉率高的情況下是一個重大缺陷
● 由于消除了交叉污染問題，縮短了生產中的實施時間;從清潔風險評估開始，擴展到執行試樣研究、開發特定產品的清潔程序和清潔驗證的清潔計劃已經過時
● 考慮到ADC的穩定增長正在挑戰現有分析方法的檢測和量化極限，減少清潔監測的分析工作
● 減少清潔過程中有毒廢物流的數量。
本章下一節將討論使用基于聚合物的生產設備的缺點，描述ADC制造中一次性解決方案的開發進展。
在ADC工藝中使用一次性產品挑戰
有機溶劑的使用
一個挑戰是產品接觸表面暴露于有機溶劑中，這可能會對物理穩定性產生負面影響，并可能導致可浸出物水平升高。美國食品和藥物管理局和歐洲藥品管理局的法規明確規定，包括一次性使用系統在內的加工設備不應對產品安全和質量造成任何危害。典型的親脂性負載通常溶解在有機溶劑中，極性非質子溶劑如二甲亞砜，二甲基甲酰胺，或二甲基乙酰胺是常用的。另外化學反應通常在含有10-25%有機溶劑的緩沖水溶液中進行，以便在偶聯步驟中保持小分子的溶解度。隨后的純化步驟應設計為清洗溶劑、可浸出物、偶聯試劑（即活化劑）、非偶聯有效載荷和淬滅劑。與工藝溶液接觸的一次性材料應仔細評估在所選溶劑濃度和工藝條件下的相容性。Weibing Ding[8]指出了在基于科學的風險評估中需要考慮的以下方面：（i）工藝流體和一次性系統之間的化學相容性，（ii）產品成分，（iii）材料接觸面積，（iv）接觸時間，（v）工藝溫度，（vi）預滅菌方法，以及（vii）與最終容器封閉系統的距離。
幸運的是，大多數生物工藝容器和一次性混合袋的產品接觸層由聚乙烯組成，聚乙烯與溶劑含量低于25%的水溶液相容。然而，一次性組件，如由聚砜、聚醚砜、聚碳酸酯或聚偏二氟乙烯制成的連接器可能對類似的水溶劑混合物的抵抗力較低，這可能導致化學品浸出增加，從而影響產品質量。此外，與25-100%的溶膠排放含量相關的問題也帶來了挑戰，這可以通過在一次性使用模式下使用玻璃瓶和不銹鋼連接器來解決。
總之，全面的可浸出物風險評估和仔細選擇一次性使用的設備組件相結合，可以將最終產品中的可浸出物濃度降低到可接受的水平。
HPAPI的安全性和處理
ADC生產需要處理具有細胞抑制或細胞毒性特征的高效成分。因此，需要特別注意職業安全和健康以及避免交叉污染。因此，保護雇員或合同工人不因接觸在制造過程中處理的化學品而對健康產生任何負面影響是至關重要的。化工行業已經為化合物（包括藥物中間體和藥物）制定了分類系統，該系統基于定義OELs，即工作區域空氣中定義的化學品的最大可接受濃度。隨著時間的推移，建議的分類系統已經演變成SafeBridge標準，該標準有四個類別。用于ADC生產的化學品的典型OELs范圍在100到1ng/m3之間。
在工人保護和職業健康方面的圣杯是“封閉式制造"，與固定不銹鋼管道互連的不銹鋼設備是封閉式生產的經典解決方案。然而，近年來，我們已經能夠證明，從職業安全和交叉污染控制的角度來看，商用一次性設備是一個不錯的選擇，并且可以得出結論，一次性工藝解決方案非常適合封閉、無菌的處理。所選溶液工作可靠，能夠承受偶聯過程所需的相當溫和的反應條件（溫度、壓力和溶劑濃度），因為更具腐蝕性的工藝條件也對mAb有害。
許多公司細分為六個產品類別（安全橋1和2為三個類別，安全橋3和4為3類）。這允許工作標準定義具有更高的粒度。下表總結了中概述的信息。
用萘普生模擬典型接合過程的替代研究經常進行，以驗證遏制。生產區域的表面拭子和空氣中顆粒的監測為生產設備和設施的適用性提供了證據。
關鍵單元操作
1 攪拌罐中的反應
除了轉移，在生產生物偶聯物時需要考慮的關鍵單元操作是攪拌槽、TFF、柱層析、在線過濾和凍融循環中的反應。
傳統的生物制藥生產主要使用一次性的攪拌槽來保持中間產品溶液的均勻性，而生物偶聯物的生產涉及在一次性攪拌槽中進行化學反應。這些例子包括（i）mAb的還原（半胱氨酸偶聯），（ii）選擇性再氧化，以及（iii）連接子有效載荷與mAb的偶聯。對于某些試劑添加步驟，所得反應溶液的快速均質化對于獲得所需的產品關鍵質量屬性以及獲得多個批次的可重現產品曲線至關重要。由于試劑可充注于有機溶劑中，因此一次性設備應保證在適當短的時間范圍內將水相和有機相混合到均勻的溶液中。
2 切向流過濾
在ADC生產中，TFF用于（i）清除溶劑，（ii）去除小分子反應物，如氧化劑和還原劑或過量的連接子有效載荷，（iii）緩沖液的交換，（iv）（中間）產物的濃度。根據藥物特性和目標藥物濃度，產品溶液可能變得非常粘稠。在我們的設施中引入端到端一次性生產ADC時，市售TFF設備和相關流量組的設計只能承受2.5 bar（g）的壓力。因此，龍沙團隊不得不重新設計和調整流量組，以抵抗更高的壓力。重新設計的一次性 TFF 歧管可在高達 4 bar（g） 的進料壓力下運行。最初可用的 1/2“ TFF 撬塊僅限于 3 m2 膜面積，這將批量大小限制為 100-200 g 蛋白質。最近推出的 1“ 一次性 TFF 撬塊可容納高達 10 m2 的膜面積，典型批量大小可達 1 kg，從而擴大了 SUT 在 ADC 制造中的應用范圍。使用后處理與產品接觸的材料（包括膜和歧管）大大減少了處理受污染設備所需的時間，并將清潔過程中產生的有毒廢物和需要特定處理的廢物的數量降低。
3 色譜法
雖然早期的ADC產品避免了色譜步驟，但臨床開發中許多產品的過程包括精純步驟，通常用于去除大分子產品相關雜質。從操作的角度來看，最好使用預填充柱，因為這些可以在不打開的情況下處理，從而避免操作員接觸高效化合物，這種風險在多用途色譜柱的拆包過程中特別高。
4 過濾和轉移
在生物制藥生產的情況下，0.2毫米過濾操作基本上服務于生物負荷控制的目的。深度過濾偶爾用于去除加工過程中形成的骨料。蠕動泵與生物丁橡膠管相結合，適用于標準輸送和過濾步驟。由于其接觸面積大，工藝過濾器在可提取物和可浸出物風險評估中需要高度關注。
5 原液凍融
根據藥品生產場所的工藝量和能力，生物偶聯原料藥(BDS)在-20℃或-65℃以下冷凍和儲存之前被釋放到冷凍容器、二維 (2D) 袋、大瓶或瓶子中。從操作角度來看，冷凍容器和袋子比瓶裝解決方案更受青睞，因為它們可以進行密閉分裝，而無需“A 級"潔凈室環境。
使用2D袋作為5-20升體積的冷凍容器已經變得非常流行。其原因是（i）溶液的一次性使用性質，（ii）使用配備無菌連接器和斷開器的歧管的封閉分裝能力，（iii）提高可擴展性，（iv）開發用于安全運輸的保護殼，（v）對低溫濃縮效應和袋子儲存的良好控制，以及（vi）更高的冷藏室儲存密度。上述保護殼的開發有助于克服諸如在低于-65°C的溫度下袋脆性增加等弱點。需要考慮聚合物的玻璃化轉變溫度以及端口和管道在運輸過程中承受機械應力的情況。另一個可取的特點是與凍融設備解決方案的連接性和靈活性，例如板式凍融裝置和靜態或具有主動空氣再循環的鼓風冷凍機，以避免投資購買額外的設備。由于凍融速度會影響產品質量，因此控制凍融的趨勢也很明顯。
半胱氨酸偶聯過程–ADC生產工藝案例研究
半胱氨酸偶聯過程在龍沙ADC設施中的一次性設備中端到端運行，每批提供數百克ADC。這種一次性的生產設置使內毒素控制到某些治療適應癥所需的非常低的濃度。偶聯和滲濾步驟在一次性混合袋中進行，混合袋的處理體積在 10 至 200 L之間，含有 200g API。
該過程從使用還原劑解凍和還原mAb開始；常用的還原劑是三（2-羧乙基）膦（TCEP）的水溶液，可將mAb的分子間二硫鍵還原為兩個硫醇基團。標準的一次性混合袋非常適合此操作。第一代半胱氨酸偶聯過程直接進入偶聯步驟，這通常導致統計學分布的藥物抗體比（DAR）為0-8。ADC藥物具有特定的平均DAR，通常在2-4范圍內.如表4.所示，第二代半胱氨酸與工程抗體的偶聯過程引入了選擇性再氧化步驟（通常使用脫羥基抗壞血酸），該步驟只保留選定的硫醇功能，并恢復mAb中確定位置的二硫鍵。這種還原后選擇性再氧化的過程是位點選擇性結合的先決條件。在偶聯步驟之后，這導致具有相同兩個硫醇偶聯且DAR為2的單產物物種。 在選擇性再氧化之前，過量的還原劑通過在單次使用的TFF設備中進行透析過濾來去除。然后對還原的mAb進行選擇性再氧化。
在下一步中，mAb中剩余的硫醇功能與一定量的連接子有效載荷分子偶聯，并在反應完成后淬滅過量的藥物連接子（N-乙酰半胱氨酸已被確定為合適的淬滅試劑）。然后在TFF操作或隨后的精純色譜步驟中清除工藝雜質。后者使用預填充柱在一次性色譜撬塊上運行，以提供數百升規模的高純度產品。在ADC生產中使用預填充柱與一次性設備結合使用被證明特別有益，因為：
● 對色譜柱填料和拆包設備沒有要求
● 節省了包裝和拆包色譜柱的時間;色譜柱還可以在一次性模式下靈活使用，也可以清潔和儲存以進行多次使用和
● 職業暴露風險降低；HAPI污染樹脂的開放式處理需要采取重大的密閉措施，以確保操作人員的安全并控制交叉污染風險。
然后，精純步驟的產品池通常以10-20倍的倍數濃縮至通常超過10克/升的目標濃度。考慮到高濃度因素，還應將設備滯留因素考慮在內。此外，小分子偶聯伴侶的高濃度和特性會影響粘度。
濃縮產品最終配制成BDS，過濾并填充到PETG瓶或2-D袋中，冷凍至-20°C以下或-65°C以下。 必須注意避免低溫濃縮效應，這可能會對產品質量產生負面影響。
總結和結論
ADC和其他生物偶聯物的生產要求嚴格，以確保產品質量和安全的工作條件。此外，有機合成與生物加工中更常用的技術相結合是相當不尋常的。然而，正是與生物工藝的接近鼓勵了利用SUT制造ADC。許多優點包括改善職業暴露風險狀況，降低投資成本，特別是臨床生產方面，顯著降低交叉污染問題，以及大大減少清潔過程中的有毒廢物流。與不銹鋼設備生產相比，使用聚合物基接觸材料的一個缺點是可浸出物風險增加。然而，正如許多活動所證明的那樣，這種風險可以通過可浸出物風險評估和細致地選擇一次性生產解決方案來管理。根據我們的經驗，SUT在ADC生產中的利用率在安全性、設備功能和總體項目成本方面是相當或更優。 如本文所示，如今可以使用一次性設備成功生產ADC。現有的規模限制將逐步克服，結合一次性設備方面的進展，將確認SUT進一步應用的趨勢。此外，目前用于ADC生產的技術解決方案可能為在化學制造的其他領域實施一次性設備鋪平道路。
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