寡核苷酸GMP产线的工程技术挑战及全工艺解决方案

来源：Cytiva（思拓凡）      分类：维修保养 2024-05-31 10:45:07 29阅读次数

2016年，Eteplirsen和Nusinersen相继被FDA批准，这两款药物的新上市挑动了整个寡核苷酸（Oligonucleotide，又称“小核酸”，下文以“Oligo”简称）药物市场的神经。后来在新冠疫情的推波助澜下，Oligo药物行业迎来了大爆发，受到了中外资本的大力追捧。

由此，Oligo药物被广泛认为是继小分子药物、抗体药物之后的第三代创新药物类型，正在逐渐颠覆现有的医药市场格局。尽管疫情结束后，Oligo药物市场有所下滑，但随着Oligo药物适应症范围的不断扩大和药物递送等技术领域的持续创新，放眼未来5年依然是保持增长的趋势。有分析预测，到2030年全球Oligo药物的市场规模预计将达到250亿美元。

众所周知，目前Oligo的常规商业化化学合成方法主要是基于亚磷酰胺三酯固相合成技术，即将核苷酸单体与添加在固体载体上的单体之间的偶联反应，每一个合成周期在经历脱保护 (Detritylation) 、偶联 (coupling) 、氧化 (oxidation) 和盖帽 (capping) 这四个主要步骤后会将一个特定核苷酸残基添加到在固相载体上不断延长的寡核苷酸链上。在合成后，需要对中间产品使用氨水进行氨解反应，将寡核苷酸从固相载体上切割下来并进行基团的脱保护处理。接着是对中间产品进行纯化，一般可选择离子层析或疏水/反相层析，最后对产品进行超滤浓缩和换液、脱盐处理。此外，RNA的生产还可能涉及脱甲硅基处理，双链Oligo则需要退火步骤来完成，当为粉末产品时可能需要使用冻干工艺。图1为Oligo商业化生产的主流工艺路线。

图1：Oligo商业化生产的主流工艺路线

Oligo药物作为生物制药的一个分支，在工艺开发、工艺放大、合成配套设备、生产环境等方面均有严格的要求。但由于方兴未艾，市面上有相关产线建设经验的生产企业和储备人才并不多，故对于Oligo药物制备尤其是GMP生产线中存在的技术难点和痛点知之甚少。思拓凡（下文以“”简称）在过去近40年来一直是Oligo生产领域的先行者，不断致力于Oligo生产的工艺开发和基于固相合成技术的生产设备研发、推广。因此，我们很高兴能有这个机会给大家来介绍一下Oligo原液GMP生产线中存在的技术挑战。

首先，高质量的Oligo合成，是作为药物开发的关键步骤，亦是药物商业化进程的关键因素。因此，在整个Oligo生产的工艺过程中，合成步骤无疑是最关键的环节。合成粗产品的质量直接决定了下游纯化工艺尤其是层析的选择。比如，一个20 mer的DNA合成粗产品可以达到80~90%的纯度，则下游选用一步离子交换层析即可；但如果合成质量不好，就需要考虑多步疏水或者反相层析，这时会涉及到中高压层析及设备/车间的防爆需求。此外，生产时也会存在多亚批混合的情况，合成的质量控制是关键，对生产企业来说要求比较高。

其次，工艺优化尤其是下游工艺的路线选择也是一个技术难点。下游层析工艺是复杂多样的，从填料角度可涉及离子交换、反相和疏水，从操作压力角度可涉及中低压和中高压，从设备材质角度又可涉及不锈钢系统和一次性系统。反相层析过程会使用大量有机溶剂，还有设备/车间的防爆需求。因此，选择一个合适特定Oligo产品的下游层析工艺，既能保证优异的产品质量，又能提高生产过程的经济性。

再者是工艺设备的匹配度和系统设计。无论是从设备投资还是产能需求的角度出发，如果工艺设备选型的匹配度不够好，使得某一个或者几个工艺操作步骤成为瓶颈，都会大大降低产线的经济性。对于CDMO而言，还可能存在多产品的快速切换需求，需要从设备共用的问题上解决好。此外，从工艺的角度来看，会有放大和寻找最佳工艺路线的需求；从厂房设计的角度来看，会有防爆分区、功能划分、设备布置、物料输送、GMP合规性和公用工程的需求；从设备系统的角度来看，会有防爆、密闭性、物料输送、化学兼容性和卫生设计的需求。

最后，就是数字化应用。对于制药企业，最为关注的往往是在生产过程中，药品制造企业往往要关注工艺设备能否实现自动化运行，以减少人为的操作误差、降低工作强度。同时，生产过程中的产生的数据也需要被实施监控和记录，形成批次记录。此外，这些被记录的批次数据，一方面可以被用来数据分析和质量控制管理，以减少批间差；另一方面，还可以被用作审计追踪。

针对上述的技术挑战，推出了Oligo原液GMP生产线的全工艺解决方案。所谓“全工艺”，是指为Oligo药企客户提供从项目工艺设计开始（工艺先行）到产线交付使用的全工艺和全过程的商业合作模式，目的是解决客户的多种难题，同时省去客户寻找多个供应商合作的麻烦。我们的服务包括了端到端的Oligo全流程工艺设计包、工艺设备、数字自动化方案、项目管理、安装、调试、验证、培训及维护保养支持等环节，让客户可以享受到无缝的服务体验，还能增加服务的附加值和客户满意度。

Oligo GMP生产线全工艺解决方案

下面，我们将从工艺设计、工艺设备和数字自动化方案这三个方面来详细介绍Oligo原液GMP生产线的“全工艺”解决方案。

01

Oligo全流程的工艺设计包

目前，广义的Oligo有很多不同的类型，包括反义寡核苷酸 (ASO) 、小干扰RNA (siRNA) 、微小RNA (miRNA) 、小激活RNA (saRNA) 、信使RNA (mRNA) 、引导RNA (Guide RNA) 和核酸适配体 (Aptamer) 等。基于不同Oligo及其化学修饰物的物理化学特性和不同客户的工艺开发结果，生产工艺是复杂多变的。不同的核心工艺路线，对设备（包括类型、规格、数量）、生产耗材（包括试剂原料、溶媒、缓冲液和/或一次性耗材等）、公用工程（包括Black utility和Clean utility）有不同的需求，这就需要通过对Oligo全流程工艺的理解，提供工艺、设备、公用工程以及车间布局设计的设计咨询服务，同时结合工艺设备的操作参数范围，摸清生产线的能力边界。

图2：提供的Oligo全流程的工艺设计包

02

工艺设备方案

首先，可提供从样品工艺开发到大规模生产的不同生产规模的主要工艺设备及耗材，也即合成系统、层析系统和超滤系统设备及其搭载的固相合成载体、层析填料和超滤膜被誉为Oligo药物生产领域的行业标杆。这些不同生产规模和不同操作步骤的设备都使用UNICORN控制软件，用同样的系统和检测器及PAT（过程分析技术）技术控制合成和纯化，工艺放大时直接把相应工艺参数放大、转移即可，放大成功率较高，工艺放大的周期也更短。

然而，仅有这些主要核心设备是不能将Oligo生产的全流程给串联起来的，中间涉及了很多承上启下的中间处理工艺，诸如氨解和脱保护、脱甲硅基等等。很多刚入手做Oligo的用户对这些操作单元的工艺设备了解有限，不能提出明晰的采购需求和设计要求。由此，特别推出了针对性的功能单元模块的不锈钢管罐系统。

03

数字自动化方案

提供的Oligo生产的全流程工艺设备可以选择单机自动化和中央自动化两个方案的，以满足不同客户的多元化需求。图3展示了单机自动化和中央自动化的不同系统架构。

单机自动化，是指使用单个PLC/HMI控制一台工艺设备。此时，本工艺步骤无法与其上、下游工艺步骤互通，需要人工衔接生产过程。设备运行过程中产生的数据也都是在本地进行存储和管理的。

中央自动化，是指单个HMI/操作站能控制或访问多台工艺设备。通过中央控制系统，各个工艺步骤之间的设备就可以在一个配方程序中被原生控制（如基于DCS架构）或者数据交互/远程监控（SCADA系统）。

图3：单机自动化和中央自动化的系统架构示意图

小 结

随着技术的发展，越来越多的公司开始投入到Oligo药物的研发、生产中，致力于为行业提供更为完备和高效的Oligo原液GMP生产线的“全工艺”解决方案，以满足客户的不同需求，助力Oligo市场的发展。

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