重组蛋白疫苗原液中试车间工艺布局设计及案例分析.pdf
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1、张生琰,等重组蛋白疫苗原液中试车间工艺布局设计及案例分析张生琰,孟祥男(绿叶生命科学集团广州派诺生物技术有限公司,广州 510005)摘要:针对重组蛋白疫苗原液生产工艺特性,结合GMP和国家相关法规要求,为满足原液中试车间多产品共线、多品种生产的特殊性,对重组蛋白疫苗原液的生产工艺流程、车间工艺布局进行设计分析。结合实际案例,从平面布局、人流设计、物流设计、污物流设计、空调分区几个方面来阐述重组蛋白疫苗原液中试车间的工艺布局设计思路。满足中试车间对不同产品、不同工艺流程的需求,同时符合各专业设计规范,综合各方面的要求才能得到最适宜的设计方案。关键词:重组蛋白疫苗;原液;中试车间;工艺布局设计中
2、图分类号:TQ 460.6+2文献标志码:A文章编号:2095-817X(2023)04-0040-005重组蛋白疫苗是一类应用基因重组技术将目标病原微生物的保护性抗原重组到细菌、酵母菌、昆虫细胞、植物细胞、哺乳动物细胞等不同的异源表达系统中,随后这些表达系统经培养、增殖后,纯化制备蛋白抗原可作为疫苗的活性成分 1。该类疫苗不包含完整病原体,通常需添加佐剂来提高疫苗接种后的免疫反应 2。相比于传统的灭活疫苗和减毒活疫苗,重组蛋白疫苗具有稳定性和安全性好、成本较低、易于规模化生产等优势,被广泛应用于乙型病毒性肝炎、人乳头状瘤病毒感染、百日咳、白喉、破伤风(简称百白破)等多种传染病的预防 3。截止
3、 2021 年底,重组蛋白疫苗在全球范围内有74 个上市销售或处于注册状态,适应症包括乙型病毒感染、百白破、流感嗜血杆菌感染、流感病毒感染、脑膜炎奈瑟球菌感染、脊髓灰质炎病毒感染等,其中中国原研疫苗有 21 个,占比最高 4。当前新型冠状病毒大流行中,重组蛋白疫苗也发挥了重要的作用,在多种技术路线中重组蛋白疫苗项目的数量最多 5。因此,重组蛋白疫苗是现阶段和未来疫苗开发的主要方向之一,会有越来越多的重组蛋白疫苗进入产业化。本文针对重组蛋白疫苗的生产工艺特点,结合 GMP 和国家相关设计要求,对重组 收稿日期:2023-01-06作者简介:张生琰(1988),男,助理研究员,主要从事人用疫苗的研
4、制与开发。蛋白疫苗原液生产工艺流程和中试生产车间的布局进行阐述,并提供原液中试车间设计案例分析。1 原液中试车间的特征分析1.1 特殊性中试是产品从研发进入到商业化生产的重要环节。科研成果经中试后的产业化成功率能达到 80%,而未经中试的产业化成功率仅为 30%左右 6。生物制品在实验室研发成功后进入临床实验阶段,临床实验申报样品、I 期和 II 期临床样品均需在中试车间生产,因此中试车间的设计需要符合 cGMP 和相关法规的要求 7。中试车间生产规模较小,尚未达到商业化生产规模,通常是对研发工艺 50 100 倍的放大生产 8。另外相比于商业化生产车间,中试车间具有产品不确定性和多产品共线等
5、特点,需要支持产品工艺放大,这都增加了中试车间的设计难度。1.2 工艺流程及特点重组蛋白疫苗原液中试生产有以下特点:(1)生产规模小:重组蛋白疫苗剂量小,通常为 20 50 ug/剂,因此生产规模相对单抗等治疗性蛋白较小。目前,重组蛋白疫苗原液中试规模的发酵罐/生物反应器规模通常在 50 200 L;(2)生产周期长:从细胞复苏、扩增培养到发酵罐/生物反应器培养需要 10 14 d,发酵罐/生物40化 工 与 医 药 工 程第44卷第4期2023年8月出版Chemical and Pharmaceutical Engineering 2023,44(4)医药工艺与工程反应器中培养需要 10 1
6、6 d,整个细胞培养过程历时20 30 d;(3)多产品共线:目前大多数公司的重组蛋白疫苗都在其平台上工艺研发,会有同类型的多种疫苗陆续通过中试放大进入商业化生产,因此多产品共线是中试车间必然的选择。同平台的不同产品在工艺上也会有一定的差异,为防止换品种时的交叉污染,中试车间需要有良好的设计;(4)完善的病毒控制:重组蛋白疫苗若采用哺乳动物细胞作为表达载体,需要考虑细胞或原材料中潜在引入病毒对产品质量造成的影响,因此需要严格控制病毒引入的风险,还应当有病毒清除灭活的工艺设 置。重组蛋白疫苗原液的生产工艺流程大致分为两个阶段:(1)上游,从种子复苏到澄清收获。种子复苏后扩增培养,然后发酵罐/生物
7、反应器进行培养,培养结束后真核体系澄清过滤收获上清液,原核体系经细胞破碎后澄清收获;(2)下游,从层析到原液。上游收获液经多步层析、超滤后得到原液。哺乳动物细胞表达系统还需考虑病毒灭活和病毒清除步骤。1.3 生物安全要求若 CHO 细胞为原材料,需要考虑 CHO 细胞潜在的病毒污染。CHO 细胞本身无生物学危害,属于生物安全等级一级(ISPE),但需要防止其潜在的污染病毒的风险。病毒污染可能来源于细胞系本身,也有可能是从生产过程中引入的外源病毒 9。应采取合理的病毒灭活/去除工艺来预防潜在病毒污染。2 工艺布局设计2.1 布局设计遵循的标准规范药品生产质量管理规范;GB 504572019 医
8、药工业洁净厂房设计标准;GB 500732013洁净厂房设计规范;GB 500162014建筑设计防火规范。2.2 设计原则(1)满 足 GMP 基 本 要 求:GMP(2010 修 订版)的“厂房与设施”一章中第一节第一条(原文第三十八条)规定:“厂房的选址、设计、布局、建造、改造和维护必须符合药品生产要求,应当能够最大限度地避免污染、交叉污染、混淆和差错,便于清洁、操作和维护”。按照工艺流程布局,平面布局合理,严格划分区域,防止混淆、防止交叉污染,方便生产操作。(2)满足操作需求:溶液配制区、准备清洗区与各功能区需布置合理,满足准备的器具、配制的缓冲液或培养基方便进入各自功能区。GMP(2
9、010修订版)的“设备”一章中第三节第一条(原文第七十九条)规定:“设备的维护和维修不得影响产品质量”。车间设备摆放设置合理,有合理的间距便于操作和检修。(3)满足生物安全要求:重组蛋白疫苗生产中有工程菌或潜在的宿主病毒,因此在车间设计中要考虑严格分开有生物活性区和无生物活性区。GMP(2010 修订版)生物制品(附录 3)的“生产管理”一章中第五十二条规定:使用二类以上病原体进行生产时,对产生的污物和可疑污染物品应当在原位消毒,完全灭活后方可移出工作区。有活性区的生产中产生的固体废物和废水需要灭活处理,废气需要过滤后排出。(4)满足洁净分区要求:种子复苏扩增是敞口无菌操作,需在 C 级背景下
10、完成;发酵/细胞培养、纯化在 D 级或 C 级环境下完成;溶液配制、准备清洗在 D 级环境下完成;除菌过滤在 A 级单向流保护下完成。(5)满足安全消防要求:需要满足安全疏散、防火分区的相关规定。2.3 生产区域划分根据工艺流程,重组蛋白疫苗原液车间分为种子复苏扩增、发酵/培养、纯化、溶液配制、准备清洗等功能区域。各功能区域布置需按照工艺流程展开,洁净区相对集中,工艺路线顺畅、人流物流分开、物流路线短、不迂回、不折返。2.4 人、物流的设计GMP(2010 修订版)的“厂房与设施”一章中第一节第三条(原文第四十条)规定:“厂区和厂房内的人、物流走向应当合理”。人流和物流严格分开,若空间允许,人
11、、物流宜采用单向流设计。(1)有生物活性的区域:人流和物流的进出宜独立;人员经缓冲间、更衣间、气锁间进入各功能区,操作结束后经退更间、气锁间、缓冲间退回 CNC 区,各出入口设置门禁;物料经物净间、物流气锁间进入各功能区,操作结束后固体废物经各区域的灭活设备41张生琰,等.重组蛋白疫苗原液中试车间工艺布局设计及案例分析灭活后传出洁净区。(2)无生物活性的区域:人流和物流相互独立;人员经缓冲间、更衣间进入各功能区,操作结束后沿原路经更衣间、缓冲间退出洁净区;物料经物净间、物流气锁间进入各功能区,操作结束后固体废物沿原路经物流气锁间、物净间传出洁净区。2.5 生物安全控制(1)有活性区和无活性区分
12、开,有毒区和无毒区分开,工艺操作区和溶液配制区、准备清洗区等生产辅助区分开。(2)采用一次性培养袋、一次性储液袋、无菌连接器等一次性设备最大限度降低污染和交叉污染。(3)有活性区的固体废物灭活后退出集中处理,废水收集后灭活再排放。(4)根据工艺各阶段不同污染水平,划分不同的功能区域,设置独立的空间和空调系统。有生物活性区和无生物活性区、有毒区和无毒区采用物理隔离的措施,不同洁净级别间维持法规要求的压差梯度。有生物活性的区域,排风需经过滤处理后排放。3 案例分析图 1 为依据以上设计理念设计的重组蛋白疫苗原液中试车间工艺布局图。本项目采用哺乳动物细胞系为原材料,经种子复苏扩增、反应器培养、澄清过
13、滤、层析、病毒灭活、超滤、除病毒过滤等步骤制得原液,该工艺流程具有代表性。为满足中试车间多产品共线、多品种生产、产品不确定的需求,最大限度提高中试车间的利用率,本车间采用镜像设计的思路,平行设计两条相互独立的原液中试规模生产线,配液区、清洗准备区等生产辅助区为两条生产线共用区域,这样可以节省车间面积,降低建设成本,但不影响生产。3.1 平面布局设计时应用了国际上通用的模块化设计思路,按照工艺流程将生产区域划分开,依次布置种子复苏扩增区、细胞培养区、除病毒过滤前纯化区、除病毒过滤后纯化区、生产辅助区。(1)种子复苏扩增区为有生物活性区。细胞种子从液氮罐取出后传递至复苏扩增间,然后完成细胞的复苏和
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