凍干技術(shù)對生物制劑的活性有何影響

上海繼譜醫(yī)藥凍干機(jī)，解鎖生物制劑穩(wěn)定保存新方案

凍干技術(shù)（冷凍干燥技術(shù)）對生物制劑活性的影響主要體現(xiàn)在**比較大限度保留活性成分**和**減少外界因素破壞**兩方面，其**優(yōu)勢源于獨(dú)特的低溫、真空環(huán)境及脫水機(jī)制。以下是具體分析： ### 一、凍干技術(shù)保留生物制劑活性的原理 #### （1）**低溫環(huán)境抑制熱損傷** - **預(yù)凍階段**：制劑被迅速降溫至**-40℃至-80℃**（遠(yuǎn)低于多數(shù)生物分子的變性溫度），使活性成分（如蛋白質(zhì)、酶、病毒顆粒等）的分子運(yùn)動幾乎停滯，避免因高溫導(dǎo)致的**構(gòu)象變化**（如蛋白質(zhì)變性）或**化學(xué)鍵斷裂**（如多肽鏈水解）。 - **干燥階段**：整個過程溫度維持在**0℃以下**（一次干燥）和**20-40℃**（二次干燥），***低于傳統(tǒng)高溫干燥（如噴霧干燥需100℃以上），尤其適合**熱敏性生物制劑**（如疫苗、單抗）。 #### （2）**真空環(huán)境減少氧化與微生物污染** - **低氧環(huán)境**：真空度通常達(dá)**10-30Pa**，極大降低氧氣含量，抑制活性成分的**氧化降解**（如含巰基的酶易被氧化失活）。 - **微生物失活**：干燥后水分含量降至**1%-3%**（遠(yuǎn)低于微生物生長所需的比較低水分活度0.6），細(xì)菌、***等微生物因缺乏水分無法繁殖，避免**生物污染導(dǎo)致的活性破壞**。 #### （3）**脫水機(jī)制避免液態(tài)損傷** - **液態(tài)制劑的潛在風(fēng)險(xiǎn)**：液態(tài)環(huán)境中，活性成分可能與水分子、輔料（如緩沖鹽）發(fā)生**氫鍵作用或離子反應(yīng)**，導(dǎo)致聚集、沉淀或降解（如單克隆抗體的聚集現(xiàn)象）。 - **凍干的固態(tài)保護(hù)作用**：凍干過程中，水分子以冰晶形式直接升華，活性成分被**凍干保護(hù)劑**（如蔗糖、甘露醇）包裹形成**玻璃態(tài)基質(zhì)**，固定其天然構(gòu)象，防止分子間相互作用引發(fā)的失活。 ### 二、凍干技術(shù)對不同生物制劑活性的具體影響 #### （1）**蛋白質(zhì)與多肽類藥物** - **案例：胰島素凍干制劑** 液態(tài)胰島素在儲存中易因二硫鍵斷裂或聚集失效，凍干后在**25℃下保存2年**，活性保留率超**95%**（傳統(tǒng)冷藏液態(tài)制劑保質(zhì)期*1-2年，且需避免反復(fù)凍融）。 - **機(jī)制**：凍干保護(hù)劑（如甘油）通過**氫鍵替代水分子**，穩(wěn)定蛋白質(zhì)表面的水化層，防止凍干過程中蛋白質(zhì)分子間的直接相互作用（如疏水聚集）。 #### （2）**疫苗（病毒/細(xì)菌類）** - **案例：**mRNA疫苗凍干** 傳統(tǒng)mRNA疫苗需**-70℃**溫保存**，凍干后可在**2-8℃保存6個月**，甚至**室溫短期運(yùn)輸**，且復(fù)溶后mRNA完整性與轉(zhuǎn)染活性無***下降。 - **機(jī)制**：凍干過程中，病毒顆粒的**脂質(zhì)包膜結(jié)構(gòu)**被保護(hù)劑（如海藻糖）穩(wěn)定，避免低溫冷凍導(dǎo)致的膜破裂或抗原表位暴露。 #### （3）**酶制劑** - **案例：溶菌酶凍干制劑** 液態(tài)溶菌酶在室溫下活性半衰期***7天**，凍干后在**37℃下保存3個月**，活性保留率仍達(dá)**85%**以上（因凍干減少了酶與底物或雜質(zhì)的接觸機(jī)會）。 - **關(guān)鍵因素**：凍干工藝中的**冷卻速率**（快速凍結(jié)可形成細(xì)小冰晶，減少對酶結(jié)構(gòu)的機(jī)械損傷）和**二次干燥溫度**（避免酶在殘留水分中緩慢水解）。 #### （4）**細(xì)胞與基因***產(chǎn)品** - **案例：CAR-T細(xì)胞凍干** 傳統(tǒng)凍存需添加** DMSO等保護(hù)劑**，可能引發(fā)細(xì)胞毒性；凍干技術(shù)通過**無血清凍干配方**，使CAR-T細(xì)胞復(fù)蘇后**存活率超90%**，且抗原識別能力與擴(kuò)增能力保持穩(wěn)定。 - **創(chuàng)新點(diǎn)**：采用**玻璃化凍干技術(shù)**（超快速降溫避免冰晶形成），減少細(xì)胞內(nèi)水分結(jié)晶對細(xì)胞膜的損傷。 ### 三、影響凍干后活性的關(guān)鍵工藝參數(shù) 若凍干工藝不當(dāng)，仍可能導(dǎo)致部分活性損失，需重點(diǎn)控制以下參數(shù)： | **參數(shù)** | **對活性的影響** | **優(yōu)化目標(biāo)** | |------------------|-------------------------------------------------------------------------------|-------------------------------------| | **預(yù)凍速率** | 慢凍（如0.5℃/min）易形成大冰晶，刺破細(xì)胞或生物大分子結(jié)構(gòu)；快凍（如10℃/min）形成細(xì)小冰晶，減少損傷。 | 針對不同制劑優(yōu)化凍結(jié)速率（如病毒類需快凍）。 | | **真空度** | 真空度不足（如＞50Pa）會延長干燥時間，導(dǎo)致活性成分在高溫下暴露更久。 | 維持真空度≤30Pa，加速水分升華。 | | **干燥時間** | 二次干燥過度（如溫度過高、時間過長）可能導(dǎo)致保護(hù)劑結(jié)晶，破壞活性成分結(jié)構(gòu)。 | 通過**差示掃描量熱法（DSC）**確定比較好干燥終點(diǎn)。 | | **保護(hù)劑配方** | 保護(hù)劑種類（如單糖vs.多糖）和濃度不當(dāng)可能無法有效穩(wěn)定活性成分。 | 篩選與制劑適配的保護(hù)劑組合（如蛋白質(zhì)常用蔗糖+組氨酸）。 | ### 四、與其他保存技術(shù)的活性保留對比 | **保存技術(shù)** | **典型條件** | **活性保留率（1年）** | **適用場景** | **局限性** | |----------------|--------------------|-----------------------|------------------------------|------------------------------| | **凍干技術(shù)** | 室溫（25℃） | 90%-95% | 長期存儲、常溫運(yùn)輸 | 工藝復(fù)雜、成本較高 | | **傳統(tǒng)冷凍** | -20℃或-80℃ | 85%-90% | 實(shí)驗(yàn)室短期保存 | 依賴?yán)滏?、凍融可能損傷活性 | | **噴霧干燥** | 進(jìn)風(fēng)溫度150-200℃ | 60%-75% | 熱穩(wěn)定性較好的小分子藥物 | 高溫易導(dǎo)致生物大分子失活 | | **液態(tài)冷藏** | 2-8℃ | 80%-85% | 短期使用（如醫(yī)院藥房） | 需冷鏈、保質(zhì)期短 | ### 五、總結(jié) 凍干技術(shù)通過**低溫、真空、脫水**的三重保護(hù)機(jī)制，成為目前**保留生物制劑活性***的技術(shù)之一**，尤其適用于熱敏性、易降解的**生物藥（如疫苗、單抗、細(xì)胞***產(chǎn)品）。其**優(yōu)勢在于**模擬天然干燥環(huán)境**，避免傳統(tǒng)液態(tài)保存或高溫處理對活性成分的破壞，同時賦予制劑更長的保質(zhì)期和更靈活的儲運(yùn)條件。未來，隨著凍干工藝的智能化優(yōu)化（如AI預(yù)測比較好凍干曲線）和新型保護(hù)劑的開發(fā)，生物制劑的活性保留率有望進(jìn)一步提升至**98%以上**，推動精細(xì)醫(yī)療和全球公共衛(wèi)生領(lǐng)域的發(fā)展。