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看渗透压如何在质量控制中四两拨千斤
进行符合预定质量规格的质量控制(QC)在生物制药和生物技术部门起着重要作用，有利于实现连续、可重复地生产高质量的产品。而将渗透压测试融入到生物制药的不同工艺步骤中，可以更便捷地识别出工艺中可能发生偏离的地方。Advanced Instruments针对生物制药应用而研发的冰点降低的OsmoTECH系列渗透压仪能够快速、高效、可靠的进行渗透压检测。
OsmoTECH系列渗透压仪
关于渗透压检测的法规描述
法规对生物制药行业而言非常的重要，但是部分领域的监管空间不够明确，渗透压就是其中之一。FDA的指导文件要求将渗透压检测作为建立生物等效性所必需的理化测试，但在大多数情况下，渗透压的范围没有明确规定。
ICH 6A指出“当产品在标签中标明张力时，应对其渗透压进行适当控制。在开发和验证过程中生成的数据可能足以证明本程序作为过程中控制、跳过批次测试或直接计算此属性的性能。” 在ICH 6B中，该测试在一般测试部分被提到，被作为对药品功能评估的质量属性。这些对渗透压测试的引用证明了FDA将渗透压测试视为关键测试，但是渗透压测试的应用和规范由每个组织内的科学团队和监管团队来解释。
除这些监管准则外，世界卫生组织(WHO)还出版了世界各地药典，使制药业对具有重大公共卫生重要性的药物的试验规范和测试方法保持一致。在不同的药典中，如美国药典（USP）和欧洲药典（EP），渗透压被指定为多种产品所必须的测试。如果一个实验室正致力于完全符合药典规定，那么他们必须遵循文件中建立的测试方法的规定，例如USP中的第785章，EP中的第2.2.35章。
培养基QC
细胞培养基是影响上游细胞培养的关键因素之一，如果培养基或补料没有经过质量确认，将可能对细胞产生致命的影响。培养基质控的渗透压测试是最成熟的应用之一，大量的QC实验室已经将渗透压测试作为他们的“需要”测试之一。特别是在细胞治疗中，细胞是最终产品，渗透压测试是进行细胞健康状态评估和生长状态优化的主要工具。
细胞培养基成分复杂，每一种成分都有可能改变渗透压范围。Advanced Instruments进行了DMEM、Hams-F12等培养基的测试，以确认哪些型号的渗透压仪能够满足培养基质控检测的要求。图1-4显示，OsmoTECH 系列渗透压仪能够成功测定不同FBS（胎牛血清）含量的DMEM高糖培养基的渗透压，同时证明了该系列渗透压仪在培养基质控检测中的可靠性。
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图1-4，安达望OsmoTECH 系列微量渗透压仪OsmoTECH HT, OsmoTECH XT, OsmoTECH和 OsmoTECH PRO测试不同FBS含量的高葡萄糖DMEM培养基。
缓冲液QC
下游纯化是生物药生产的另一个关键步骤。而缓冲液是保证下游纯化工艺成功的主要因素之一，Kevin Lin讨论了他的团队如何使用渗透压指标作为超滤/透析过程中缓冲液交换完成的终点的确认，以及如何利用渗透压指标帮助优化/减少工艺中缓冲液的交换体积。
下游纯化中的常见工艺参数pH和电导率等，由于灵敏度问题，无法提供充分全面的溶液状态信息，而渗透压能够识别溶液浓度的微小变化。例如在检测常用的缓冲成分醋酸和柠檬酸时（见图5），与pH和电导率相比，渗透压与浓度更具有正相关性，因此渗透压可以为缓冲液质量控制提供更多的信息。而且渗透压适合所有的水溶液，不依赖于溶液成分的电离情况。
虽然这些参数不一定被作为质量控制参数，但科学家能够通过这些在线（in-line）或旁线（at-line）传感器发现潜在的问题，有助于节省工艺中的时间和成本。
图5， 图片来自于Wright的文章： “Osmolality as a concentration measurement method for key buffers in bioprocessing”。为渗透压和浓度之间的线性关系提供了证据。
终产品放行QC
FDA阐述了药物终产品的放行规范，渗透压是肠外药物放行的指标之一。FDA对渗透压检测范围没有明确规定，这意味着实验室必须制定并遵守自己的规范，从而最大限度地减少不合格注射剂可能引起的潜在副作用。例如对于注射类药物而言，通常的指导原则是渗透压需要低于1000mOsm/kg H2O，对于皮下注射和静脉注射的溶液允许一定程度的偏离。当注射药物进入肌肉时，应尽可能接近患者血浆的渗透压——大约300mOsm/kg H2O。如果注射液不等渗就有可能出现刺痛或灼烧反应，可能导致患者在继续使用该产品时依从性下降。
表1，注射剂的推荐渗透压范围，截取自Wang等人的“高渗注射剂的耐受性”。
食品和饮料
虽然本文主要集中在生物制药部门如何利用渗透压作为质量控制参数，但是在许多其他领域，渗透压也被用作质量控制指标。在食品和饮料部门，同样需要进行质量控制，以确保产品符合规格，以供人类消费。饮料生产中通常将渗透压作为必要的质量控制参数。由于某些能量饮料中含有电解质，在投放市场前，要求检查配方的浓度，如果电解质浓度过高，就可能对消费者的健康产生相应的风险。
另一个例子是在婴儿配方奶粉的生产中， 由于奶粉主要消费对象是婴儿，因此满足质量要求至关重要，以避免任何可能发生的副作用，如对胃粘膜的副作用等。渗透压检测是一种快速、高效、可靠的测试，可以让公司在低成本投入下深入了解他们的产品。Choi等人发表文章称：“这种方法（渗透压检测）也可以用于质量控制，以发现受到不当混合技术影响的样品”。
稳定性测试
在药物开发中，质量控制和稳定性测试是齐头并进的。渗透压不仅能作为QC工具，也可作为药物稳定性指标。在FDA网站上列出的NDA申请中，渗透压被要求作为稳定性监测指标。例如一种眼科产品指出，“pH和渗透压属性是稳定性的重要监测指标，因为2.5mL填充产品在通过半渗透容器渗透时，由于水分的流失，在稳定性方面显示出显著的重量损失”。
在表2中可以看到将渗透压作为稳定性指标的另一个例子，摘自一个共同制剂的抗体（co-formulated antibodies）在特定储存条件下长时间保存的研究。
表2， 摘自Sharma等人的文章，4周内的各种属性测试，包括渗透压测试。
客户应用案例
一个专门从事生物工艺开发、药物生产和监管支持的全球生物制药CDMO公司，正将渗透压测试广泛用于不同应用中。比如快速有效的QC检查，确认感兴趣的溶液是否已充分混合，溶质是否完全溶解等。
渗透压测试也被用作客户注射剂的稳定性指标。在制剂/灌装阶段，对缓冲配方的渗透压进行测试能够识别任何微生物的生长等污染迹象。渗透压的变化还可以表明沉淀物的存在，显示预期配方规格指标的变化。当最终的药物和配方确认后，允许安全的产品投放到市场时，总体测试的重要性就体现出来了。目前使用CDMO平台的客户主要集中在细胞和基因治疗领域，主要关注病毒载体应用。渗透压的另一个有趣的应用是在蛋白质聚集的评估，渗透压的变化可能是高浓度蛋白质(如单克隆抗体)在溶液中聚集的迹象。科学家可以识别这种变化，并将其作为溶质成分从溶液中析出的确认测试，从而作为目标蛋白聚集的指示。有文献报道：生物反应器内渗透压值的升高表明可能存在NaCl诱导的聚集物【1】。虽然目前在CDMO中渗透压测试用于聚集产物检测还处于初步研究阶段，但这很好地显示了如何在尚未被文献充分报道或数据支持的情况下将渗透压检测作为分析工具的方法。
吸入剂配方
多年来吸入剂产品一直是生物制药市场的主要产品之一，哮喘等疾病一直是研究的前沿。随着制药领域不断深入的研究，吸入产品的渗透压将影响患者的反应，这一点变得越来越明显。在报道指出，“吸入器设备的类型和药物、剂量、辅料、配方特征(包括pH值、张力、气溶胶输出量和颗粒大小)可能通过刺激咳嗽感受器引发咳嗽”【2】。而张力与药品的渗透压有关，如果渗透压过高，副作用(报告为咳嗽)可能会加剧。
在含水气溶胶中的应用，是渗透压被用于质量控制的另一个例子。在电子烟的生产和制造过程中，渗透压被用作加入吸入器前的储备样品的质量控制。
细胞冻存和细胞库
细胞冻存是整个细胞治疗过程中的关键步骤之一，且必不可少。为了实现储存和运输关键溶液，将挽救生命的药物送到最需要的人手中，低温保存是众多公司正在使用的一种解决方案。使用含5%~10% DMSO的低温冻存剂可以维持细胞活力。但是细胞冻存液各成分的浓度必须符合设定的规格，以减少细胞失活风险。可在细胞冻融前后利用渗透压测试对细胞冻存液制剂进行质量控制，深入了解细胞的健康状况和冻存液的质量。
超出规格指标的结果可以让科学家快速发现问题，并调查相应过程的前面几个步骤。Advanced Instruments采用OsmoTECH XT对常见细胞冻存液配方进行了检测研究，结果见表3。
表3，OsmoTECH XT用于不同细胞冻存液检测的内部测试结果。
渗透压在眼科药物中的应用
眼科药物可能同时含有化学和生物成分，必须符合法规要求，以减轻对眼部的潜在危害。一般指导意见是，渗透压范围在150-320mOsm之间对眼部刺激最小，利于实现安全无痛的用药。渗透压测试目前被用于隐形眼镜溶液的质量控制。一家全球知名公司目前使用渗透压测试作为其制造的溶液是否合格的指示。
随着新的生物药配方的开发，更高浓度的药物正在开发中。渗透压可以成为这些药物生产的关键质量指标。
CAR-T细胞
CAR-T疗法在免疫疗法中仍然是一个相对较新的领域，它涉及到获取患者自身的免疫细胞来治疗他们的疾病。像大多数生物制药一样，这个领域也需要一套标准的质量控制，这不仅有助于优化工艺，也有助于优化产品。从图6可以看出，渗透压检测被列入用于CAR-T细胞基因修饰载体的通用质量控制测试清单。渗透压测试与常规测试（如pH值和外观）一样，被列为理化特性测试。随着自体疗法的发展，新型的配方和递送技术将同步发展。下表中所列指标的采用可能性会增加，且渗透压、pH和颗粒大小/分布等指标将始终是最终药物放行标准的重要组成部分。
图6, 摘自Yonghong等人的出版物，着眼于CAR-T细胞产品的质量控制。
小结
综上所述，质量控制是许多生产工艺中的一个重要环节，能够帮助公司监测产品质量，并最小化批次偏差和损失，降低风险。渗透压已经被用作多个领域的常用和关键检测，科学文献中也经常提到该检测的重要性。渗透压测试作为一种质量控制检查，应用范围很广，可以应用于各种不同工艺。虽然在许多领域渗透压都被认为是一种灵敏的工具，但是需要进一步的研究来充分理解渗透压不仅可以作为QC分析的工具，而且可以用于更广泛的应用。
参考文献：
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Advanced Instruments成立于1955年，总部位于美国马萨诸塞州诺伍德，60 多年来一直致力于帮助生物制药，临床及食品饮料行业客户提升测试结果的质量，实现可信赖的实验结果，并不断提高企业的生产效率。
安达望（上海）科技有限公司是Advanced Instruments在中国依法成立的全资子公司。
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