小奕说药 | 《高浓度单抗制剂开发的挑战和策略》——蛋...

奕安济世生物

这是一个关于蛋白质“内卷”的故事：生物制药领域在近30年里取得了飞速发展，面临的竞争也越来越激烈，而开发高浓度单抗制剂可以很好地提升产品竞争力。FDA批准的单抗产品中有大约三分之一是高浓度制剂（＞100mg/mL），其中约四分之三在2015年后批准。单抗制剂中的蛋白质浓度越来越高，在“拥挤”的环境中，蛋白质-蛋白质间相互作用增强，从而形成可逆聚集，换一个通俗易懂的形容词，就是“内卷”。这期就让我们来聊聊高浓度制剂开发的故事。

“卷王”的自我修养

对于高浓度单抗制剂而言，其优势是显而易见的。高浓度单抗注射液一般通过皮下注射的方式进行给药（上市产品中约76%），相比静脉给药，其具有减少患者治疗时间和痛苦的优点。另外，高浓度单抗注射液从西林瓶剂型转换到预灌封注射器（PFS）剂型（上市产品中约50%）后，还可以将制剂灌装的增加装量体积从20-25%降低到2-3%，显著节约生产成本。总的来说，高浓度单抗制剂可以提高患者依从性、节省成本和医疗资源。

蛋白质“内卷”背后的X因素

高浓度单抗制剂的挑战：就单抗而言，临床剂量通常高达数百毫克到克级别，由于皮下注射体积一般不大于2mL，因此皮下注射制剂的单抗浓度通常大于100mg/mL。同时，高浓度单抗制剂在生产工艺（如原液的超滤/浓缩，注射液的混合、过滤、灌装）、单抗质量（蛋白聚集和粘度）、分析方法和注射器研究方面具有更大的挑战。对于制剂开发来说，核心是解决溶解度、蛋白聚集和粘度三大挑战。蛋白质聚集通常会减弱生物活性和增强免疫原性的风险，较高的粘度会使生物药的生产变得困难以及成本增加，导致潜在的质量和安全问题，也会限制预灌封注射器等的使用。

蛋白质“内卷之道”

高浓度单抗制剂的策略：

单抗浓度

当蛋白质浓度较高时，蛋白质之间的距离减少到分子大小范围（100-200mg/mL时，平均距离为1-5nm），蛋白质-蛋白质相互作用变得显著（例如暴露的疏水基团间相互碰撞、空间效应、静电相互作用、范德华相互作用、氢键和偶极-偶极相互作用等），形成可逆聚集体，意味着蛋白聚集增加和粘度呈指数级增加。所以在制备高浓度单抗制剂时，需要根据单抗的结构特性和临床给药的需求，合理地选择单抗浓度。

上市产品中常用的辅料

目前FDA批准的34个高浓度制剂中，使用频率较大的辅料有：聚山梨酯80和20（94%），组氨酸（82%），蔗糖（48%），精氨酸（27%），氯化钠（18%），甲硫氨酸（18%），醋酸（12%），海藻糖（12%），脯氨酸（9%），山梨醇（9%），磷酸钠（6%），泊洛沙姆188（6%），EDTA（6%）和柠檬酸（6%）。因此，在高浓度单抗制剂开发时，建议优先评估上市产品中使用的辅料。

非还原糖
高浓度制剂中，蔗糖依旧是使用最多的稳定剂。非还原糖（如蔗糖）通过优先水合现象（极性较大的辅料倾向与水分子相互作用，因此被排除在蛋白质分子的水合层外，提高蛋白质水合层的稳定性）来提高蛋白质的溶解度，维持单抗分子的构象稳定性和胶体稳定性，防止形成不可逆的聚集体。但是，非还原糖通常会增加单抗的粘度，因此在引入非还原糖的同时，我们需要应用多种策略来降低粘度和聚集。

降低粘度的辅料
高浓度制剂中，常用于降低粘度的辅料有精氨酸、氯化钠和脯氨酸等。精氨酸是两亲性分子，与蛋白质可形成氢键，同时减少单抗分子间的静电和疏水相互作用；脯氨酸的疏水基团可与单抗暴露的疏水区域作用，从而降低单抗分子暴露的疏水基团间相互作用，减少氧化、脱酰胺基和水解；氯化钠是离子型辅料，在高浓度制剂中可以适当增加离子强度，通过长距离静电屏蔽作用降低高浓度单抗溶液的粘度。因此上述辅料均通过各自的作用机制减弱了蛋白质-蛋白质相互作用，从而增加蛋白质稳定性，减少聚集和降低粘度。

辅料在降低高浓度制剂的粘度的同时，也会给蛋白质稳定性带来一定风险。例如精氨酸可能降低蛋白热转变温度（Tm），使单抗的构型稳定性降低；也可能因其胍基结构（与变性剂盐酸胍相似），在高温情况下使单抗片段增加。因此，在高浓度制剂的辅料选择过程中需要考虑降低粘度和引起蛋白质稳定性风险两者之间的平衡。

制剂缓冲液

缓冲液的种类、pH值和浓度会影响蛋白质表面电荷分布、类型和数量，并进一步通过影响静电相互作用从而影响蛋白质的构象和胶体稳定性。通常，溶液pH从偏酸性增加到中性时或接近单抗分子的PI值时，单抗聚集体呈现增加趋势。同时，对于高浓度皮下注射制剂而言，最常用的缓冲液是组氨酸。与醋酸和柠檬酸缓冲液相比，组氨酸不仅在蛋白质适合的pH 4.7~7.2范围内具有较好的缓冲能力，且在皮下注射时具有较少的疼痛感，也是选择高浓度制剂缓冲液的考虑点之一。

PS80降解

高浓度制剂中使用最多的表面活性剂是PS80，其可以很好地防止在固液界面、液气界面、振摇和搅拌过程中的蛋白质聚集。但是由于PS80在长期储存过程中容易发生氧化和水解降解，对于高浓度单抗制剂而言，若其中宿主细胞蛋白相对较高，则更易导致处方中聚山梨酯80的水解，形成脂肪酸颗粒，从而诱发可见异物等问题。因此，高浓度制剂更加需要关注PS80的稳定性和降解情况，及早优化相关工艺及开发检测方法。

其他策略

高浓度单抗注射液通常采用预灌封注射器（PFS）作为初级包装材料，因此还需进行一系列的研究来评估可注射性、PFS硅化对单抗稳定性的影响等。除了常规的制剂手段，一些降低粘度的新型辅料正不断获得开发和尝试，如Comera Life Sciences公司把咖啡因作为辅料进行商品化开发，ExcelseBio公司优化氨基酸混合物的EXCELSE™高浓度制剂技术。另一方面，在突破皮下注射给药的限制方面，也已经取得显著的成绩。以贴片式注射器为代表的大体积皮下给药装置技术，通常可以给药达50mL，粘度达30cp，如Repatha®，UROSCIX®等产品和SmartDose®，Libertas®，Lapas®等给药系统。使用Halozyme公司的透明质酸酶 rHuPH20技术可降解人皮下组织中网状的透明质酸，促进药物的分散和吸收，上市产品包括Herceptin SC®(5mL)，Phesgo®(15mL)，MabThera SC®(12.7mL)，HyQvia ®，Darzalex Faspro®等。

高浓度单抗制剂开发具有很好的临床优势，但通常要解决聚集和粘度问题。面对挑战高浓度制剂这一令人心动的“offer”，而我们无论是在制剂开发平台的建构，还是在项目的开发和申报上，都拥有足够辉煌的战果和底气，让我们乘风破浪、接受挑战！

HJB拥有一个较成熟的高浓度单抗制剂开发平台，多个高浓度单抗制剂项目处于IND开发和申报阶段，其中一个蛋白浓度为100mg/mL的单抗制剂项目已经获美国和中国FDA批准进入临床试验，正在进行后期工艺开发。

你的蛋白质“卷”了吗?

参考文献：1. Shawn Shouye Wang, Yifei (Susie) Yan, Kin Ho. US FDA-approved therapeutic antibodies with high-concentration formulation: summaries and perspectives. Antibody Therapeutics, Volume 4, Issue 4, October 2021, Pages 262–272.
2. Cynthia A. Challener. Excipients for High-Concentration Biologics. BioPharm International, Volume 35, Issue 3, March 2022, Pages 17-20,37.3. Advait V Badkar, Rajesh B Gandhi, Shawn P Davis, et al. Subcutaneous Delivery of High-Dose/Volume Biologics: Current Status and Prospect for Future Advancements. Drug Design, Development and Therapy, Volume 2021:15 Pages 159—170.