轧盖工艺选择对多品种重组蛋白质药物无菌车间布局的影响.docx

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轧盖工艺选择对多品种重组蛋白质药物无菌车间布局的影响

摘要

研究背景：

特宝生物公司拟采用模块化的布局理念， 在一个复合的制剂车间中整合西林瓶注射液/冻干粉针和预充注射器注射液两条无菌生产线，为10个左右的重组蛋白质药物提供规范、高效、低成本的制剂生产车间。

同时这些产品还要销往中国以外的亚洲、美洲、欧洲和非洲等地区，面临多个国家和地区的法规监管要求，因此需要依据最新的GMP发展趋势，按无菌风险和对产品质量影响程度，重点构思和梳理工艺布局，找到优化的方案，并对关键风险环节进行针对性处理。

研究过程：

通过法规评价和产品分析，找到影响车间布局的关键因素为产品特性和工艺流程。

而对于紧凑型多生产线的布局，轧盖区域的选择和布局是欧盟和中国GMP法规关注的焦点之一。

通过对3种典型布局的物料流程和人员流程以及无菌风险控制进行了分析，选择了比较严格的车间布局。

对于影响无菌车间布局的轧盖工艺设计，采用了B级背景的层流保护的方案，设计了正压保护的捕尘系统，最大程度减少空间需求和投资和运行管理成本。

研究结论：

多品种重组蛋白质药物制剂生产车间两条无菌生产线的设计、安装和验证符合“质量源于设计”和“质量风险管理”等最新的GMP理念，投产后产能可以达到3000多万支的目标。

关键词：

重组蛋白质药物；无菌轧盖；RABS；正压捕尘系统

TheChoiceofSealingMachineandtheInfluencefortheAsepticFacilitiesLayoutofMultiRecombinantProteinDrugs

Abstract

ResearchBackground:

AmoytopBiotech companyadoptsmodularconcepttodesignthelayoutforanasepticmulti-productspreparationfacility,whichintegratestwoasepticfillinglinesforabouttenrecombinantproteindrugs,includingthevialinjection/freeze-driedproductandtheprefilledsyringeinjection,intoonefacility,toprovideapreparationworkshopwithcompliance,highefficiencyandlowcost. Astheseproductswillbemarketedtootherregions,suchasAsia,America,EuropeandAfrica,besidesChina,itisinevitablethattheregulatoryrequirementsofothercountriesandregionswillbetakenintoconsideration.

OnthebasisofthelatestcGMPrequirement,accordingtotheasepticrisklevelandtheimpacttotheproduct’squality,Amoytopfocusesonthedesignandarrangementofprocesslayout,optimizesthescheme,andadoptsthestrategyaimingatthekeyriskelements.

ResearchProcess:

Throughtheregulationsevaluationandproductanalysis,theproductcharacteristicsandprocessarefoundtobethekeyfactorswhichmightinfluenceworkshoplayout.Forthecompactproductionlinelayout,theselectionandlayoutofasepticsealingregionisoneoftheconcernsofEuropeanUnionandChineseGMPregulations.Throughanalyzingthreetypicallayoutsofthematerialflow,personnelflowandasepticriskassessment,therelativelystrictworkshoplayoutischosen. Consideringtheimpactontheasepticlayoutfromsealingprocess,AmoytopusesthelaminarairflowprotectingschemewithgradeBbackground,anddesignsthepositivepressureprotectingdustcollectingsystemresultinginminimizingthespacerequirement,investmentandoperationmanagementcosts.

ResearchConclusion:

Thedesign,installationandqualificationofthemulti-recombinantproteindrugpreparationworkshopcomplytothelatestcGMPconcept,i.e.QualitybyDesignandRiskManagement,thusitfinallyreachestargetingannualoutputformorethan30millionvials. 

Keywords:

recombinantproteindrug,asepticsealing,RABS,positivepressuredustcollectingsystem

目录

第1章引言1

1.1研究背景1

1.2项目情况和研究目标3

1.3关键词4

第2章无菌制剂生产车间布局的影响因素分析5

2.1GMP法规对无菌车间设计要求5

2.2无菌注射工艺制剂生产车间布局的考虑7

2.3重组蛋白质药物多品种无菌制剂生产车间布局的影响因素分析9

2.4重组蛋白质药物多品种无菌制剂生产车间布局的挑战性因素12

第3章不同无菌车间的布局与轧盖工艺的挑战13

3.1中国和欧盟GMP规范关于轧盖的观点13

3.2轧盖工艺布局的设计与选择15

3.2.1模式A：

轧盖跟配液等在同一非无菌区域内进行15

3.2.2模式B：

轧盖位于单独的轧盖区域16

3.2.3模式C：

轧盖位于无菌区域18

3.2.4三种无菌车间布局模式与轧盖工艺选择20

第4章轧盖过程的环境控制24

4.1轧盖产品保护24

4.2传统捕尘系统25

4.3FFU捕尘系统26

4.4正压保护的FFU捕尘系统28

第5章轧盖设计主要实施结果的确认31

第6章研究结论35

第1章引言

1.1研究背景

上世纪80年代初，用重组DNA技术获取的第一个重组人胰岛素在美国上市以来，以细胞因子类为主的重组蛋白质药物在全球医药市场占据了很大的份额[1]；虽然经过将近30年的发展，但由于其在很多疾病治疗方面不可替代的作用，安全性和有效性得到实践检验，这些药物在全球药物市场的份额仍在不断扩大；同时近年不少专利药物陆续到期，为非原创企业在世界主要药物市场的合法“仿制”生产提供了机会[2]，到2015年之前，将有重组人生长激素、重组人胰岛素、重组人链激酶、重组人尿激酶、重组人组织纤溶酶原激活剂、重组人干扰素α、重组人干扰素γ、重组人介素2、重组人红细胞生成素和重组人粒细胞刺激因子等十多种生物药物专利到期[3]。

由于重组蛋白质药物研究周期长，无论是否原创，均需要进行临床试验，时间可长达6-18年[4]，造成药品的成本和价格居高不下。

作为非原创的生物医药公司，如果希望在国际主流市场有所作为，除了保证药品的质量、安全性和有效性与原创药物相似或可比外，还必须控制药品的生产成本，将药品竞争从“品牌驱动”变为“价格驱动”[5]，这样才能在激烈的非专利药市场上占有一席之地。

长期以来，原创重组蛋白质药物生产车间主要是以单品种生产为主，对于非原创生物技术公司，蛋白质药物多品种共线生产是未来降低成本的有效途径之一[6]。

近年来，随着基因工程发酵技术、细胞培养技术和蛋白质纯化手段的飞速提高，以及大多数重组蛋白类药物的低剂量、高活性的特征为重组蛋白质药物的多品种共线生产提供了技术可能。

国际制药工程协会（ISPE）于2004年出版了第六卷基本指南《生物制药设施》，重点讨论了生物制品生产设施实行以品种转换和多品种同时生产为主要模式的设计、建造、验证结构框架，为这个课题提供了一个重要的技术参考指南[7]。

该指南撰写团队来自于国际主要生物技术产品生产商、ISPE专家团队和美国FDA代表等，因而在业界和国际监管当局和具有较大的影响力，其基本思路代表了未来重组蛋白质药物生产设施的主要发展方向。

欧盟从2005年开始，陆续颁布指南，为拟申请在欧洲进行非专利的“生物类似药”注册的企业提供法规支持[8][9]，目前已有胰岛素、生长激素、G-CSF等生物类似药指南发布[10][11][12]。

厂家如果能够战胜挑战，成功设计出多品种生产的工艺设施，并通过有关国家的检查认证，就有可能以低成本、高质量、高效率实现跨越式飞速发展。

厦门特宝生物工程股份有限公司是专业从事治疗性基因重组蛋白质药物的开发及产业化实施的高新技术企业，目前已有3个制品——重组人粒细胞-巨噬细胞刺激因子（以下简称rhGM-CSF），重组人粒细胞刺激因子（以下简称rhG-CSF）和重组人白细胞介素（以下简称rhIL-11）在中国等8个国家上市销售。

另有5个品种的生物类似药物——重组人干扰素α2a（以下简称rhIFNα2a）、重组人干扰素α2b（以下简称rhIFNα2b）、重组人生长激素（以下简称rhGH）等处于临床研究开发阶段。

而特宝生物除了正在开展多个重组蛋白质药物生物类似物（仿制药）的项目开发和临床研究外，还积极进行拥有自主知识产权的新药研发，并取得重要进展。

目前，5个拥有全球自主知识产权的长效蛋白质药物——Y型PEG化重组人干扰素α2b（以下简称YPEG-rhIFNα2b）、Y型PEG化重组人干扰素α-2a（以下简称YPEG-rhIFNα2a）、Y型PEG化重组人生长激素（以下简称YPEG-rhGH）、Y型PEG化重组人粒细胞集落因子（以下简称YPEG-rhG-CSF）、Y型PEG化重组人促红细胞生成素（以下简称YPEG-rhEPO完成新药临床申报并在中国和国际进行临床研究阶段。

其中Y型PEG化重组人干扰素α-2b预计在2015年可以在中国上市销售，之后到2020年前将陆续有8-10个重组蛋白质药物上市销售。

为此，我公司在2004年开始启动治疗性重组蛋白质药物多品种生产车间的设计和技术标准讨论。

经过多年的准备和反复论证及讨论，于2009年-2010年初完成了最终的相关设计工作，然后2010年到2011年进行了工程项目建设、设备安装和系统确认，并对目前上市的3个品种进行了技术转移、工艺验证、清洁验证和生产质量体系建立，于2012年9月通过国家食品和药品监督管理局的GMP检查认证，同时本车间还将承担今后10年内特宝生物拟上市新药生产规模的工艺确认以及上市后商业化生产的任务。

本课题拟对治疗性重组蛋白质药物的西林瓶制剂生产车间布局以及重要影响因素进行探讨，最后以确认和验证的数据证明当初设计构思的合理性。

1.2项目情况和研究目标

特宝生物重组蛋白质药物多品种制剂车间计划陆续生产10个左右的品种，包含两条的制剂生产线，一条是西林瓶生产线，可以生产注射液和冻干产品两种剂型，另一是条预充注射器的生产线，生产预充注射器注射液产品。

西林瓶生产线和预充注射器生产线使用相互独立的空气净化系统、独立的设备和设施。

该车间通过独立的空气净化系统分区和物料、人员的更衣屏障，可以保障两条生产线同时工作。

再通过更换品种的生产方式，每条生产线可以生产8-10个品种，冻干批规模40,000支/批，西林瓶注射液规模可达100,000支/批，预注射器注射液生产规模80,000支/批，年产量在30,000万支以上。

具体安排参见表1重组蛋白质药物多品种制剂生产规划表。

表1重组蛋白质药物多品种制剂生产规划表

剂型

涉及品种

批规模

生产批次

年产量

西林瓶冻干粉针剂

rhGM-CSF,rhIL-11等3个品种

4万

50

200万

西林瓶注射液

rhG-CSF,YPEG-rhIFNα2b等10个品种

10万

150

1500万

预充注射器注射液

rhG-CSF,YPEG-rhIFNα2b等6个品种

8万

250

2000万

表1所列的产量规划说明：

西林瓶冻干粉针剂生产周期为2天/批，连续生产，需要100天，另外安排50天进行设备维护保养、验证和校验等。

西林瓶注射液生产周期为1天/批，连续生产，需要150天，另外安排50天进行设备维护保养、验证和校验等。

为减少投资成本，提高生产效率，西林瓶冻干粉针剂和西林瓶注射液拟共线生产。

所以两种剂型，一个安排150天，另一个安排200天，基本可以实现计划的批次数量。

预充注射器生产线为单一注射液剂型，主要生产市场需求量较大的产品和附加值比较高的专利产品，无冻干步骤，所以生产效率可以大大提高，连续生产，1天/批，每年生产250天，预留100天进行维护保养、校验和验证等工作。

根据上述测算，每年最多可以实现3700万支的产品生产，圆满完成3000万支的目标。

因为该车间的产品投入情况是从2012年开始，到2020年逐步投入的，产能根据新产品注册批准情况逐步放大的，从开始投产到完全达到最高产能，前后持续8年时间。

2012年完成GMP认证，2013年正式开始上市销售，第一年产量约在300万支，随后以30%左右的年均递增量逐步放大，到2015年长效干扰素上市时，产能预计将剧烈释放到1000万-1500万支之间。

因此，对本车间的基本要求有以下几点：

生产的产品为多品种治疗性重组蛋白质药物，均为非最终灭菌的无菌注射产品，要求工艺和设施能够最大程度实现全过程的无菌保障，并最大限度避免交叉污染。

工艺设计和车间布局应有前瞻性，符合国际无菌制药发展的基本方向，基本满足欧盟、FDA和WHO等相关的规范。

本车间规划，应重点参考ICH（《人用药品注册技术要求的国际协调会议》）、FDA、EMEA、ISPE、PDA等陆续发布的关于生物制品质量研究、质量体系建设、工艺放大和验证、设施设备设计和生产管理的有关法规、技术指南和工业指南，并且强调从产品知识出发，运用“质量风险管理”和“质量源于设计”的策略[13][14]，逐步构建符合产品特性和生产质量目标的工艺流程。

建成的重组蛋白质药物生产车间应做到“高质量、低成本和高效率”，只有这样，未来才能在激烈的国际竞争中占有一席之地。

本文拟研究如何在公司规划的1000米2左右建筑面积上，合理规范设计出一条无菌西林瓶冻干/注射液生产线和一条无菌预充注射器生产线，并对影响车间布局的关键性因素轧盖工艺的设计，包括产品无菌保证、轧盖粒子控制、与上下游工艺的连接等，做出方案分析和评价，并选择一个合适的解决方案，最后，用验证数据对设计的工艺进行最终评价。

1.3关键词

重组蛋白质药物；无菌轧盖；RABS；正压捕尘系统

第2章无菌制剂生产车间布局的影响因素分析

2.1GMP法规对无菌车间设计要求

按照欧盟无菌药品GMP，无菌药品生产的最基本要求是尽可能提高无菌保障程度，最大程度地避免微粒、热原质和微生物的污染风险[15]。

由于非最终灭菌的无菌药品不能采取产品灭菌作为最后的无菌保障手段，因此产品的无菌特性实现是靠综合实施各种无菌工艺包括无菌环境控制实现的。

我国《药品生产质量管理规范》（2010年修订）附录1对无菌药品生产各个操作步骤所需的洁净区定义了4个级别，如下表：

表2GMP附录1关于无菌生产工艺洁净级别的规定

洁净级别

非最终灭菌产品的无菌生产操作示例

B级背景下的A级

1.处于未完全密封状态下产品的操作和转运，如产品灌装（或灌封）、分装、压塞、轧盖等；

2.灌装前无法除菌过滤的药液或产品的配制；

3.直接接触药品的包装材料、器具灭菌后的装配以及处于未完全密封状态下的转运和存放；

4.无菌原料药的粉碎、过筛、混合、分装。

B级

1.处于未完全密封状态下的产品置于完全密封容器内的转运；

2直接接触药品的包装材料、器具灭菌后处于密闭容器内的转运和存放。

C级

1.灌装前可除菌过滤的药液或产品的配制；

2.产品的过滤。

D级

直接接触药品的包装材料、器具的最终清洗、装配或包装、灭菌。

表2中GMP附录1《无菌药品》关于无菌生产工艺洁净级别的具体要求如下：

A级：

高风险操作区，如灌装区、放置胶塞桶和与无菌制剂直接接触的敞口包装容器的区域及无菌装配或连接操作的区域，应当用单向流操作台（罩）维持该区的环境状态。

单向流系统在其工作区域必须均匀送风，风速为0.36-0.54m/s（指导值）。

B级：

指无菌配制和灌装等高风险操作A级洁净区所处的背景区域。

C级和D级：

指无菌药品生产过程中重要程度较低操作步骤的洁净区。

欧盟GMP（2008/11修订版）附录1无菌指南相关条款和上述中国新版GMP是一致的,第17条中列出了各级区内示例性生产操作。

在美国FDAcGMP（2004年9月版）无菌药品生产指南第四节厂房和设施B洁净支持区域部分的条文中提到：

在洁净支持环境中所执行操作的特性决定了该区域的级别[16]。

FDA建议把直接毗邻无菌生产线的区域至少达到动态10000级（ISO7）。

制造商也可以定义该区域为1000级（ISO6）或者维持整个灌装区为100级（ISO5）。

对于次关键区域例如设备清洗区，100000级（ISO8）是适当的设置。

2.2无菌注射工艺制剂生产车间布局的考虑

无菌生产车间由支持区域和无菌工艺核心区域组成，进行无菌药品的清洗、灭菌、配料、过滤、分装、无菌转运、冻干、轧盖等工艺操作，相关的配套操作如物料发放和称量、洁净车间卫生消毒、样品中间控制等，也需要进行合理安排。

在设计无菌产品生产车间工艺布局图之前，首先要全面了解产品特性、工艺要求、法规指南和体系的质量标准，并把这些内容整合到用户需求当中[17]。

在此过程中，应准备工艺流程图、物料需求和消耗表、工艺日程安排表、人员房间分配图和相关的设备设施配套需求表。

了解完这些因素后，首先要确定工艺核心区，即无菌产品、容器、包装物及其产品接触的表面直接暴露在环境条件下的区域，该区域的设计必须保证产品的无菌度要求。

在确定无菌生产核心区中，产品流向、容器/包装物流向、操作人员和工艺设备是核心因素，它决定了车间工艺布局的基本内容。

在产品流向中，要考虑产品在哪一点将变成“无菌”，产品如何进入无菌生产区域，产品在哪一点将暴露在环境中，产品如何被装入其最后包装容器中，产品是如何离开无菌生产区的。

对于容器/包装物的流向，要考虑容器/包装物需要怎样的清洗、灭菌、冷却、如何进入无菌生产区，最后如何放置在灌装机上的，其在灌装和密闭后是如何处理的。

操作人是无菌区域最大的污染源，因此应明确其进入无菌区域的更衣程序，在无菌区域内的位置如何不会影响无菌操作，更重要的是在无菌工艺过程的哪一步可能干预产品，干预的延续时间/周期、类型是怎样的。

对于工艺设备需要考虑怎样清洗、灭菌、冷却，如何进入无菌生产区，设备部件是否会产生较大的微粒，是否需要在无菌区内维护。

而人员流程和物料流程是防止差错和混淆、避免污染和交叉污染的关键要素，对布局影响程度很大。

除此之外，还应考虑物料供应、公用系统、人员办公和包装、储存等配套操作需求。

综合完无菌车间设计所需要的因素之后，应尽量将这些因素用流程的方式展示出来，以便指导平面布局的设计。

ISO14644系列《洁净室及相关受控环境》国际标准是洁净室设计、检测和运行、维护的权威指南，在国际制药行业和电子行业具有广泛的影响力，在其第4部分——设施的设计、施工和启动中，提出按洁净洁别要求的高低，将高级别的区域套嵌在低级别的环境中，以便使污染风险降到最低[18]。

综上，在布局设计时，应从产品性质和工艺要求出发，按照GMP规范和企业自己的质量体系，设计出综合的工艺流程图。

这样可以对整个项目的整体把握始终处于可控状态，无论思路和方案如何调整，总体方向始终不变。

2.3重组蛋白质药物多品种无菌制剂生产车间布局的影响因素分析

为了在1000米2左右建筑面积上设计出西林瓶和预充注射器两条无菌生产线，特宝生物在产品设计、工艺优化、设备选择、工艺模块化设计等方面，作出了许多具有前瞻性的工作，使这一目标逐步可以达到。

重组蛋白质药物的特点就是剂量较小，常常是微克级和毫克级，药物为20种氨基酸组成的柔性大分子，我们研发的药物分子量常在20KD-100KD之间，物理结构和化学性质和生物学活性不稳定，容易受外界影响。

所以业内同行一般使用无菌冻干生产的方法，虽然对稳定性有帮助，但是，由于冻干机容量成本以及冻干周期所限，生产工艺相对复杂，无菌风险高，而且冻干周期较长，因此冻干机投资成本和生产周期经常是限制性因素。

虽然我公司药物在早期开发的也是冻干制剂占了多数，但后期开发的药物，对产品稳定性和相容性进行了大量的研究，在处方配比上取得不少突破进展，基本摒弃了冻干制剂，大量采用无菌注射液剂型，摆脱了对冻干机的依赖，简化了生产流程，降低了无菌生产的复杂程度，提高了质量保证水平和生产效率。

由表1可知，冻干品种只有rhGM-CSF、rhIL-11、rhGH3个品种，规划最高产量200万支左右，其余皆为无菌注射液产品，规划最高产量达到3500万支，冻干制品比例只有6%左右。

假设规划的药品如果有一半采用冻干制剂的方式，那么使用同样的生产设备在同样的空间和时间内，产量将下降40%左右。

如果达到同样的产能，则冻干机数量需要扩大到目前的3倍以上，加上冻干机和自动进出料系统的投资成本、运行空间和清洁维护保养成本，远高于同等技术水平的分装机，产品各个方面的成本都会增加40-50%，而且工艺变复杂，风险和差错的可能也在提高。

因此，虽然我们3个冻干制品的冻干生产中已经配套了目前最好的自动进出料工艺，但仍然在持续研究将这3个产品的溶液处方，而且rhGM-CSF、rhIL-11注射液处方已陆续研发出来，正在向SFDA申请剂型改变。

在工艺优化方面，我们一方面采用符合国际无菌药品发展趋势的严格无菌工艺，如双级过滤、人员和物料单向流、RABS系统保护等。

另一方面，对固体物料的称量、配制，洁净服的清洗和灭菌等采取集中管理的方式，将其从无菌制剂生产车间剥离出去，专门成立了配制中心和洁净洗衣中心，不但为无菌制剂车间，而且也为上游的发酵多品种生产车间以及