小奕说药 | 生物药的"隐形炸弹"拆解指南：工艺杂质风险评估策略与方法

奕安济世生物药

背景

在生物制药领域，杂质可以分为两大类：产品相关杂质和工艺相关杂质，图1是根据ICH Q6B指南对这两类杂质的分类和描述。其中，产品相关杂质是在目标产品结构的基础上，发生修饰，聚集或断裂等形式改变的一类杂质，容易在产品生产和/或储存过程中形成。它们具有与目标产品不同的特性，在生产过程中，必须对与产品相关的杂质进行鉴定和控制，以确保患者安全和产品功效。

另一种杂质类型为工艺相关杂质（PRIs），它们通常来源于生产过程中使用的各种材料和操作。根据来源和化学属性的差异，工艺相关杂质又可以分为生物学活性杂质和非生物学活性杂质。HCP、DNA、Protein A等属于生物学活性杂质，可按照药典、FDA、ICH等法规要求或者其他已上市药品相同杂质的限度标准制定杂质的可接受标准。消泡剂、DMSO、MSX、泊洛沙姆188等工艺试剂属于非生物活性杂质，其限度标准则需要进行潜在的安全性风险评估，确定清除测试的需求。

图1. 产品相关杂质和工艺相关杂质分类

在生物制药领域，细胞培养和下游工艺可能会使用多达100种不同的工艺试剂，这些试剂对于控制生产过程至关重要，但同时也可能成为产品中潜在的杂质来源。分析这些试剂的去除情况对于确保产品的安全性和质量是必不可少的。但对于支持工艺开发工作的分析人员来说，分析如此大量的工艺试剂以得到其去除情况是一项艰巨的任务。因此，制定一个有效的工艺试剂风险评估策略是至关重要的。

本文将详细介绍两种基于风险的方法，以证明去除工艺试剂的测试要求。工艺相关杂质（Process-related Impurities ,PRIs）安全风险评估策略，提供了一个系统的方法来评估和控制工艺相关杂质的安全风险，确保产品在生产过程中的安全性。其中，安全边际（Safety Margin，）和杂质安全因子（Impurity Safety Factor）是风险评估中使用的两种不同的概念，它们都用于确保药品的安全性，但应用和计算方法有所不同。

安全边际 S (Safety Margin)

a)  针对有充分阈值相关机理证据的遗传毒性化合物杂质限度的确定，可以使用该方式进行安全性风险评估。每日允许暴露量（Permitted Daily Exposure, PDE）指药物中残留杂质每日可接受的最大摄入量，是由大多数相关动物研究中的未观察到作用水平（NOEL）或观察到作用的最低水平（LOEL）得出的。计算公式如下：

PDE = (NOEL × 体重调节) / (F1 × F2 × F3 × F4 × F5) (1)

b)  PDE提供了一个基于毒理学的安全剂量，而Le则将这个剂量转换为药物中特定杂质的可接受水平。暴露限值Le是指在药物或化合物中，患者可以安全暴露的最大杂质水平。Le是通过将PDE除以药物的最大日剂量来计算的，用于确定在药物产品中特定杂质的安全水平。计算公式如下：

暴露限值Le (Exposure Limit) = PDE÷最大日剂量 (2)

c)  安全边际是一个量化指标，用来评估实际或预期的化合物暴露水平与安全限值之间的差距。安全边际是暴露限（Le）与产品剂量中最大试剂水平（M）之间的比率，用于衡量试剂安全性。安全边际S分为估计安全边际（Se）和测量安全边际（Sm），分别基于估计的最大试剂量（Me）和测量的最大试剂量（Mm）计算。Me代表了在最坏情况下可能使用的试剂的最大量，不考虑下游纯化去除的效果。Mm代表了在实际操作过程中实际测量到的试剂的最大使用量。计算公式如下：

安全边际 S (Safety Margin) = 暴露限值Le ÷产品剂量中最大试剂水平M (3)

根据Se和Sm值确定是否需要在不同开发阶段进行清除测试和规格测试，具体流程如图3所示。如果Se值小于1，需要进行杂质挑战研究，并计算Sm。如果Se或Sm值大于或等于5，表明试剂量在安全范围内，杂质风险较低，不需要进行额外的检测。在关键临床和商业化生产阶段，需要满足更严格的杂质控制策略，使安全边际高于5。若挑战研究后仍不能满足Sm高于5，则应在放行的质量标准中加入该杂质项；若挑战研究表明，纯化过程对杂质没有去除效果，即Sm低于1时，不建议在工艺中使用这种物料。

图2. 工艺相关杂质安全评价策略＃1

杂质安全因子ISF

杂质安全因子ISF（Impurity Safety Factor）是另一种安全风险评估方式。这种方法特别适用于那些分子量小、理论上不具有免疫原性、且缺乏致突变数据的杂质。ISF是杂质LD50与产品剂量中杂质可能出现的最大数量的比值，计算公式如下：

杂质安全因子(ISF) = LD50÷产品剂量中残留水平

其中，LD50为半数致死量，各物质的LD50可以相关文献或者网站中查到。每剂量中的杂质含量为生产过程中杂质最大量来计算。因此，ISF是一种标准化的测量方法，用于测量导致可量化毒性作用的杂质水平与患者潜在接触该产品中杂质之间的关系。ISF越高，这个杂质的毒性作用和潜在产品剂量水平之间的差异越大，安全风险越低。

对于ISF的计算，产品剂量中的杂质水平是根据最坏情况的假设来确定的。即假设工艺中的所有杂质都与产品共同纯化，且纯化过程中未清除杂质。如图2展示了ISF风险评估策略的具体步骤。结论如下，若在没有进行任何清除的情况下ISF≥1000，则表明该杂质是安全的。如果该条件不能满足，则需要考察在工艺过程中，该杂质的ISF是否大于1000，如果满足的话，则表明该杂质是安全的。如果该条件不能满足，那就需要建立实验模型，通过加标实验确定该杂质ISF是否大于1000。

图3. 工艺相关杂质安全评价策略＃2

结论

总之，在药物开发过程中，对工艺相关杂质进行系统的风险评估，实施安全风险管理过程有助于系统地消除安全风险，满足监管期望，并简化CMC开发。通过基于风险的方法，可以有效地管理工艺相关杂质，确保生物抗体药物的安全性和有效性，同时减少不必要的测试和资源消耗。

参考文献

[1] Raghani, A. ,  Li, K. ,  Bussiere, J. L. ,  Bercu, J. P. , &  Qiu, J. . process-related impurities in biopharmaceuticals a deeper dive into ich q6b.

[2] Jung.A-Mab: a Case Study in Bioprocess Development[J]. 2009.

[3] ICH, Specifications : Test Procedures and Acceptance Criteria for Biotechnological/Biological Products. Harmonised tripartite guideline Q6B, 1999.

[4] Luo, Haibin. , et al. "Safety risk management for low molecular weight process-related impurities in monoclonal antibody therapeutics: Categorization, risk assessment, testing strategy, and process development with leveraging clearance potential." Biotechnology progress 37.3(2021):e3119.

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