含蛋白药物溶液与容器相互作用的驱动因素：一项结构化批判性综述

《Journal of Pharmaceutical Sciences》：Factors influencing interactions between protein-containing drug solutions and containers: A structured, critical review

　　

含蛋白质的药物产品数量日益增长，包括胰岛素、血液制品、酶、疫苗、促红细胞生成素、干扰素、单克隆抗体（mAbs）及基因修饰蛋白等。蛋白质是脆弱分子，在制造至临床使用期间可能暴露于促进不稳定的条件。蛋白质聚集在体内外均具危害性，即使蛋白质构象稳定且低于平衡溶解度也可能发生。化学不稳定（氧化、糖化等）和物理不稳定（聚集）在蛋白质药物（尤其是mAbs）文献中已有充分记载。影响抗体稳定性的因素包括内在变量（如蛋白质结构、浓度和自缔合潜能）及外部应激（温度、光照、容器密封系统和辅料）。其中，界面应力和表面诱导现象是导致蛋白质聚集和颗粒形成的关键因素。许多含蛋白药物可引发不良免疫反应，这通常与亚微米级蛋白质聚集体的形成有关。这些聚集体由各种物理或化学应激（如温度、偏离等电点的pH值、离子强度、表面吸附）诱导的构象变化所致，可能损害药物疗效。蛋白质-容器相互作用的后果包括蛋白质含量损失和聚集；这些聚集体与免疫反应风险相关，可能诱发严重不良事件和/或降低治疗效果。即使在蛋白质药物产品中少量颗粒也能促成不良免疫反应，而类天然单体组成的小寡聚体即可触发免疫和炎症应答。在制造过程中，蛋白质-容器相互作用可发生于最终灌装、储存和给药阶段。蛋白质的表面吸附可能可逆或不可逆，但会促进吸附蛋白的去折叠或微小结构修饰。调整制剂的离子强度或pH值、添加辅料（如表面活性剂）可在一定程度上减少界面应力和表面吸附。然而，保持蛋白质稳定性和生理可接受性的需求限制了制剂变更的可能性。聚山梨酯80/20（PS 80/20）和泊洛沙姆188（P188）是美国食品药品监督管理局（FDA）批准用于生物制药产品胃肠外给药的唯一表面活性剂。然而，PS易发生氧化和水解降解，水解降解释放游离脂肪酸（FFAs），其低水溶性可导致不溶性FFA颗粒形成——现被认为是PS降解最显著且与产品相关的后果之一。氧化降解产生过氧化物等活性物种，亦可驱动蛋白质氧化和聚集。FFA颗粒的形成进一步受初级包装属性调节：玻璃衍生的金属离子可作为成核因子，因此即使在FFA浓度低于溶解度极限时也可能出现颗粒。硅油常用于涂覆医疗器械备件以减少摩擦力，改善柱塞和针头运动并防止帽盖粘连或阻塞。2001至2003年间，接受重组依泊汀α（EPREX）的患者中纯红细胞再生障碍性贫血和抗促红细胞生成素（EPO）抗体的发生率增加了17倍。研究发现这种成红细胞减少症是由PS80（替代白蛋白作为药物溶液成分）与非涂层橡胶注射器塞中的浸出物相互作用所致。随后将注射器的弹性密封件替换为氟树脂涂层密封件显著降低了成红细胞减少症的发生率。2014年，FDA发布指南推荐采用基于风险的方法评估和减轻可能与治疗性蛋白产品安全性及有效性相关的免疫应答或免疫相关不良反应。FDA特别建议评估辅料预防蛋白质-容器相互作用进而防止蛋白质变性和降解的能力，分析产品与辅料稳定性的相互作用，并专门评估产品与运输和储存所用初级包装材料的相容性。然而，治疗性蛋白质开发面临的挑战之一是潜在的不良免疫反应。本研究的目的是综述影响蛋白质药物溶液与其容器相互作用的因素，具体旨在回答以下研究问题：蛋白质与主要容器材料、其他容器材料以及药物溶液组分（特别是辅料）之间存在何种相互作用？

论文解读文章

研究背景与目的

含蛋白质药物产品（包括单克隆抗体mAbs、融合蛋白、细胞因子等）在肿瘤、自身免疫性疾病和感染性疾病治疗中应用广泛。蛋白质分子本质上不稳定，容易在制造、储存和给药过程中经历化学不稳定（如氧化、糖化）和物理不稳定（主要是聚集）。蛋白质聚集不仅可能导致药物疗效降低，更关键的是，所形成的亚微米级和可见颗粒已被证实与不良免疫反应风险相关，甚至可能诱发严重不良事件。尽管已有大量研究关注蛋白质稳定性，但蛋白质溶液与容器（包括西林瓶、预填充注射器、输液袋等）之间的相互作用机制及其影响因素尚未得到系统性整合。现有研究分散于不同材料体系（玻璃、聚合物、硅油润滑剂）、不同蛋白质类型和不同应激条件下，缺乏一个能够指导配方科学家和医院药师进行风险优先级排序的综合性框架。为此，研究人员开展了一项结构化批判性综述，旨在全面梳理并批判性分析影响含蛋白药物溶液与容器相互作用的关键因素，从内在分子特性到外在环境变量，建立从基础机制到实际缓解策略的系统性认知。

研究方法

本研究遵循系统综述和荟萃分析优先报告条目（PRISMA）声明，采用透明、预设的检索和筛选流程。研究人员在MEDLINE、ScienceDirect和Google Scholar三个数据库中，使用多组基于关键词的查询式进行检索，时间范围覆盖1990年1月1日至2024年11月30日，限定语言为英语或法语，纳入观察性研究、干预研究和随机对照试验。文献筛选分四步独立进行：首先将数据库结果导入Rayyan平台，其次使用Zotero去重，第三步通过摘要分析分类，第四步进行全文分析。三位研究者独立执行第三和第四步后汇总结果，分歧由第三位作者裁决。最终从43篇待检索报告中获得38篇全文进行评估，共纳入26篇文献进行分析。

研究结果

材料组成与容器几何形状

十三篇文章聚焦于容器材料组成的影响，包括材料类型、增塑剂、涂层存在与否以及容器几何形状。关键发现包括：不锈钢微粒可诱导IgG1抗体的结构改变、部分去折叠和聚集，而玻璃微粒未引起单体损失；钨颗粒（来自注射器针孔制造过程）浓度对融合蛋白聚集起关键作用，且聚集程度高度依赖钨/蛋白质比例；预填充注射器（PFS）与最终西林瓶产品相比，前者中亚可见颗粒数量更高；硅油（SO）润滑剂促进了亚可见颗粒的产生，其释放入溶液后可提供蛋白质聚集的成核位点，且搅拌加剧了这一过程；聚甘油涂层（尤其是超支化羟基化聚甘油HPG(OH)）能显著降低IgG1和人生长激素（hGH）在I型硼硅酸盐玻璃上的吸附；在无机械应力的长期储存条件下，蛋白质聚集体强烈粘附于瓶壁并形成沉积颗粒，聚山梨酯80（PS80）对不同抗体的颗粒粘附表现出相反效果；聚氯乙烯（PVC）输液袋比多层聚烯烃（PO）袋产生更多微粒（包括邻苯二甲酸二乙基己酯DEHP和癸二酸二辛酯），且DEHP-水界面与气-水界面在搅拌下协同促进蛋白质聚集；表面钝化处理（如硅化或专用涂层）能显著减少机械冲击引起的蛋白质聚集；盐的存在增强了mAb在盐水输液袋中的界面弹性和自缔合，促进界面吸附和颗粒形成；在无硅油预填充注射器表面，硼硅酸盐玻璃主要通过静电和亲水相互作用驱动吸附，而环烯烃聚合物（COP）则以疏水效应为主，且气泡的存在增加聚集体形成；结合流式成像显微镜与机器学习技术，研究揭示了容器依赖性的颗粒形态差异，强调了三相（容器-空气-液体）界面的关键作用。

容器中的硅油

八篇文章专门研究了硅油的影响。主要结论包括：蔗糖和PS20能抑制硅油乳液中单体抗体的损失，主要通过竞争性吸附于气-水界面实现；搅拌速度和强度显著影响硅油诱导的聚集，高转速下因气-水界面增加而加速单体损失；冻干产品比液体制品含有更多硅油，但硅油含量增加并未影响白蛋白干扰素α-2b融合蛋白的稳定性，亚可见颗粒增加主要归因于硅油本身而非蛋白质聚集体；在硅油-水界面，阿巴西普（abatacept）分子的吸附导致界面张力下降，PS80比P188更能有效降低界面张力并部分置换吸附的蛋白质分子；在无硅油条件下，玻璃和聚合物注射器中不溶性聚集体、可溶性聚集体和亚可见颗粒量相似，而硅油诱导了除阿达木单抗（adalimumab）外所有样品的不溶性聚集体形成；硅化注射器比非硅化注射器检测到更多颗粒，且颗粒数随硅油量增加而增加，无顶空时颗粒生成减少；抗体-硅油复合物呈现从小的聚集体到大的不规则团簇等多种结构，能够结合并激活免疫效应细胞上的Fcγ受体，表明具有触发免疫应答的潜力；在硅油存在下，聚集发生在油-水界面，而在无硅油时则发生在气-水界面，后者产生的颗粒少于前者。

辅料对蛋白质-容器相互作用的影响

五篇文章评估了辅料的作用。研究表明：吐温-80（Tween-80）通过更快吸附、与重组凝血因子VIII（rFVIII）形成复合物以及更高的表面吸附亲和力，抑制了rFVIII在疏水界面的吸附，但搅拌削弱了其保护效果；搅拌和磁力搅拌诱导不同的聚集谱，PS20总体上发挥保护作用，但在特定浓度和搅拌条件下可能反而促进可溶性聚集体形成；PS20和消除输液袋中的顶空有助于抑制可溶性聚集体的形成，环境应激（搅拌、热、冻融循环）诱导非天然二硫键从而启动聚集；在长期储存中，P188与硅化胶塞体系可形成可见和亚可见颗粒，蛋白质吸附于疏水界面后发生去折叠和界面膜形成，膜破裂释放颗粒并进一步聚集；玻璃浸出物中的金属离子可作为游离脂肪酸（FFAs）颗粒形成的成核因子，即使在FFA浓度低于溶解度极限时也能诱导颗粒出现，因此防止颗粒形成不仅需要最小化PS降解，还需评估和控制初级包装的材料属性。

讨论与结论

研究人员指出，蛋白质在容器界面的不稳定性最好被理解为构象稳定性和胶体稳定性之间平衡的结果，这种平衡受到表面性质、配方和施加应力的不同程度扰动。由于这些决定因素相互作用，同一添加剂或材料在一个系统中可能是保护性的，在另一个系统中却可能是失稳性的，因此笼统地将因素标记为“好”或“坏”的实际价值有限。研究人员将影响因素区分为非可修改的内在分子属性和可修改的外在环境及配方决定因素，并将每个因素转化为具体的、分子特异性的缓解选项。

在内在因素方面，蛋白质聚集受构象稳定性和胶体稳定性共同调控。一级结构、表面疏水性、结构域组织和自缔合倾向的变异强烈影响其在材料界面的吸附行为，决定了给定分子对表面诱导不稳定的基线脆弱性。例如，免疫球蛋白G（IgG）在亲水和疏水表面均可吸附，其Fab片段比Fc片段更具疏水性。吸附是否进一步导致构象变化、聚集或颗粒形成取决于蛋白质和系统本身，并非必然触发。

在外在因素方面，容器材料和表面特性是关键变量。亲水材料如硼硅酸盐玻璃主要通过静电相互作用驱动mAb吸附，而聚合物材料如PETG和COP则表现出更强的疏水贡献。不锈钢表面可通过表面诱导去折叠和氧化介导不可逆构象改变。PVC输液袋与聚烯烃材料相比，在搅拌下产生更多颗粒，增塑剂DEHP迁移引入的疏水纳米滴可与两亲性蛋白质相互作用，促进构象变化、聚集和体外补体激活。硅油和聚二甲基硅氧烷（PDMS）是主要的可修改贡献者，其疏水界面促进蛋白质吸附和界面膜形成，机械应力使膜破裂释放蛋白质-硅油颗粒进入溶液，这些异质性聚集体可能增强Fcγ受体结合和巨噬细胞活化。

配方相关变量同样重要。表面活性剂（PS80、PS20、P188）通过竞争性吸附于气-水、油-水和硅油界面减少聚集，但其保护效果受其他因素制约。在硅油界面，PS通常比P188更具保护性，但PS可能降解为FFAs和过氧化物。离子强度和pH通过静电作用调节吸附，NaCl既可提高也可降低颗粒形成。蔗糖通过优先排阻稳定天然构象，但可能同时改变表面张力和硅滴行为而产生混合效应。

容器几何形状和顶空的存在强烈影响聚集。气-液-固界面在输液袋中和搅拌过程中产生，可加速吸附和聚集体形成。搅拌与硅油的组合可协同放大蛋白质损失。环境应激如搅拌、机械冲击、空化和高温进一步加剧不稳定性。值得注意的是，医院内操作本身就是机械和界面应力的来源，自动化配药系统、气动管道传输等环节产生的剪切和动态更新的气-液界面很少在稳定性方案中被重现。

研究人员提出了一个实用的风险因素层级：大多数处理过的蛋白质溶液中界面应力的主导来源是气-水界面，容器主要在引入额外疏水界面或反应性浸出物时才成为主要贡献者。因此，控制制备过程中的空气进入和界面更新对大多数分子具有保护作用，而容器特异性控制则应在容器或其浸出物本身是近因时才重点实施。

在临床和监管意义方面，蛋白质-容器相互作用的临床相关性需谨慎评估。在大多数治疗场景中，可测量的蛋白质向容器表面的损失并不构成临床限制，因为给药量远高于吸附量。蛋白质损失主要在首次人体试验或极低剂量高效价产品中才具有临床意义。更普遍的临床关切是颗粒形成，但即使对于颗粒，容器-蛋白质相互作用也常常不是主导驱动因素。最好的例外情况包括预填充注射器和胶塞中的硅油、从塑化PVC中浸出的DEHP纳米滴以及P188/PDMS颗粒系统。依泊汀/抗EPO案例是浸出物驱动的临床后果性事件的典型代表，不应泛化至常规操作。监管机构建议在临床相关处理、储存和给药条件下评估蛋白质产品。本综述的结果强化了这一观点，并明确了重点投入方向：稳健的材料选择、分子特异性配方优化以及涵盖从制造到医院内全程的真实应力测试。