《Advanced Drug Delivery Reviews》：Challenges and developments in the manufacturing of high-concentration biotherapeutic monoclonal antibodies
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这篇综述聚焦于高浓度单克隆抗体（HC-mAb）药物制剂在产业化过程中的核心挑战。文章系统性地分析了高浓度带来的溶液性质（如黏度、渗透压）变化，并详细探讨了由此引发的下游制造难题（如超滤/渗滤、灌装），重点梳理了近年来（2019–2025）的最新解决方案与技术进展，为相关药物开发提供了关键参考。
单克隆抗体（mAb）已成为现代医学中最重要的治疗产品之一。与静脉输注相比，皮下注射能显著提高患者便利性，但这要求药物在有限的注射体积（通常≤1毫升）内递送高治疗剂量。这一需求推动了高浓度单克隆抗体（HC-mAb，通常为50-200 mg/mL）制剂的发展。尽管临床和商业上取得了成功，但HC-mAb的制造在从上游生产到最终制剂和递送的整个过程中都面临着复杂挑战，其中大部分挑战源于高浓度带来的独特溶液物理性质变化。
高浓度下蛋白质的物理性质
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2.1. 黏度
高浓度抗体溶液最显著的障碍是其黏度急剧增加，且通常表现出复杂的非牛顿流体特性。这主要归因于显著的蛋白质-蛋白质相互作用（PPI）。当浓度达到100-200 mg/mL时，黏度从低浓度时的1-3厘泊（cP）呈指数级上升至5-50 cP范围。经典的黏度模型（如爱因斯坦方程）已不适用，需要更复杂的方程来描述这种非线性关系。
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2.2. 渗透压
与黏度类似，浓缩mAb的渗透压也不遵循理想的范特霍夫定律，需要用维里展开式来描述。在理解高浓度下的PPI时，渗透压和第二维里系数（B22）至关重要。虽然稀释溶液的测量提供了有价值的定性见解，但要在高浓度下进行精确预测，需要考虑电荷分布、偶极矩和构象灵活性等复杂的分子细节。
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2.3. 其他性质
HC-mAbs常表现出“自缓冲”现象，某些情况下甚至可以减少或消除对常规缓冲成分的需求。溶液密度随蛋白质浓度线性增加（100-200 mg/mL时为1.01–1.03 g/cm3）。高浓度下有效介电常数降低，这会影响静电相互作用强度，进而影响溶液黏度。
HC-mAb制造与配方过程中的挑战
传统mAb制造平台最初是为浓度显著低于50–100 mg/mL的条件设计的。因此，需要大量修改操作以适应HC-mAb，每个单元操作都存在必须单独应对的独特挑战。
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3.1. 超滤和渗滤（UF/DF）
UF/DF是mAb配方中的关键步骤，用于缓冲液置换和将药物物质浓缩至所需浓度。在挑战性条件下，UF/DF步骤的最佳设计涉及平衡其不同的性能属性——在仔细权衡通量、压力和污染风险的同时最大化产物回收率。
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通量性能下降：在HC-mAb处理中，由于膜污染加剧、浓度极化和渗透压升高，通量显著下降。这延长了处理时间并增加了膜面积需求，从而提高了成本。应对策略是保持通量接近所谓的“拐点”，在不过度触发极化和污染的情况下实现最大吞吐量。
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浓度极化加剧：这是高浓度配方中限制通量和生产率的主要因素，可以通过优化流道几何形状、增强流动分布或使用湍流促进器（如网状间隔物）来有效控制。
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pH和辅料漂移：在HC-mAb配方过程中，辅料成分和缓冲液pH值可能显著偏离预期值，这主要归因于吉布斯-道南效应和体积排除效应。完全消除这一现象很困难，但可以通过数学模型结合在线pH监测工具来有效缓解。
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膜污染加速：膜污染是一个复杂的、多阶段的现象，在较高抗体浓度下更为显著。多种因素促使其发生，包括蛋白质在膜孔上的初始吸附，以及随后在表面形成多孔凝胶或滤饼层。需要采取综合策略来应对，包括选择缓冲液成分以减少进料中的聚集体水平，选择合适的膜化学性质，以及在规定的限度内操作。
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渗透压挑战：膜表面积累的mAb会增加渗透压，从而直接抵消施加的液压驱动力，降低有效渗透通量。准确预测渗透压，从而预测有效跨膜压，需要详细了解mAb的电荷、等电点以及与缓冲离子的相互作用。
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工艺经济性：与HC-mAb处理相关的技术挑战最终会影响制造成本。黏度增加会延长处理时间并造成工艺瓶颈，通过更高的设施开销、更大的缓冲液消耗、更短的膜使用周期以及为泵送粘性流体增加的能源来增加运营成本。
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单次切向流过滤（SPTFF）用于HC-mAb处理：单次切向流过滤（SPTFF）是一项技术进步，可应用于批量TFF系统，以克服HC-mAb制造过程中遇到的问题。其核心设计能够通过单次连续通过扩展流路，在更充分利用时空的环境中进行浓缩和缓冲液交换。研究表明，SPTFF可以将HC-mAb浓度有效提升至225 g/L。与需要大罐进行再循环、处理时间长、产品反复承受剪切力的传统批量模式TFF系统相比，SPTFF解决了HC-mAb配方中极端黏度的核心挑战。
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超滤的替代方案：正向渗透（FO）作为一种创新的替代技术出现，用于生产浓缩的mAb。与水压驱动的膜工艺相比，该方法在膜的另一侧使用汲取液，从而产生自然渗透压梯度，促进水从进料侧向汲取液侧移动。这种化学（渗透）驱动力消除了对高压泵送的需求，从而减少了剪切应力，并减轻了传统水力过滤方法中出现的相关问题。
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3.2. 混合与均质化问题
HC-mAb的高黏度可能导致传统的混合策略效率低下，因为它会减缓传质和流体循环，从而导致持续的局部浓度梯度形成。总体而言，这种不完全的混合会导致产物差异、局部过饱和甚至聚集。从工程角度来看，HC-mAb需要在混合过程中精确平衡功率输入和剪切应力。优化叶轮设计至关重要，选择更合适的几何形状（如斜叶或螺旋带式叶轮）有助于在减少高剪切区域的同时实现充分的整体流动。
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3.3. 灌装工艺
灌装工艺是将制造出的药物最终过滤并包装成精确剂量的最后阶段。HC-mAb的高黏度会影响该过程中的常见操作，如泵送、混合和过滤，导致蛋白质聚集和亚可见颗粒形成。从手动灌装方法过渡到先进的自动化和机器人技术可以作为应对这些挑战的缓解策略。数字化工作，包括人工智能和工业物联网的应用，通过促进增强的过程控制和消除人为错误，正在改变工作流程。
创新的容器密封系统可以解决玻璃灌装小瓶固有的脆弱性问题。环烯烃聚合物系统为低温储存提供了一个可行的替代方案，具有抗断裂性、与生物药品相互作用最小以及保持容器密封完整性等优点。创新的卡扣式闭合装置是实现更安全密封机制的一种方式，它消除了传统压盖的必要性，从而最大限度地减少了污染担忧、颗粒产生和产品降解。
选择低剪切泵、设计流体传输管路以减少压降、以及优化混合工艺以确保均一性而不产生过度的界面应力，可能是此步骤的一些潜在缓解方案。
