纯化生物产品的得率是如何计算的

2025年04月08日 00:03

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生物药物的提取纯化技术

第一节概述
一、生物药物的特点及纯化方法
许多生物药物具有生物活性，其稳定性受pH,一温度、离子强终提取过程所使用的溶剂和表面活性剂、金属离子等方面的严件物药物对剪切力很敏感，分子量越大，其稳定性就越差，在甘离纯化过程中，条件就应当越温和。一些组分的浓度非常低。但是生物药物产品的纯度却要求很高，含量要达到95%甚至98%以上。结晶态产品最好，药物还应具有正常的颜色、稳定性和溶解速率。
生物药物的制备，如蛋白质制备，涉及物理、化学和生物学知识。其主要原理有两个方面：一是利用混合物中组分分配率差别，把它们分配于可机械分离的两个或几个物相中，如盐析、有机溶剂提取、层析和结晶等；二是将混合物置于单一物相中，经物理力场作用使各组分分配于不同区域而达分离目的，如电泳、超离心、超滤等。相互分离主要利用蛋白间各种性质的微小差别,诸如分子形状、分子量大小、带电性质、溶解度、生物功能专一性等，制备方法可按这些主要因素进行分类。按分子大小和形态分差速离心、超滤、分子筛及透析等方法；按溶解度分为盐析、溶剂抽提、分配层析、逆流分配及结晶等；按电荷差异分为电泳、电渗析、等电点沉淀、离子交换层析及吸附层析等；按生物功能专一性有亲合层析法等。
蛋白分离纯化比较困难。需要研究目的物质的微细特征，巧妙联用各种方法并进行严密的操作，并有必要了解精制过程的精制程度和回收率。具有活性的蛋白可利用吸收光谱等物理性质或以相当于单位氮活性增加进行追踪；其他蛋白可用电泳、超离心、层析、扩散及溶解等测定纯度；不稳定蛋白，如分离SH-酶时，使用试剂及缓冲液等要确认不含重金属离子（特级试剂也需检定）。
蛋白质纯化的操作如脱盐、浓缩干燥等均与低分子物不同，须经独特的繁琐操作。
提纯蛋白和酶时常混有核酸或多糖，一般可用专一性酶解、有机溶剂抽取及选择性部分沉淀等法处理。小分子物质常在制备中经多次液相与固相转化被分离或最后用透析法除去。而同类物质分离，情况则复杂得多。主要采用盐析、有机溶剂沉淀，等电点沉淀、吸附、结晶、电泳、超离心及柱层析法等。其中，盐析、等电点及结晶法用于蛋白质和酶的提纯较多；有机溶剂抽提和沉淀用于核酸提纯较多；柱层析、梯度离心对蛋白和核酸的提纯应用十分广泛。
蛋白分离纯化方法很多。 Bonnerjea 等人对有关蛋白和酶的分离纯化方法及其特征进行了分析，发现主要有10种方法，它们的出现频率为：

离子交换 75%
亲和过程 60%
沉淀 57%
凝胶过滤 50%
其它 <33%

目前尚无一种方法可用以纯化各种蛋白质，但每种蛋白质都可设法分离纯化。选择纯化方法，需要考虑到纯度、活性、得率等。
二、提取纯化的单元操作和基本工艺流程
生物药物的提取和纯化可分为5个主要步骤：预处理、固液尹离产缩、纯化和产品定型（干燥，制丸，挤压，造粒，制片）每一步骤都可采用各种单元操作。在提取纯化过程中，要尽可能减少操作步骤，因为每一操作步骤都不可避免带来损失。操作步骤多，总收率就会下降。生物药物提取工艺流程的基本模式如1-1所示。根据主要分离因素排列的单元分离范围见图1-2。

图1-1 生物药物提取工艺流程的基本模式
表1-1根据主要分离因素排列的单元分离范围

三、提取纯化单元操作技术的特点
现代生物制药领域提取纯化技术的进步得益于生化分析分离技术开拓性工作的成果汾离纯化技术的特点之一是各种技术产互交叉，新型的分离纯化方法不断涌现。如沉淀技术和亲和技梦相结合•形成了亲和沉淀技术；超滤和亲和技术相结合，形成了严和超滤技术；萃取与载体膜相结合，形成了液膜载体萃取法。这种新方法取长补短，使分离纯化过程更加科学合理、快速有效、经济实用。尽管有些方法仍处于实验室的试验阶段，要用于工业规模还需要进一步探索，有的甚至没有实用价值，但都可为今后的产展提供新的思路。
生物药物提取纯化技术的另一特点是注重新材料的研制开发如膜分离介质，层析介质，亲和配基，新型萃取剂等在最近几年来发展非常快。提取纯化设备方面推陈出新，在设备的计算机控制及生产自动化，连续化及GMP规范化等方面取得很大的成就。
膜过滤技术发展很快，分为微滤、超滤和纳滤，不仅用于细胞的分离，还用于蛋白质的浓缩。超滤技术的主要特点是节能，对生物大分子类药物无破坏作用。液一液萃取广泛应用于抗生素及小分子量药物的提取。溶剂选择的余地大，且易实现大规模生产。高速离心式液体萃取机是目前效率最高，使用最广的装置。液一液萃取技术还衍生出许多新的萃取技术，如双水相萃取，亲和萃取，超临界萃取等。双水相萃取蛋白质类药物是大规模提取高纯度蛋白质类药物的有效技术。而超临界界萃取利用超临界流体的物理特性，即通过压力和温度的改变控制溶质在溶剂中的分子扩散能助，控制溶质的溶解度，从而实现分离。
层析（色谱）技术是最近几十年来发展最快的纯化技术。层析装置的种类很多，且分离纯化机理也各不相同，适应于许多药物产品的分离纯化。离子交换色谱是应用最广，且易于实现大规模生产的方法。应用于抗生素、氨基酸、核昔酸、蛋白质的提取和纯化。分子筛层析根据分子量大小不同的原理，适应于蛋白质类药物的纯化。层析分离技术的最高层次当属基于分子识别的技术如亲和层析。这一技术已衍生出一大批新的技术，如免疫亲和层析、染料亲和层析、金属离子鳌合层析。疏水性层析是基于分子的疏水性能来分离纯化的。高效液相色谱法本是分析化学的常用手段，现已将其扩展到生物药物的分离纯化的应用中。有些设备仅可进行分析，有的还可用于分离纯化，在新药开发的过程中，缩短了分离纯化所需时间。
与层析技术同步发展的各种分离介质是层析分离的技术保障，商品化的预装柱、缓冲剂、计算机程序控制还使操作变得简单易学。置换层析与洗脱层析不同，是指吸附在层析柱上的一种组分被另一种置换剂（与层析上的介质的亲和力大于原被吸附的组分）置换出层析柱的层析技术。该技术有上样量高，分辨率高的特点。被分离的样品在分离过程中还有浓缩作用。
总之，随着科技的发展，新的分离、提取、纯化技术还将不断得到改进。

四、提取纯化的工艺论证
我国1992年修订了GMP,要求从1993年3月1日以后新建或改建的药厂，均要符合GMP的要求。1994年开始了各项验证，其中工艺论证是关键的一个不可缺少的组成部分．产品的纯化是生产过程中关键的一步。这涉及到药物的质量。所谓工艺验证，就是通过系统的方法得到关于生产工艺的书面材料，证明并保证生产过程能始终如一地生产出特定的高质量的产品。提取纯化处理工艺验证的范围包括：厂房设施、工程仪表、机械设备、生产环境、工艺条件、计算机软件、介质、原材料、半成品、成品、操作人员素质和测试方法等。以上各个部分都要有验证材料或试验数据，根据这些材料和数据写出验证报告。当工艺的某一部分有较大变动时（如大修、工艺条件变化），要进行重新验证，即再验证．再验证是针对某一部分的行动，而不是整个工艺过程的验证．因此比较简单、快速、易行。验证的实施过程包括以下步骤：提出验证要求，组织验证小组，制定验证方案，实施验证试验，写出验证报告，再验证等。
现以生物制药纯化最常用的层析工艺为例，说明验证试验的过程。首先对层析设备进行安装验证，即在不通电源的情况下，根具设备说明书查看安装是否正确，并对接线、管路连接、安放地点、输人电压等逐项检查，无误后，再进行运转试验．接通电源后，观察电机、泵、监测器、信号系统、阀、压力、温度等是否正常．泵的输出流量要经过校正，监测波长也要校正，运转3-5次后，未见漏液、气泡等，一切正常，方可正式运转。层析柱是整个层析工艺的关键设备，要根据出厂标准，逐项验证，如载体外观、颗粒大小（用显微镜测量）、柱效率、分辨率、回收率、有无污染等．如更变层析柱或层析柱填料，要对新层析柱进行重新验证。总之，工艺验证是一项技术性很强，无固定章程可循，既费力，又耗时、耗材的工作．
高科技生物药物的生产工厂，已有“交钥匙工程”。所谓交钥匙工程，就是将整个工厂组装在高强度的，便于运输的钢制建筑结构内，整个建筑要达到洁净标准，所有的生产设备和公用设施都安装到位。在用户在场的情况下，要对整个工厂进行发货前的试运转及鉴定。然后，整个工厂的生产设备和公用设施直接运输到用户的厂址，在各车间组装后，与当地的水、电、下水道等系统及仓库对接，立即就可以投人生产。

五、生物药物生产的屏蔽防护技术
(Containment technology)
一些药物，如抗癌药，往往对生物活细胞具有毒性，因此必须对中试或大生产的全过程设置屏蔽防护装置．1984年，Flickinger等就提出了中试和生产规模细胞毒素剂的安全生产装置的设计概念，其基本要求是：人员进出口要加以控制；在工作场所保持负压（一级、二级或三级生物密封室）：空气的排放必须通过HEPA过胜器；对有烟雾产生的设备要有附加的屏蔽防护装置；有适当的个人防护措施；生产过程中所排放的废物要有生物学或化学的除污方法；对工作人员进行医疗监测；环境监测。

六、纯化工艺过程的质量控制
生物药物纯化工艺技术要求高，应尽可能选用高质量的设备，并要求有清洁的各级GMP厂房。纯化方法的设计应考虑到尽可能去除污染病毒、核酸、宿主细胞杂蛋白、糖及其他杂质；要防止纯化过程中带人有害物质．如采用柱层析技术纯化，应提供填料的质量认证证明(IS09001证书），并证实从柱上不会掉下有害物质。样品上样前应除热原质等。若用亲和层析技术（以单克隆抗体品作为配基），应有检测可能污染此类外源性物质的方法，不应含有可测出的异种免疫球蛋白，柱层析配制溶液用水一律用超纯水(Milli Q水）。
关于纯度的要求，可视产品的来源、用途和用法而制定，例如经反复多次使用的真核细胞表达的制品，要求纯度达到98％以上；多次使用的原核细胞表达的制品要达95％以上；外用制品的纯度可降低要求。用于健康人群或用于重症患者，对纯度要求各不相同．
纯化工艺的每一步均应测定纯度，计算提纯倍数收率等。纯化工艺过程中应尽量避免加人对人体有害的物质，若不得不加人，应设法除尽；并在最终产品中检测残留量，残留量应远远低于危害剂量，还要考虑到多次使用的积蓄作用。
附：基因工程α一型干扰素制备及质，控制要点
干扰素是一组多功能的细胞因子，分为干扰素α、干扰素β、和干扰素γ。干扰素α为多基因产物。分为许多亚型，都是由许多氨基酸残基组成的多肤。人干扰素γ是一种免疫干扰素，是由100多个氨基酸残基组成的多肽，天然产品是一种糖蛋白，两处有糖基化位点．
发酵后可用离心法或其他方法收集菌体，要求尽可能缩小操作的范围，凡接触过菌液的用具，如离心杯、转头和玻璃器皿等应浸泡新洁尔灭杀菌1h以上，才可清洗。离心后的废弃液经杀菌后才能倒人下水道。收获的菌种如在24h内破菌裂解，可放在4-80C,否则应冻存于_30'C以下的冰箱中，在一300C保存的菌体可使用6个月。将收获的菌体用适当的缓冲液做成所需浓度的均匀悬液，可用物理、化学或生物学方法进行裂解，裂解后的菌液，可用高速离心沉淀或其他适当方法分离，上清液即为粗制干扰素。不得用对人体有害的化学试剂裂解菌体，用加酶或其他蛋白裂解菌体时，应在半成品内证明此种蛋白的含量在允许的范围内，对制品安全及效果没有影响，并提供检测方法．
浓缩与纯化方法应能去除绝大部分非干扰素物质。一般要用不同原理多步骤的纯化方法，并使干扰素浓缩至一定程度，应详细说明浓缩纯化的全过程。在纯化过程中不得加人对人体有害的物质，加入的物质应能在以后的纯化过程中被去除或证明其浓度在允许的范围内，不得影响制品的安全与效果。如用异种抗体亲和层析纯化，应说明其来源及纯度，并提供此种抗体微量IgG的检测方法，在半成品检定中应测定IgG的含量，并确定允许浓度。制备注射用制品时浓缩纯化过程应特别注意去除热原质，并采取措施防止溶液、试剂和容器污染，而造成制品热原质增加。
浓缩纯化最后所得的纯化干扰素即为“半成品原液”，取样供作纯度检定后，立即加人人白蛋白，使其最终含量为2％，称为加“白蛋白半成品”，取样测定干扰素效价，保存在一300C,应尽量避免冻融，直到制剂配制时才取出融化、合并、离心、除菌过滤、制备成品，“加白蛋白半成品”在一300C下保存不得超过半年。
制剂配制：除菌过滤采用0.3μm薄膜，过滤后样品应做无菌试验，并取样测定干扰素效价，根据除菌样品的效价测定结果，将让述无菌试验合格的“加白蛋白半成品”用无菌的2 %白蛋白缓冲液稀释至所需浓度，不得加防腐剂，稀释后的“加白蛋白半成品”需做热原测定、效价测定和无菌试验。
冷冻干燥：冻干工艺应不损害干扰素的活性，并使冻干后制品的水分达到一定的标准。
基因工程干扰素分注射用和外用两种．其质量标准不同，应分别予以规定。每种制品又分为半成品和成品检定．

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