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凍干技術對生物制劑的活性有何影響
上海繼譜醫(yī)藥凍干機，解鎖生物制劑穩(wěn)定保存新方案
凍干技術（冷凍干燥技術）對生物制劑活性的影響主要體現在**比較大限度保留活性成分**和**減少外界因素破壞**兩方面，其**優(yōu)勢源于獨特的低溫、真空環(huán)境及脫水機制。以下是具體分析： ### 一、凍干技術保留生物制劑活性的原理 #### （1）**低溫環(huán)境抑制熱損傷** - **預凍階段**：制劑被迅速降溫至**-40℃至-80℃**（遠低于多數生物分子的變性溫度），使活性成分（如蛋白質、酶、病毒顆粒等）的分子運動幾乎停滯，避免因高溫導致的**構象變化**（如蛋白質變性）或**化學鍵斷裂**（如多肽鏈水解）。 - **干燥階段**：整個過程溫度維持在**0℃以下**（一次干燥）和**20-40℃**（二次干燥），***低于傳統高溫干燥（如噴霧干燥需100℃以上），尤其適合**熱敏性生物制劑**（如疫苗、單抗）。 #### （2）**真空環(huán)境減少氧化與微生物污染** - **低氧環(huán)境**：真空度通常達**10-30Pa**，極大降低氧氣含量，抑制活性成分的**氧化降解**（如含巰基的酶易被氧化失活）。 - **微生物失活**：干燥后水分含量降至**1%-3%**（遠低于微生物生長所需的比較低水分活度0.6），細菌、***等微生物因缺乏水分無法繁殖，避免**生物污染導致的活性破壞**。 #### （3）**脫水機制避免液態(tài)損傷** - **液態(tài)制劑的潛在風險**：液態(tài)環(huán)境中，活性成分可能與水分子、輔料（如緩沖鹽）發(fā)生**氫鍵作用或離子反應**，導致聚集、沉淀或降解（如單克隆抗體的聚集現象）。 - **凍干的固態(tài)保護作用**：凍干過程中，水分子以冰晶形式直接升華，活性成分被**凍干保護劑**（如蔗糖、甘露醇）包裹形成**玻璃態(tài)基質**，固定其天然構象，防止分子間相互作用引發(fā)的失活。 ### 二、凍干技術對不同生物制劑活性的具體影響 #### （1）**蛋白質與多肽類藥物** - **案例：胰島素凍干制劑** 液態(tài)胰島素在儲存中易因二硫鍵斷裂或聚集失效，凍干后在**25℃下保存2年**，活性保留率超**95%**（傳統冷藏液態(tài)制劑保質期*1-2年，且需避免反復凍融）。 - **機制**：凍干保護劑（如甘油）通過**氫鍵替代水分子**，穩(wěn)定蛋白質表面的水化層，防止凍干過程中蛋白質分子間的直接相互作用（如疏水聚集）。 #### （2）**疫苗（病毒/細菌類）** - **案例：**mRNA疫苗凍干** 傳統mRNA疫苗需**-70℃**溫保存**，凍干后可在**2-8℃保存6個月**，甚至**室溫短期運輸**，且復溶后mRNA完整性與轉染活性無***下降。 - **機制**：凍干過程中，病毒顆粒的**脂質包膜結構**被保護劑（如海藻糖）穩(wěn)定，避免低溫冷凍導致的膜破裂或抗原表位暴露。 #### （3）**酶制劑** - **案例：溶菌酶凍干制劑** 液態(tài)溶菌酶在室溫下活性半衰期***7天**，凍干后在**37℃下保存3個月**，活性保留率仍達**85%**以上（因凍干減少了酶與底物或雜質的接觸機會）。 - **關鍵因素**：凍干工藝中的**冷卻速率**（快速凍結可形成細小冰晶，減少對酶結構的機械損傷）和**二次干燥溫度**（避免酶在殘留水分中緩慢水解）。 #### （4）**細胞與基因***產品** - **案例：CAR-T細胞凍干** 傳統凍存需添加** DMSO等保護劑**，可能引發(fā)細胞毒性；凍干技術通過**無血清凍干配方**，使CAR-T細胞復蘇后**存活率超90%**，且抗原識別能力與擴增能力保持穩(wěn)定。 - **創(chuàng)新點**：采用**玻璃化凍干技術**（超快速降溫避免冰晶形成），減少細胞內水分結晶對細胞膜的損傷。 ### 三、影響凍干后活性的關鍵工藝參數 若凍干工藝不當，仍可能導致部分活性損失，需重點控制以下參數： | **參數** | **對活性的影響** | **優(yōu)化目標** | |------------------|-------------------------------------------------------------------------------|-------------------------------------| | **預凍速率** | 慢凍（如0.5℃/min）易形成大冰晶，刺破細胞或生物大分子結構；快凍（如10℃/min）形成細小冰晶，減少損傷。 | 針對不同制劑優(yōu)化凍結速率（如病毒類需快凍）。 | | **真空度** | 真空度不足（如＞50Pa）會延長干燥時間，導致活性成分在高溫下暴露更久。 | 維持真空度≤30Pa，加速水分升華。 | | **干燥時間** | 二次干燥過度（如溫度過高、時間過長）可能導致保護劑結晶，破壞活性成分結構。 | 通過**差示掃描量熱法（DSC）**確定比較好干燥終點。 | | **保護劑配方** | 保護劑種類（如單糖vs.多糖）和濃度不當可能無法有效穩(wěn)定活性成分。 | 篩選與制劑適配的保護劑組合（如蛋白質常用蔗糖+組氨酸）。 | ### 四、與其他保存技術的活性保留對比 | **保存技術** | **典型條件** | **活性保留率（1年）** | **適用場景** | **局限性** | |----------------|--------------------|-----------------------|------------------------------|------------------------------| | **凍干技術** | 室溫（25℃） | 90%-95% | 長期存儲、常溫運輸 | 工藝復雜、成本較高 | | **傳統冷凍** | -20℃或-80℃ | 85%-90% | 實驗室短期保存 | 依賴冷鏈、凍融可能損傷活性 | | **噴霧干燥** | 進風溫度150-200℃ | 60%-75% | 熱穩(wěn)定性較好的小分子藥物 | 高溫易導致生物大分子失活 | | **液態(tài)冷藏** | 2-8℃ | 80%-85% | 短期使用（如醫(yī)院藥房） | 需冷鏈、保質期短 | ### 五、總結 凍干技術通過**低溫、真空、脫水**的三重保護機制，成為目前**保留生物制劑活性***的技術之一**，尤其適用于熱敏性、易降解的**生物藥（如疫苗、單抗、細胞***產品）。其**優(yōu)勢在于**模擬天然干燥環(huán)境**，避免傳統液態(tài)保存或高溫處理對活性成分的破壞，同時賦予制劑更長的保質期和更靈活的儲運條件。未來，隨著凍干工藝的智能化優(yōu)化（如AI預測比較好凍干曲線）和新型保護劑的開發(fā)，生物制劑的活性保留率有望進一步提升至**98%以上**，推動精細醫(yī)療和全球公共衛(wèi)生領域的發(fā)展。
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