生物制药分析的驱动力和当前趋势

蛋白质和其他化合物的准确表征是生物制药开发成功的主要决定因素。通过分析技术获得的分子见解指导整个药物发现和开发过程，从候选筛选和在体外代谢研究，生物工艺优化和药物释放试验。¹灵敏的分析技术对于回答有关复杂生物治疗药物和相关杂质的结构和活性的关键问题至关重要。为了满足生物制药研发的多样化和不断增长的需求，广泛的分析工具不断发展。

生物制药分析是研发各个阶段的核心

在早期发现阶段，分离和分析技术用于确定有希望的药物靶点和具有最高治疗潜力的候选药物。在第一阶段试验期间，分析工具有助于产品安全性评估，并支持相对小规模的生产。最终，生物工艺将被升级以满足商业需求，并根据监管要求进行定义。人们有强烈的动机尽早升级，以最大限度地降低成本，并对最终产品与关键试验中使用的产品的可比性有更大的信心。²

随着质谱(MS)的重大进步，在生物工艺和配方工艺开发的同时进行详细的产品表征现在是普遍的做法。^3. 卡罗尔·罗宾逊夫人 牛津大学化学系教授，预计这种描述的标准将变得越来越苛刻:“我们预计，在未来几年，常规定义修饰和粘附在蛋白质上的小分子将是至关重要的，因为这些特性可能会影响临床试验的结果。”随着深度表征能力的高度相关，同样的技术在学术和工业环境中都很常见。为了更好地说明不同的分析技术如何应用于生物制药行业，表1列出了一些例子。

研究或发展阶段	分析技术	应用程序
药物靶点表征	本机女士	阐明膜蛋白化学计量学和配体结合相互作用4
研究大蛋白复合物的功能	高分辨率质谱结合光晕亲和捕获和化学交联	捕获大型蛋白质复合体中相邻表面的信息5
单克隆抗体制备方法研究	自动化高通量流式细胞仪	鉴定产生单克隆抗体的杂交瘤细胞6
生物治疗候选者的选择	表面等离子体共振	确定抗体结合的亲和力，以选择最佳的抗体-药物偶联物7
了解药物代谢和药代动力学	液相色谱和质谱(LC-MS)	检测代谢物并表征其结构8
工艺开发过程中的净化优化	本机女士	鉴定可能与蛋白质样品共纯化的配体4
质量控制	核酸扩增技术	检测CAR(嵌合抗原受体)-T细胞中的支原体9

表1。在生物制药研发中应用分析技术的机会。

生物制药技术发展的驱动力

今天的分析方法已经被量化和表征复杂蛋白质疗法的需求所塑造，这代表着越来越多的市场份额。¹⁰蛋白质疗法是高度异构的;这在很大程度上可以归因于由 翻译修饰 (PTM)包括磷酸化、糖基化和去酰胺化。虽然从质量控制(QC)的角度来看，一些pms是可以接受的，但其他pms会显著影响产品的功效和免疫原性，必须在制造过程中进行监控。自底向上的肽作图方法已被用于检测生物制药的初级结构，通过紫外线检测和/或质谱技术消化、分离和分析蛋白质或肽。¹¹

然而，要了解蛋白质的特性，不仅仅是研究蛋白质本身;其他与蛋白质结合的配体是蛋白质功能的潜在调节因子。与她的同事们一起，Dame Robinson开发了一种自上而下的方法，在同一实验中，在同一蛋白质组合中定义小分子和非常大的蛋白质复合物。⁴这种方法被称为“原生组学”，将“组学”分析与原生MS结合起来，并能够发现配体没有需要有配体化学的先验知识。“通过将蛋白质和配体一起引入质谱仪的气相，我们保持了蛋白质和配体之间的基本联系，”Dame Robinson解释道。“没有使用溶液相分离。相反，我们使用MS功能来激活复合物，并进行多轮MS/MS来释放配体，以便在数据库中进行碎片化和识别。”的 原生MS的新方法 提供了丰富和高分辨率的蛋白质复合物视图，并拥有许多潜在的应用。

酶分析用等温滴定量热法

酶是一种具有生物催化剂功能的蛋白质，在生物体内发生的生化过程中起着至关重要的作用。了解酶的功能，以及如何激活或抑制它们的活性，是生物化学家的核心研究重点，具有广泛的应用。等温滴定量热法(ITC)是本文采用的关键技术。下载本白皮书及科技简报，深入了解创新科技署及其应用。

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连续生产对速度的要求

在降低制造成本的压力下，在管道的各个阶段都产生了对高通量技术的需求。全自动高通量流式细胞仪¹²以及机器学习支持的图像分析¹³是否已经出现支持高吞吐量需求的技术的例子 转向表型筛选 ．在生物制药生产中， 马西莫Morbidelli 米兰理工大学(Polytechnic University of Milan)教授、前联邦理工学院(ETH Zürich)教授马蒂内(rotti)见证了持续制造工艺的缓慢但不断增长。与补料分批处理相比，连续处理包括不断收获产品和更新细胞培养基。

在苏黎世瑞士联邦理工学院工作的25年即将结束时，Morbidelli和他的同事报告了一种从不稳定细胞系中生产聚合敏感抗体的数字化和自动化端到端集成过程。¹⁴灌注生物反应器和捕获步骤都是连续运行的，在受到干扰和漂移时表现出稳健的性能。莫比德利说:“现在是进行这种转变的时候了。”他在书中列举了连续生物反应器的许多好处最近的刊物包括:更大的经济效益，更高的净化效率和更均匀的产品质量。

Morbidelli是连续处理书籍的合著者^{15 - 16岁}他解释了为什么快速分析如此重要:“从概念上讲，通过批处理，你可以在处理数据时把所有事情放在一边，从而获得所需的所有时间来进行分析。如果使用连续处理，如果你花一个小时进行分析，这个过程将持续一个小时。”在这种情况下，对生物过程参数进行必要的改变可能为时已晚，Morbidelli列出了他预计将因此变得更有价值的技术:“光谱技术提供了非常快速的响应，对连续(处理)变得更加重要——因为它们为游戏带来了快速响应的能力。特别是拉曼光谱、紫外光谱和近红外光谱将变得尤为重要。”罗宾逊夫人也清楚地意识到快速分析的必要性，并设想了原生组学在这一领域的一席之地:“尽管还没有准备好进行连续处理，但原生组学将对生物分子的QC至关重要，特别是那些含有可能损害其功能的小分子，”她说。

联机和在线过程分析的兴起

考虑到在连续处理过程中需要快速反馈，Morbidelli预测未来将更加强调在线和在线技术，并概述了每种不同方法背后的一般概念:

• 离线意味着你拿着样本，走进隔壁的另一个实验室，进行分析实验(即通过人工干预和间断的样本制备和分析来定义)。
  
  
• 在线:当物料在单元内流动时，机器测量物料的成分。没有样品被移除;相反，测量发生在生物反应器内部。
  
  
• Atline:介于离线和在线之间，有很多细微差别。一般来说，不应该有人为干预的要求。可能会有一个自动采样装置，所以仍然有一个样本，这意味着它还没有完全上线。这可能是一种专门的高效液相色谱法，只适用于这条线，它不断地摄入样品。”

分析工作仍然是:基于质谱的分析和先进的色谱技术

在过去的二十年中，基于ms的方法已经成为核心工业工具，用于基于质量差异和肽片段分析来识别和定位修饰。通常与LC或其他色谱技术相结合，MS已成为生物治疗表征的金标准工具。¹⁷LC-MS可以与其他技术相结合，以揭示一系列定性和定量信息。¹⁸例如，LC-MS与制备离子交换色谱相结合，可以揭示ptm诱导的电荷分布变化——这是安全和监管目的的一个重要特征。¹⁹

LC-MS最初作为一种研究工具，越来越多地被生物制药开发管道所采用，并继续发展。多属性方法(MAM)是一种基于lc - ms的多肽定位方法，用于确认氨基酸序列和监测氨基酸水平上与电荷、蛋白质片段和糖基化谱相关的位点特异性修饰。MAM有望成为cGMP环境下批放行和稳定性测试的主要工具，并有潜力取代许多质量控制测试。^20. 原生多发性硬化症的最新进展 也提供了机会，以获得更深入的使分子更好的见解，同时取代其他几个步骤。“在原生组学之前，通常你必须使蛋白质变性，用有机溶剂提取小分子，并进行实验以获得小分子的结构，”Dame Robinson说。

更大的连通性是分析进步的共同主题

生物制药研发的研究人员希望从高通量技术产生的大量数据中获得更多信息，同时保持符合数据完整性法规。²¹因此，为了获得最佳效率，现代分析技术必须由能够方便数据收集、检索、共享、分析和可视化的软件支持。现代实验室越来越多地采用数字解决方案支持的分析技术，以帮助获得更深入、高分辨率的生物学见解。

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