疫苗工艺技术十年的进展

2024-06-17

疫苗信使RNA并购

在过去的十年中，疫苗发现和开发的新方法已经改变了这个领域。COVID-19大流行期间的进步使得每年能够生产数十亿剂疫苗，这些疫苗使用了信使RNA和病毒载体等新型平台。分析工具箱、设备和生物工艺技术的进步使得疫苗开发的速度和生产规模都达到了前所未有的水平。大分子结构-功能表征技术，结合改进的建模和数据分析，能够在单粒子分辨率下定量评估疫苗配方，并指导疫苗药物物质和药物产品的设计。这些进步在精确评估新型平台交付的疫苗的关键质量属性方面发挥了重要作用。无标记和免疫分析技术的创新有助于抗原位点的表征和稳健体外效力测定方法的开发。这些方法，连同诸如下一代测序的分子技术，将加速所有平台交付的疫苗的特性鉴定和释放。用于实时监测和优化过程步骤的过程分析技术使实施按设计质量原则和加快疫苗产品的释放成为可能。在未来十年中，疫苗发现和开发领域将继续进步，汇集新技术、方法和平台，以改善人类健康。 1、引言 2012年，在《生物技术与生物工程》上发表了题为“疫苗工艺技术”的综述，重点关注了用于生产预防多种人类传染病疫苗的各种技术。在过去的十年中，该领域取得了巨大进步，部分原因是由于投入到开发安全有效COVID-19疫苗的资源大幅增加。这一密集努力的一个意外结果是新型疫苗平台的引入和优先考虑，特别是信使RNA（mRNA）和复制缺陷腺病毒，而非更传统的方法，如使用蛋白质抗原作为疫苗。在过去的10年中，DNA和RNA疫苗取得了巨大进步，这些疫苗本身并不包含感兴趣的抗原，而是携带了宿主自身细胞产生抗原的指令。病毒载体和mRNA脂质纳米颗粒（LNP）疫苗就属于这一类。自2012年以来，已有10种新型病毒载体疫苗和2种mRNA-LNP疫苗获得批准（表1）。自2012年综述以来，还批准了许多其他重要的疫苗。Fluelvax®，首个使用细胞培养技术生产的流感季节性疫苗，于2012年在美国推出（诺华，现为Seqiris）。Fluelvax工艺使用悬浮MDCK细胞培养作为病毒扩增的基质，而不是鸡蛋。该疫苗最初在2007年以OptaFlu的形式在欧洲获得批准。一年后，美国食品药品监督管理局（FDA）批准了Flublok®，这是一种使用杆状病毒表达系统生产的昆虫细胞重组流感疫苗（Protein Sciences Corporation，2017年被赛诺菲收购）。该疫苗在2016年从三价变为四价，并在2020年获得了欧洲药品管理局（EMA）的批准。Flublok®利用重组表达的血凝素（HA）蛋白，与选定的菌株完全匹配，避免了病毒适应鸡蛋或细胞培养导致抗原漂移的潜在问题。 2017年，FDA批准了GSK的带状疱疹（HZ，shingles）疫苗Shingrix，用于50岁及以上成人。该疫苗是在CHO细胞中生产的重组糖蛋白抗原，并冻干，另外还有一瓶AS01B佐剂液体悬浮液用于重组。疫苗悬浮液含有50微克的重组水痘-带状疱疹病毒（VZV）糖蛋白E，通过两种佐剂增强了免疫原性：基于脂质体的AS01B佐剂系统含有50微克的3-O-去酰基-4'-单磷酸脂质A（MPL）和50微克的Quillaja saponaria Molina，分数21（Shingrix [产品说明书]，2023）。同样在2017年，Dynavax获得了FDA对其乙型肝炎疫苗Heplisav-B的批准，该疫苗含有新型的胞嘧啶磷鸟苷（CpG）1018®佐剂和重组蛋白亚单位抗原。该产品在2019年在欧洲获得批准。CpG 1018®佐剂是一种修饰的骨架寡核苷酸，模仿细菌和病毒DNA以刺激先天免疫系统。2019年，FDA批准了JYNNEOS®（Bavarian Nordic A/S），这是一种天花和猴痘疫苗，适用于18岁及以上被认为有感染高风险的成年人。JYNNEOS®是一种由MVA-BN株生产的活疫苗，是一种减毒、非复制性正痘病毒。MVA-BN在无血清介质中悬浮生长在初级CEF细胞中，不含有直接动物来源的物质，然后收获、纯化和通过几个切向流过滤（TFF）步骤浓缩，包括苯佐酶消化。为了增加疫苗供应，在2022年8月，FDA针对JYNNEOS®发布了紧急使用授权（EUA），用于18岁以下个体的皮下（s.c.）给药（0.5 mL）和18岁及以上个体的皮内（i.d.）给药（0.1 mL）。 2020年，世界卫生组织（WHO）发布了nOPV2的紧急使用清单（EUL），作为全球脊髓灰质炎根除战略的一部分。该疫苗使用改良的Sabin株（nOPV2株S2/cre5/S15domV/rec1/hifi3）的活减毒脊髓灰质炎病毒2型，在非洲绿猴肾来源的Vero细胞中制备。为了减少疫苗衍生脊髓灰质炎的发生率，该疫苗具有增加的遗传稳定性和降低的重组率，这是通过在父母基因组上进行五处修改实现的，这些修改影响了V域、cre元素和RNA依赖性RNA聚合酶（Polio Global Eradication Initiative, 2021）。同样在2020年，WHO对首个Sabin灭活脊髓灰质炎疫苗脊髓灰质炎疫苗（sIPV，注射，LG Chem）进行了预认证（World Health Organization, 2020a）。该疫苗是在微载体上使用Vero细胞生产的，生产过程中不使用野生型病毒，降低了回复突变的风险。此外，细胞生长介质从含血清介质变为无动物成分介质（ACF），在病毒灭活前增加了超滤步骤，并使用了重组胰蛋白酶。最近，在2022年9月13日，美国加入了符合WHO标准的30个国家之列，这些国家有循环疫苗衍生脊髓灰质炎病毒（cVDPV）。 COVID-19大流行开始后不久的2020年初，全球超过200个疫苗候选产品中的首个进入了临床试验（McGill University Interdisciplinary Initiative in Infection and Immunity [MI4], 2022）。到那一年的12月，监管机构开始授予首个紧急使用授权（EUA）。到2023年3月，已经接种了超过130亿剂COVID-19疫苗。据估计，仅在2021年，就有超过1400万人因新疫苗而获救。许多因素促成了疫苗开发的加速，包括对新方式（mRNA和复制缺陷腺病毒）的预先投资以及政府对临床研究的大规模资助。大约40%的剂量是之前建立的全病毒灭活类型，其余的剂量平均分配在两种类型之间：mRNA-LNPs和腺病毒载体（表2）。从化学、制造和控制（CMC）的角度来看，疫苗制造和分析也取得了显著进步，以应对大流行，缩短了从证明有效性到广泛提供疫苗剂量的时间线——支持生产规模从每年数百万剂增加到数十亿剂。在这篇综述中，我们描述了在过去10年中取得的技术进步，这些进步使得开发和生产用于预防多种人类传染病的新型疫苗成为可能。其中一些进步，特别是mRNA和病毒载体递送方面的进展，也适用于治疗性癌症疫苗的新兴领域。本综述的范围涵盖了整个疫苗制造过程，从细胞培养和无细胞系统到配方、纯化、稳定性、分析以及监管环境的变化。 2、细胞培养细胞培养已被越来越多地用于疫苗制造中表达抗原（图1）。病毒表达可以在粘附细胞系或悬浮适应的细胞系中实现。 2.1 粘附细胞系历史上，由于对安全性问题的考虑，疫苗制造中使用的细胞系选择受到限制。随着时间的推移，可用的选择越来越多，特别是连续细胞系的使用；这一进展最近已经总结。粘附细胞系疫苗的一个例子是基于重组水泡性口炎病毒（rVSV）的埃博拉疫苗，rVSVΔG-ZEBOV-GP（商品名ERVEBO®）（Blue，2016），最初是作为反生物恐怖主义制剂构建和表征的。rVSV株Indiana含有一个缺失的VSV包膜糖蛋白，被扎伊尔埃博拉病毒（ZEBOV）Kikwit 1995株表面糖蛋白所取代，它是在Vero细胞中生产的（Merck & Co., 2022）。最近的创新还包括开发了各种一次性生物反应器（SUBs），具有非常大的单位体积表面积；例如，Dohogne和同事（2019）描述的生物反应器。Drugmand等人在2020年描述的固定床反应器结合了强化的连续和自动化的一次性使用生物处理方法。为脊髓灰质炎疫苗描述的例子将上游处理、下游处理和灭活联系在一起。 2.2 悬浮培养几种疫苗细胞培养应用涉及悬浮培养。对于蛋白质的生产，使用杆状病毒表达的昆虫细胞培养（Sf9）已经成功应用；例如，在大规模生产FDA批准的流感疫苗的HA蛋白。或者，用于病毒生产的宿主细胞，如Vero细胞或PER.C6细胞，可以适应悬浮培养。如果细胞培养可以适应，细胞通常可以在使用确立方法的经典搅拌罐生物反应器中培养。许多为CHO细胞培养开发的技术改进已经用于制造抗体，可以应用于疫苗制造。最近，行业从10,000-20,000升规模的不锈钢生物反应器转变为大约3000升规模的SUBs。描述了一种SARS-CoV-2 Sclamp疫苗候选物，使用CHO细胞表达，与大规模商业制造兼容，在2-8°C下稳定。当与MF59佐剂配方时，它可以引发中和抗体和T细胞反应，并在动物挑战模型中提供保护。在CHO细胞中表达的VZV的截短糖蛋白E是效果非常好的Shingrix疫苗的基础。用于疫苗的细胞培养技术可以与用于大规模制造抗体的技术非常相似。 3、微生物生产微生物发酵平台传统上被用来生产主要类别的疫苗，它们仍然至关重要。人类乳头瘤病毒（HPV）表面的L1蛋白由酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）表达，并组装成病毒样颗粒（VLPs），以创建Gardasil疫苗（Nooraei等人，2021）。乙型肝炎病毒（HBV）表面抗原由S. cerevisiae或皮奇亚酵母（Pichia pastoris）表达。基于质粒DNA的疫苗候选物通常由大肠杆菌（Escherichia coli）细菌发酵生产（Liu，2019）。肺炎球菌结合疫苗由特定的肺炎链球菌菌株表达的荚膜表面多糖（CSPs）与白喉CRM197蛋白结合而成（Javed & Mandal，2021）。一些重要的疫苗，如带状疱疹（HZ）疫苗，最初是作为减毒活病毒（LAV）疫苗，但最终被单一的重组VZV糖蛋白和佐剂系统所取代。过去十年中，在开发能够高产量生产的替代培养方面取得了进展，例如基于Thermothelomyces heterothallica（称为C1）的真菌培养的Dyadic平台。C1基础系统可以在几周内开发出表达免疫活性抗原的稳定菌株；一般来说，产量比其他成熟的系统高。C1基础系统容易扩展到工业规模，并且具有成本效益，使用标准微生物发酵反应器和廉价的培养基。一种使用C1表达技术开发的COVID-19疫苗候选物，用于制造关键的受体结合域（RBD）成分的刺突蛋白，目前正在临床评估中。麻省理工学院的研究人员开发了一种基于P. pastoris的平台，该平台完全自动化，可以用来生产各种蛋白质，包括疫苗抗原。选择这种酵母是因为它可以快速生长到高细胞密度，并具有可接受的蛋白质表达。使用高度自动化的生物反应器平台，正在进行一种轮状病毒三价疫苗候选物的生产应用，该平台包括端到端的能力。对于蛋白质抗原，技术挑战通常是以可重复的方式生产，关键表位暴露，以便它们被免疫系统识别。这对于基于VLP的疫苗尤其如此，如HPV疫苗，复杂的分析能力对成功至关重要。对于mRNA疫苗，大肠杆菌发酵仍然是生产用于体外转录（IVT）成mRNA的质粒DNA（pDNA）模板的主要方法，如Pfizer-BioNTech的Comirnaty®和Moderna的Spikevax® COVID-19 mRNA疫苗。无细胞合成pDNA正在取得进展（见无细胞合成部分），但由于酶和核苷酸/核苷的成本高昂，仍未像微生物生产那样具有成本效益。pDNA作为IVT反应的原料，所需的总量明显少于DNA疫苗，因为可以从单个线性化的pDNA模板中制造出许多mRNA拷贝。用于IVT的pDNA测序通常需要大量的重复元素（例如，聚（A）尾部），这通知了大肠杆菌菌株的选择。许多工业主力菌株最初是为了高pDNA产量而优化的，而不是pDNA保真度，但现在有各种各样的菌株能够正确复制具有重复元素的大型质粒。最近描述了一种通过将关键酶插入细菌中来制造结合疫苗的新方法。这种方法绕过了分别制造蛋白质和多糖，然后进行纯化、化学结合和重复纯化的需要。在制造规模为500-5000升的不锈钢压力容器的时代以来，发酵设备已经取得了许多创新，这些容器越来越复杂，难以自动化、清洁、验证和操作。由于建设成本高昂，发达国家只有有限数量的大型制造场所。过去十年中，微生物和细胞培养的一个重大进步是转向一次性使用（SUBs）。在一次性SUBs上进行了大量投资，允许在较小规模上制造微生物培养，通过消除清洁和消毒来增加灵活性。微生物培养常见的许多工艺条件，如压力、高气流速率、溶剂和坚固的温度控制，限制了疫苗制造中SUBs的上限规模约为3000升。图1 基于细胞的病毒疫苗制造的总结示意图。 4、无细胞合成包括蛋白质和RNA疫苗以及VLPs在内的疫苗的体外转录（IVT）已成为加速疫苗工艺开发和制造的优雅而简单的方法。图2 无细胞体外转录反应用于RNA生产。典型的反应从2-5毫升用于优化筛选（2-10毫克）开始，10-15毫升体外转录用于动物研究（25-50毫克），5-20升用于临床研究（10-50克），以及高达50-200升用于商业生产（125-500克）。IVT，体外转录。无细胞IVT始于一个线性化的DNA模板，用于在T7 RNA聚合酶酶的控制下转录复制子RNA（图2）图 3 体外转录（IVT）的mRNA结构。mRNA，信使核糖核酸 IVT反应在几小时内完成，产生如RNA这样的产品，浓度为3-5 mg/mL。对于RNA疫苗，RNA复制子的5'端（图3）缩写：COG，货物成本；IVT，体外转录；mRNA，信使RNA；sa-mRNA，自扩增mRNA。假设：一个生物反应器的反应产量为5克/升RNA IVT，产量为65%，新设施利用率为80%，活动持续时间为12个月。成本不包括交付封装。COG显示了一个范围，以涵盖不同类型的加帽和酶源供应方法。分析得到Biopharm Services Ltd Biosolve工艺成本分析工具的支持。可以通过在IVT反应中补充m7GppG帽结构类似物并保持帽分子与RNA序列的第一个核苷酸（GTP）的高摩尔比来加帽。加帽已被商业化为共转录加帽，使用CleanCap试剂。或者，mRNA可以在第二个酶促反应中加帽，使用加帽酶（VCC）和甲基供体作为底物。VCC加帽效率更高（100%），与使用帽类似物的60%-80%相比，但共转录加帽是一个更快的过程，因为它不需要第二个酶促反应步骤。在IVT结束时，添加DNA酶I酶降解DNA模板，然后添加EDTA以灭活DNA酶活性，稳定RNA产品，并减少RNA沉淀。去除包括酶、残留NTPs、DNA模板和异常mRNAs（双链[ds]RNA和截断RNA片段）在内的杂质至关重要，因为RNA纯度已被证明会影响翻译效率并改变疫苗体内免疫刺激反应。例如，通过反向相高效液相色谱（RP-HPLC）去除双链RNA（dsRNA）后，蛋白质表达增加了10-1000倍。切向流过滤（TFF）已用于IVT后RNA的广泛纯化，实现了90%-99%的纯度和90%-95%的产量。TFF还与色谱法相结合，用于去除dsRNA，如纯化部分所讨论的。对于RNA，规模可以通过一次性兼容的无RNAase系统实现，如微孔板、管子和生物反应器，包括摇摆运动或搅拌罐，如图2所示。简化的RNA制造过程使疫苗开发更快；例如，从DNA模板到首次人体试验在42天内实现SARS-CoV-2疫苗。上市时间也可以减少到不到2年的IVT RNA疫苗候选物。商业设施可以小2-3个数量级，建造时间减半，并且是原始资本成本的二十分之一。在低成本的2000万美元的设施中，可以生产10亿剂。通过使用封闭工艺，可以进一步降低设施成本，这允许在较低级别的洁净室设施中生产。虽然消除更高级别洁净室的要求既节省了能源成本，也节省了资本成本，但试剂成本在IVT过程的制造成本中占主导地位，高达96%（COGs；表3）。GMP的物料和试剂供应是一个限制因素，特别是考虑到确保酶试剂是无动物成分（ACF）和GMP级别的复杂性。减少试剂使用的方法是极其重要的；方法包括IVT后的加帽和集成的连续工艺，其中反应速率可以加速，并且可以实施试剂的再利用。也在开发自动化RNA生产系统，其中IVT反应与纯化步骤在单个封闭系统中通过机器人操作集成。图 4 脂质纳米颗粒组装工作流程同样，微流体系统已经将RNA集成到LNP生产中，用于个性化疫苗方法（图4）今天，可以使用台式系统来简化发现结构工作流程，因为寡核苷酸被组装成全长DNA或mRNA序列的10-µg规模，无需pDNA模板。将来，台式核苷酸制造系统可能是可能的。虽然单链RNA的设计结构已经很好地建立，但新的RNA治疗方式仍在不断扩展。自复制mRNA（sa-mRNA），具有高拷贝数和随后的高抗原表达，在剂量上比单链RNA低60倍。反义mRNA（taRNA）也在动物研究中建立，其中一个mRNA模板编码了复制酶，而单独的模板扩增了多个目标mRNA，同时编码不同的蛋白质。共价闭合环状RNA（circRNA）在动物模型中已经显示出连续翻译蛋白质的可行性。circRNA是从IVT线性RNA产生的，可以通过多种方法如T4 RNA连接酶或内含子剪接环化。这种稳定的封闭环结构提供了对外核糖核酸酶切割的保护，不需要5'加帽或3'聚（A）尾部，并且有潜力在室温下稳定。预计，通过计算设计指导、机械建模和人工智能（AI）工具，不仅可以改进分子设计，优化半衰期、稳定性和效力，还可以改进CMC属性，包括减少杂质。最近的工作显示，通过降低IVT Mg2+水平，以50°C的热稳定T7 RNA聚合酶进行更快的反应，并应用高盐转录策略，可以进一步提高产量和纯度。这些扩展工艺设计空间的努力可以通过扩展自动化筛选工具来支持，以实现IVT、纯化和过程分析的集成工作流的统计设计实验。除了RNA，无细胞制造已经证明了各种疫苗类型的生产，包括亚单位、结合疫苗、VLPs和膜增强疫苗。这些示例主要使用大肠杆菌裂解系统，尽管使用了包括CHO、小麦胚芽和烟草在内的一系列来源。商业上可用的试剂盒为发现和工艺开发提供了快速方法，并已证明可以扩大规模以支持临床制造。最近的一项研究应用了无细胞表达技术，成功生产了下一代24价肺炎球菌结合疫苗，与当前的标准护理相当。无细胞平台表达了增强的载体CRM蛋白序列，其中包含多种非天然氨基酸。它们位于主要T细胞表位的外部，可以进行位点特异性共价结合，有潜力改善血清型覆盖。无细胞疫苗生产的更广泛采用仍然受到限制，因为后翻译修饰的挑战、对细菌来源系统的免疫原性担忧、二硫键折叠复杂性以及扩大规模的试剂成本。预计在未来10年内，随着基于哺乳动物的裂解系统和连续系统的应用，这些将得到改进。 5、纯化在过去的十年中，疫苗的纯化继续从复杂的工作流程过渡到更加标准化和强化的方法。示例总结在图5中。图5 疫苗生产流程比较了包括传统流程在内的流程类型与未来强化/集成方法。这种关注持续推动降低成本和剂量，同时提高吞吐量和产量。在细胞收获、深层过滤、细胞裂解和过滤方面取得了逐步改进，如最近回顾所总结的。膜设计的进步促进了从离心到深层过滤，或两者的结合的过渡。可用的更高MWCO膜的扩展支持了更大病毒的浓度、缓冲液交换和杂质减少（宿主细胞蛋白[HCPs]）。继续改进单通TFF，实现了强化和连续的工作流程。病毒产品的无菌过滤在膜设计的进步中继续改进。亲和捕获色谱的选择范围不断扩大，为简化和标准化的工作流程提供了关键优势。对于病毒处理，亲和捕获的可用性在减少单元操作数量方面提供了显著优势，如图5所示。亲和配体设计的进展导致了针对病毒疫苗的高特异性和可调亲和配体，具有在温和洗脱条件下的强大杂质清除能力。商业上可用的来源，如源自骆驼单链域的Capture select AAV9，已经为一系列腺相关病毒（AAV）血清型建立了。配体设计的改进仍在继续，如使用组合化学方法的短基（5-15个氨基酸）配体和分子印迹的硅设计聚合物，用于快速配体粒子生成。对于RNA，脱氧胸苷（oligo dT）配体已成为亲和捕获方法，它与3'聚（A）尾部结合。通过结合OligodT和抛光IEX，可以有效地去除包括dsRNA在内的杂质。亲和色谱的进步使得多柱处理的效率改进得到更广泛的采用。例如，通过使用尺寸排除色谱（SEC）的两柱对流色谱，腺病毒的生产力提高了六倍，实现了86%的恢复率和90%及89%的DNA及HCP清除率。对流感病毒A的纯化应用了类似的强化方法。四元胺（QA）阴离子交换单体与模拟移动床色谱实现了89%的病毒产量，并且>98%的DNA清除。图6 色谱的扩展格式。（左图）树脂珠。功能配基被内化在树脂介质的孔隙中；这种格式由慢扩散质量传递主导，导致慢速或低分辨率的过程，对于大分子有显著的尺寸排除效应。湍流发生在树脂之间，产生涡流流动和剪切应力升高区域以及较低的产量。（中间图）膜技术，功能团固定在膜表面。大孔径允许高流速并最小化尺寸排除效应。（右图）单体格式支持具有功能化的大孔或大孔和中孔的相互连接通道。大直径通道提供对流质量输送，实现流动无关的分辨率和容量，支持快速处理。层流提供低剪切应力，为生物制剂和疫苗提供更高的产量。从传统的基于树脂珠的分离到膜和单体的对流格式的转变继续获得更广泛的应用（图6）树脂珠的扩散限制，其中大病毒颗粒难以进入珠内的配体，被对流传输膜的优势所克服，包括微孔水凝胶纳米纤维和单体格式。这些已成功应用于一系列疫苗产品，典型的恢复率为60%-90%，最小限度的杂质结合，包括99%的HCP和残留DNA（resDNA）以及5-log内毒素减少。去除的杂质包括病毒、VLPs、噬菌体、细胞外囊泡、pDNA和RNA。单体处理的效率最近通过IEX单体纯化风疹病毒悬浮液在1小时内完成，而使用树脂珠则需要>10小时。对强化工艺的追求和提高上游表达滴度重新激发了对非色谱方法的兴趣，如沉淀、水相两相提取（ATPE）和结晶。无色谱工艺有潜力将COGs降低20%-30%，并且更适用于连续加工。使用统计设计实验可以减少优化条件以最大化目标稳定性和完整性的复杂负担，pH、温度、电导率和混合物组成。典型的聚乙二醇（PEG）沉淀包括使用5% PEG和0.5 M NaCl实现的85%的甲型肝炎病毒恢复和65%的HCP减少。然后将裂解液用核酸酶处理，以防止核酸/病毒聚集体的共沉淀。mRNA沉淀已与TFF结合使用，以捕获沉淀物，并通过透析去除杂质，然后重新溶解。预计可以使用塞流或盘旋流反转反应器实现连续疫苗沉淀。 ATPE的强化，随着上游滴度的提高，涉及混合两种聚合物和亲水盐（如磷酸盐、柠檬酸盐、硫酸盐）的溶液，并可以克服历史上大量稀释提取系统的体积问题。一些最近的例子表明，使用PEG/盐组成来分离包括病毒、VLPs和细胞外囊泡在内的一系列疫苗产品是可行的，这些产品在提取的上层相中，实现了从粗裂解液中70%-99%的恢复率。展示了使用45% PEG和30%柠檬酸混合物在连续模式下，通过简单的螺旋混合器实现了99%的HIV VLP恢复和73%的DNA去除，这种方法应该可以减少大量缓冲液的使用和处理时间。尽管疫苗结晶作为纯化工具仍处于起步阶段，但一些最近的进展已经显示出引人注目的机会。例如，已经展示了一种非复制性轮状病毒疫苗候选物（VP8亚单位蛋白与破伤风毒素P2表位的融合蛋白）的结晶。在悬挂滴蒸发扩散系统中评估了晶体条件，然后使用蒸发技术进行放大。随后的抗体结合谱发现与结晶前相似。技术还扩展到了可调晶体尺寸控制的连续 Slug 流结晶。这些技术为疫苗结晶在连续生产中的应用提供了可能性。有趣的是，技术发展能在多大程度上推动目标分子的杂质清除，或者结晶是否需要与色谱或沉淀或两相提取相结合。在未来十年中，预计流程将进一步强化和集成，以实现更小的占地面积，从而提供更低成本的流程，便于全球部署。改进的技术可能导致一步色谱法和连续处理，以及单通切向流过滤和昂贵试剂回收的可持续实践，这对于RNA生产尤为重要。预计将支持非色谱工艺的技术，包括结晶，进入临床前开发。所有这些活动都将得到机械建模的支持，用于AI引导的流程开发和先进的控制策略，以支持自治操作。 6、药物产品（DP）加工大多数获批的疫苗通过肌肉内（IM）、皮下（s.c.）或皮内（i.d.）注射进行递送，还有一些获批的口服和鼻疫苗。此外，正在进行疫苗开发计划，以通过吸入将疫苗递送到肺部，以及使用微针贴片递送到真皮空间。无菌注射DP制造包括混合（配方）、灭菌过滤（大多数情况下）、填充小瓶或预充填注射器、视觉检查、贴标签和包装（即填充-完成）。一些疫苗在填充后的最终容器中进行冷冻干燥（冻干）。结合疫苗需要将抗原与载体蛋白结合。最后，可能需要一些工艺步骤来结合一些疫苗的佐剂。许多注射疫苗，如含有减毒活病毒或铝凝胶佐剂的疫苗，不适合无菌过滤，因此上游步骤必须无菌进行，以确保无菌性。针对COVID-19开发的许多疫苗包括DP制造的创新。其中关键之一是Pfizer-BioNTech的Comirnaty®和Moderna的Spikevax®中使用的mRNA-LNP。需要建立全球网络的填充-完成站点，以构建新的LNP形成和TFF单元操作的能力。LNP形成涉及将含mRNA的水溶液和四种脂质的乙醇溶液控制性地泵入微混合装置，如图4所示。新形成的含mRNA的LNPs物理稳定性非常有限，因此LNP形成步骤紧接着使用TFF进行溶剂和缓冲液交换，以去除乙醇并调节pH值。尽管COVID-19 mRNA-LNP疫苗显示出显著的效力，但主要限制是需要冷冻储存和运输，这增加了成本和复杂性，并阻碍了更广泛的分发。Pfizer-BioNTech疫苗目前有18个月的保质期，但必须在-90°C至-60°C下保存（emc，2023a 2023b），而Moderna疫苗的保质期为9个月，在-50°C至-15°C下（emc，2023a，2023b）。最近的一项综述总结了改进mRNA-LNP疫苗稳定性的重点领域，包括优化构成纳米粒子的脂质、缩短mRNA链长度、增加GC含量以及使用干燥技术如冻干等。冻干mRNA-LNP疫苗是可行的，可以提高热稳定性。虽然未来的mRNA-LNP产品可能会被冻干，但目前的mRNA-LNP COVID-19疫苗不是，因为全球冻干能力有限，而且在大流行时没有足够的能力生产数十亿剂。新兴技术，如喷雾冷冻干燥和无菌喷雾干燥，将来可能是可行的选择。在某些条件下，一个喷雾冷冻干燥机或喷雾干燥机可以与许多冻干机的吞吐量相匹配（见第6.4节）。对COVID-19的响应还包括诸如阿斯利康的Vaxzevria®（由印度血清研究所作为Covishield®生产）、国药的Covilo®、Janssen的Ad26.COV 2-S、Gamaleya的Sputnik V和康希诺的Convidecia等重组病毒载体疫苗的主要进展。在过去的10年中，有四种病毒载体疫苗获得了埃博拉的批准，一种获得了登革热的批准（表1）。病毒载体疫苗使用传统的填充-完成技术，包括冷藏液体、冷冻至-20°C和冻干的混合。许多新型疫苗DP配方和递送方法正在开发中。其中一些将需要新的GMP制造步骤，如微针和许多类型的纳米颗粒。 6.1 重组人血白蛋白在制造或配方中使用任何动物来源的成分需要采取广泛的预防措施，以防止与病原体污染。白蛋白和明胶长期以来一直作为配方组分用于稳定某些疫苗。多年来，白蛋白的来源是混合的人类志愿者捐献的血浆。2006年，Merck & Co. Inc.获得了使用在S. cerevisiae中表达的Recombumin®重组人血白蛋白用于MMR®II上游制造的批准。2019年，Merck & Co. Inc.获得了EMA和FDA对使用重组人血白蛋白作为DP配方辅料的ERBVO® Zaire埃博拉病毒疫苗的批准。白蛋白是稻米来源的Exbumin®，由InVitria提供。该疫苗需要在-80°C至-60°C下储存和运输，最多可在2-8°C下存放14天。预计未来将有更多的疫苗使用重组白蛋白。 6.2 佐剂佐剂对包括它们的疫苗的有效性至关重要，并且它们是开发和制造的专业领域。今天使用的许多佐剂都是知识产权（IP）。例子包括Merck Aluminum Adjuvant（Merck & Co.，Inc）、GSK佐剂系统、MF59®（Novartis）、Matrix-M（Novavax）和几个由西雅图Access to Advanced Health Institute拥有的。目前在FDA和EMA批准的疫苗中最常见的佐剂类型是不可溶性铝盐悬浮液（非结晶磷酸铝硫酸氢钾、氢氧化铝、磷酸铝和硫酸铝钾）。这一类已经使用了近100年。它们具有数十纳米的基本粒径，并形成松散连接的网络，根据测量方法和剪切条件，尺寸在1-20微米之间变化。含有铝佐剂的疫苗不会冷冻，因为这会导致佐剂粒径增加；然而，只要有足够的稳定剂，如蔗糖和/或足够快的冷冻，这些疫苗就可以冻干或喷雾冻干以提高稳定性。另一个问题是铝颗粒可能会形成沉积物，这很难重新悬浮。商业疫苗中的其他佐剂包括化学修饰的鼠伤寒沙门氏菌脂多糖的脂质部分（MPL，MPLA）、含有CpG基序的合成寡核苷酸以模拟细菌DNA（例如，CpG 1018®）、角鲨烯和皂苷。这些以各种组合使用，并且在某些情况下吸附到氢氧化铝上或作为乳液或纳米颗粒的一部分。所有佐剂的一个共同主题是粒径，这是一个具有免疫学后果的属性，通过制造和质量控制可能很难管理。 6.3 稳定化在产品配方和工艺开发过程中，会确定降解途径，以评估制造过程和产品组成变化对稳定性的影响。生物制品最重要的化学降解途径之一是水解，通常导致肽键断裂。其他化学降解途径包括脱水和氧化。物理变化包括聚集和变性，或者在蛋白质的情况下是错误折叠，这些分子变化会导致产品质量变化，从而导致功能丧失、非目标免疫原性或其他不良影响。分子的一个单一变化，根据结构受影响的位置，可能会使其完全失效。另一方面，有些变化不会有任何影响，因为它们不涉及与产品活性相关的区域。由于疫苗产品中使用的抗原和佐剂的复杂性，很难理解或预测所有可能的变化及其影响；通常，重要的是最小化所有降解。控制或加速降解的因素必须得到控制和监控，以确保疫苗产品的稳定性。这些因素包括产品pH值、氧气水平和水分活性（例如，在固态配方中），这些因素会促成水解和氧化。通常，提高温度会加速所有途径的降解。某些缓冲物种、离子强度和微量金属可以影响产品的稳定性。最后，暴露于光照、冻融和暴露于引入空气-液体或固体-液体界面的剪切或搅拌可能会导致产品变化。通过在配方研究中确定的不同类型稳定剂，可以确保产品稳定性。最终组合取决于产品类型、降解风险和给药途径。稳定剂包括冷冻保护剂、氧气清除剂和蛋白质；例如明胶、聚乙二醇（PEG）和特定缓冲剂以调节pH值。特定稳定剂的类型和数量可以根据对降解机制的当前理解来确定。有关解决这些问题的不同机制和配方策略的详细信息的综述超出了本次综述的范围，但感兴趣的读者可以参考其他专注于配方设计和稳定化方法选择的综述（例如，不同的干燥技术）。一旦产品组合确定，就必须在整个制造和分销过程中进行环境控制。降低温度，无论是冷藏还是冷冻，都可以保护产品质量。由于许多降解途径可以通过减少水和氧气的存在来限制，产品可以通过冻干（lyophilization）或喷雾干燥，并引入惰性气体进入顶空。传统上，冻干一直是稳定疫苗产品的的主要途径，并且与其他形式的干燥一样，对未来疫苗产品也将很重要（见第6.4节）。表4Vaccine product formats and storage conditions. 总结了疫苗产品的不同平台以及所使用的格式类型，以及长期储存条件。一些液体产品不能在不影响产品质量的情况下冷冻；这对于含有铝佐剂的疫苗产品尤为重要。冷冻条件可以保护那些否则将是溶液/液体基础的产品，但会导致复杂的制造和供应链挑战。干燥产品可以储存在更高的温度下，从而最小化质量风险，但需要重新配制步骤和/或生产稀释剂，除非最终剂量形式是固态。 6.4 干燥趋势干燥疫苗产品被包装在各种容器中，这决定了最终干产品加工所选择的操作。大多数商业化的干燥疫苗产品都是在小瓶中，这增加了全球产能。灌装机非常快速，适用于不同大小的小瓶，并且全球安装。此外，小瓶灌装设备可以与几种液体产品共享，增加了使用率，并为高资本投资的无菌灌装设施提供了财务回报。冻干设备已经设计用于优化单剂量或多剂量单位在玻璃小瓶中的生产。然而，对于冻干产品，可能需要定制的稀释剂，这使灌装要求翻倍。需要额外的组件和第二制造操作会增加成本。在患者给药时，两套材料引入了额外的步骤，并增加了临床中错误的风险。已经开发了双室选择，以方便重新配制。尽管这些产品消除了临床中的转移步骤，但需要额外的制造步骤将冻干在一个室中，并将稀释剂填充在第二个室中。疫苗通常是通过肠外途径给药，因此制造的最后阶段必须在无菌条件下完成。容器必须在线清洗和灭菌，或以更高的成本购买即用型。对于液体和冻干产品，都需要填充和塞紧。要冻干的产品只部分塞紧，然后无菌地运输到冷柜中，进行冷冻、干燥、气体覆盖和完全塞紧（图7）。已经设计了系统，允许在保持无菌条件的同时，直接从灌装线转移到冷柜。对于双室注射器，由于过程的差异，需要特定的设备。图8说明了完成产品制造所需的操作。由于设备专门用于这种类型的产品，使用率可能更难以管理。双室产品的成本低于组件数量、步骤数量和设备的降低容量。 6.4.1 先进的产品干燥技术针对干燥疫苗产品的制造技术的进步必须包括上面讨论的新型疫苗格式的能力，同时专注于提高生产力和改善质量保证。减少干燥操作的持续时间为提高生产力提供了重要机会。干燥周期时间的主要限制是水分去除速率，通常必须降低以保持低产品温度，以防止“熔化后”或“坍塌”。坍塌是一种产品缺陷，其中产品蛋糕的结构丢失，可能会影响稳定性和产品活性。必须控制热量和质量传递，以确保最终产品质量。当前的冻干柜使用在架子内部流动的传热流体来冷冻产品并驱动蒸发。对于冷冻和加热，能量必须通过架子传递到玻璃小瓶底部，并到达产品的整个体积，这可能是低效的。由于架子、架子之间以及小瓶在架子上的位置引起的热量和质量传递差异，整个柜子中的不均匀性导致了进一步的效率低下。图 7 液体和冻干产品的工艺操作图 8 双室系统的过程操作改进热量传递，如下面讨论的新颖方法，可以显著缩短周期时间。或者，具有非常低水蒸气分压的干燥环境可以不直接加热产品而从产品中蒸发水分。连续生产系统通过提高设备利用率来提高生产力。这一原理可以应用于所有产品类型的干燥，包括小瓶和双室装置。其中一些技术允许原位干燥，而其他技术则产生必须分装到容器中的干燥产品。生产大量干燥产品为开发超出典型小瓶的新型格式提供了机会，具有更好的稳定性。利用现有原理和灌装容量的连续冻干方法对小瓶产品将是最简单的实施方式。图9 与传统冻干工艺相比的块状干燥工艺喷雾干燥，结果是产生球形颗粒的干燥粉末，是许多先进干燥过程的焦点。对于干燥散装技术，填充到单位剂量容器需要粉末填充，这对于无定形粉末来说可能具有挑战性。除了改善喷雾干燥产品的流动性外，还减少了产生细小颗粒和外部小瓶表面污染的风险。过程步骤的数量保持不变，尽管无菌操作的顺序是相反的（图9）。任何过程改进都必须满足无菌要求，以提供适当的产品质量。设备必须在点使用时通过无菌过滤进行灭菌，或者作为预先灭菌的材料无菌引入。房间分类是基于设备设计和所需的干预确定的。 6.4.2 原位干燥工艺替代方案原位干燥在最终容器中，如小瓶和双室注射器，目前是商业产品中最常见的。已经对传统冻干的所有步骤进行了改进研究。冷冻步骤对于允许适当的多孔宏观结构和增强的质量传递以去除水分至关重要。开发工作集中在控制成核和增加干燥步骤的表面积。通过专注于能量传递，可以改进初级和次级干燥步骤，这在当前冻干柜中受到架子向玻璃小瓶传递热量以驱动蒸发的热量传递限制。连续工艺可以提高生产力和一致性。泡沫干燥泡沫干燥不需要冷冻，利用干燥过程中的蒸发冷却来维持产品温度。形成的气泡提供类似膜的表面和高表面积进行干燥；过程开发集中在控制气泡的大小和膜的厚度，以确保快速高效的干燥过程。泡沫干燥技术已经证明对疫苗、生物制药、微生物样本和农业产品的保存是有效的。微波真空干燥（MVD）微波能量可以用来替代架子中的加热流体，在传统冻干柜中应用，可以允许继续使用当前设备。微波场中快速循环的水分子导致在分子水平上加热和水分蒸发，而不会显著加热敏感产品。此外，能量立即穿透整个系统，不会产生传统冻干中观察到的局部热和质量传递效应。微波场的频率控制为个体产品在过程开发期间的系统优化提供了工具。 MVD技术已经用于疫苗和其他生物制药，连续工艺 Pisano和同事提出的一种用于原位干燥的连续工艺如图10b所示。小瓶通过模块移动，需要特别设计的转移模块在每个步骤之间保持适当的压力、温度和气体组成。该系统被设计为一个机会，以快速和连续的方式生产干燥产品，使用传统和熟悉的工艺操作。图10 替代干燥工艺 (a) EnWave FreezeREV中试规模的示意图。图片转载自Mohammadi等人(2020)。(b) 小瓶产品的连续冻干。图片转载自Capozzi等人(2019)，WIPO PCT专利号WO 2018/204484 A1。(c) 层流PACE系统。图片转载自Ziccum AB(2023a)。(d) IMA Life Lynfinity连续喷雾冻干机。操作复杂性，需要将每个小瓶通过冻干的各个阶段，导致了专注于生产大量干燥粉末的焦点。相对于原位干燥工艺，大量干燥工艺的替代方案如图9所示，大量干燥工艺的顺序是填充和干燥相反。这需要完全无菌的粉末或颗粒填充能力（“干填充”）。粉末填充已经有一段时间用于填充无菌抗生素粉末，尽管具有挑战性，但通过改进喷雾干燥材料的流动性，该工艺是可行的。颗粒也可以使用粉末填充设备的变体进行填充。大量干燥的优势在于，大量无菌粉末或颗粒可以填充到几乎任何类型的容器中，包括传统的小瓶和双室注射器，以及不适合原位干燥的新型复溶-注射系统。使用大量干燥和干填充可以大幅降低双室注射器的制造成本。已经开发了几种其他方法来解决干填充的问题和挑战。喷雾干燥无菌喷雾干燥现在可用，并允许连续干燥和粉末生产。一个例子是Aseptic SD™系统。在喷雾干燥中，含有产品的液体溶液流经喷嘴，将产品分散成细小颗粒。喷雾干燥的一个优势是通过调整喷雾喷嘴来控制粒径。必须提供无菌气体作为产品干燥的热传递介质；可以使用惰性气体如N2或Ar来限制氧化降解。在传统的喷雾干燥模式中，热气体流经系统以驱动蒸发。气体温度可达120°C，这可能会导致敏感生物产品的降解。然而，系统中迅速发生蒸发冷却以降低产品温度，并且热暴露非常短暂。这些系统已成功应用于生物生产。另一个系统使用网格喷雾器在干燥氮气层流中产生球形液滴（图10c）。此外，干氮气在膜上提供逆流，以从气体中去除水分。系统在环境温度下运行，以限制对敏感产品的热应力。该技术的概念验证已经对mRNA-LNP产品进行了演示，结果非常好，保持了封装效率、粒径和分布，以及体外和体内mRNA活性。喷雾冷冻干燥也称为“散装冻干”的喷雾冷冻干燥包括在含有冷气体的塔中液滴冷冻，然后是冻干机中的真空升华。目前存在两个主要竞争对手，并且已成为最近一些综述的主题。第一种技术基于在塔中液滴冷冻，然后在独特的旋转鼓中真空干燥冻干颗粒。该技术已成功放大，产品产量高达97%。第二种技术是连续喷雾冷冻干燥机，如图10d所示。液滴从喷雾喷嘴产生，通过液氮冷却的柱子下落，导致形成小直径的球形颗粒。冻干球通过传送带在不同的压力和温度级别移动，以实现低水分产品。最终产品直接填充到适当的容器中，以无菌方式密封，用作粉末填充系统。 7、疫苗特征化的进展新型疫苗技术平台（如mRNA和病毒载体疫苗）的引入，促进了分析技术的快速发展，以支持疫苗开发和质量分析。 7.1 生物物理和分析技术现有生物物理和分析技术的分辨率和灵敏度的创新改进，允许对疫苗的纯度和异质性进行更严格的表征，包括灭活或减毒病毒、重组蛋白亚单位和病毒样颗粒（VLPs）、多糖结合物。这些进步有助于提高疫苗关键质量属性（CQAs）的定量评估的可靠性，并增强对批量释放的信心。质谱（MS）在疫苗开发中的使用已经在之前进行了综述，并特别举例说明了重组蛋白抗原和糖结合物的应用。毛细管电泳（CE）与飞行时间（TOF）-MS联用，已用于结核菌抗原及其糖结合物的表征。电荷检测MS（CDMS），其中同时检测质量/电荷和电荷，已用于多种类别疫苗和多价疫苗的纯度和异质性的定量。 mRNA疫苗技术的显著成功，促进了分辨率和灵敏度的改进，以及分析方法的创新应用，如毛细管凝胶电泳（CGE）和离子对反相高效液相色谱（IP-RP-HPLC），用于评估疫苗结构的完整性和异质性。此外，对多价疫苗的分析具有足够的分辨率已变得更加可行。IP-RP-HPLC和MS的组合被用于检测和表征mRNA COVID-19疫苗的mRNA-LNP配方中脂质片段与mRNA核苷的加合物。这些加合物的形成被显示为随着储存时间和温度的降低而降低疫苗效力。 dsRNA是mRNA产品中的炎症性杂质，其水平必须尽可能接近零。虽然有可用的分析和免疫化学测定法，但提高灵敏度和通量将有助于过程和产品监测。为此，开发了一种采用微流控技术的CE方法，该方法利用两种不同荧光体的荧光强度差异来区分单链RNA和dsRNA。动态和多角度光散射（DLS和MALS）技术的分辨率提高和数据分析改进，允许精确确定蛋白质抗原、病毒和病毒载体以及LNPs的大小异质性和聚集。mRNA-LNPs的大小分选使研究人员能够确定疫苗配方体内免疫原性的颗粒大小依赖性。最近的一项创新，基于光散射的质谱光度技术，可以确定单个颗粒的大小，从而确定颗粒集合体中的异质性。这项技术已被用于研究SARS-CoV-2刺突蛋白与ACE2受体之间的相互作用。新的单颗粒检测方法允许观察溶液中的疫苗产品，如mRNA-LNPs，并提供动态视图，与静态电子显微镜（EM）图像相反。最近在溶液中单颗粒成像的创新是凸透镜诱导的限制或CLIC。CLIC是可视化和定量分析mRNA-LNP结构、大小和mRNA装载异质性的有前途的技术，用于mRNA疫苗候选物。平行的光散射技术进步使得单颗粒大小分析成为可能，与传统的平均集合测量相反。分辨率的提高以及模拟和基于机器学习（ML）的数据分析技术发挥了关键作用。最近开发的可调电阻脉冲传感器（TRPS）方法被用于单颗粒分析，包括生物纳米颗粒（如LNPs）的尺寸分布和zeta脉冲，用于单颗粒分析，包括生物纳米颗粒如脂质纳米颗粒（LNPs）的尺寸分布和zeta电位。尺寸分选精度的提高通过测试不同尺寸的mRNA-LNPs对体内免疫原性的影响得到了证明。较小的（<80纳米）mRNA-LNPs似乎与较大的（100-140纳米）mRNA-LNPs相比，在小鼠中引起较低的免疫原性，尽管它们对人类免疫原性的影响尚不清楚。虽然SEC-MALS作为一项已建立的技术已有二十年历史，但场流分离（FFF）-MALS提供了无需与固体基质相互作用的基于尺寸分离的优势。这项技术被用于相关聚合度依赖性变化的亚单位融合蛋白基呼吸道合胞病毒（RSV）疫苗候选物的效力，并用于包含封装mRNA的LNPs。 BioSAXS是最近引入的一种技术，结合了小角X射线散射（SAXS）和SEC-HPLC。与DLS类似，SAXS是一种用于低分辨率结构表征和蛋白质及蛋白质复合物建模的溶液散射技术。BioSAXS已被用于确定自复制mRNA疫苗（IMP-1）的半径，与DLS确定的水动力半径高度一致。冷冻电镜分辨率的显著提高，使得观察充满mRNA的LNPs并确定每个纳米颗粒携带的mRNA构建数量成为可能。这些测量揭示了mRNA装载到LNPs中的异质性和给定群体中空LNPs的存在。此外，在一些mRNA-LNP颗粒中，观察到mRNA形成与脂质分离的水泡状结构。高分辨率冷冻电镜还被用于确定野生型和突变体S蛋白三聚体的结构，以支持COVID-19亚单位疫苗的开发。无标记检测技术的创新为疫苗开发的几个方面做出了贡献，从抗原选择到DS和配方DPs的功能表征。例如，生物层干涉测量（BLI）提供了比表面等离子共振（SPR）更多的优势，尽管这两种技术都提供了大分子和配体之间结合和解离动力学的实时测量。BLI被用于评估SARS-CoV-2 S蛋白RBD三聚体与ACE2受体以及中和人单克隆抗体的结合动力学和亲和力。 7.2 免疫分析除了继续使用流行的酶联免疫吸附测定（ELISA）技术外，还开发了一些其他技术，以期提高检测灵敏度、精确度、速度和通量。这些平台的例子包括AlphaLisa、VaxArray和Luminex，它们提供了相对容易的多重能力。已经报告了ELISA和Luminex免疫分析在检测和定量SARS-CoV-2抗体方面的比较。多重VaxArray已被用于麻疹和风疹疫苗以及流感疫苗的表征。VaxArray最近被应用于同时快速检测和定量肺炎球菌结合疫苗中常见的23种多糖血清型。在基于抗原-抗体的免疫分析的创新变化中，VaxArray已被用于使用互补寡核苷酸作为捕获试剂识别和表征mRNA构建。AlphaLisa是一种基于化学发光的高通量免疫分析，已被用于检测SARS-CoV-2核衣壳蛋白。这些免疫分析可以用于细胞培养，例如，在细胞转染mRNA疫苗后评估蛋白质表达。由于mRNA、pDNA和病毒载体携带的转基因疫苗的功能取决于细胞内编码蛋白抗原的表达，免疫分析为这些类别的疫苗提供了有价值的定量表征。上述新技术免疫分析越来越多地被用作诊断工具，用于检测病毒抗原诱导的血清中的抗体。它们还提供了一个平台，用于比较感染和预防性疫苗接种在未感染人群中诱导的免疫反应水平。与高量子产率的荧光团结合的抗体促进了在基于细胞的测定中，如流式细胞术，检测和可视化这些功能性事件的灵敏度。流式细胞术利用激光诱导的光散射和荧光检测的组合。荧光显微镜的进步也使得mRNA序列翻译成相应蛋白质的过程可视化成为可能。 7.3 测序和PCR技术过去十年中测序技术的进步在几个方面对疫苗的质量测试产生了重大影响。下一代测序（NGS）比Sanger测序的准确性显著提高，使NGS成为测试核酸基疫苗的鉴定和遗传稳定性的无价工具。NGS被用作一种批准的COVID-19 mRNA疫苗的批量释放鉴定测试。释放疫苗批量的一个监管要求是不存在外来病毒，这些病毒可能是未知的或新出现的。外来病毒的一个主要来源是生产中使用的细胞基质，包括哺乳动物、昆虫和细菌细胞系。必须证明主细胞库（MCB）和工作细胞库（WCB）无此类外来病毒剂（AVA）。传统上，体内（在五种动物中）和基于细胞的体外感染性测试已被接受，以确保疫苗的病毒安全性。然而，在过去的十年中，有相当大的动力用NGS取代体内测试。许多这些倡议是由欧洲和美国的监管机构以及与生物制药行业和专家顾问合作的WHO推动的。NGS在检测病毒的灵敏度和广度方面的最新进展，生物信息学和参考数据库的改进，COVID-19大流行凸显的快速释放疫苗批量的需求，以及减少动物使用的推动，共同推动了这一进展。WHO和FDA分别发布了推荐的标准病毒参考列表和用于验证NGS的稳定细胞系。在过去的十年中，已经取得了显著的进展，用NGS替代猴子神经毒力测试，作为口服减毒脊髓灰质炎疫苗生产过程中以及可能表现出神经毒力的其他病毒所需的安全测试。另一种体外方法，通过PCR和限制性内切酶切割（MAPREC）的突变分析，能够检测和定量主要负责神经毒力的逆转突变体的频率。NGS与MAPREC的比较分析产生了相同的结果。然而，NGS的全基因组测序能力和检测低频突变的能力使它成为确保减毒活病毒（LAV）疫苗生产中的病毒安全性和一致性的更有吸引力的工具。已经报告了将NGS验证为新型2型口服脊髓灰质炎疫苗批量释放安全测试的情况。除了成本和时间优势外，NGS可以取代基于动物的传统测试，具有明显的伦理优势。液滴数字PCR（ddPCR）的引入是过去十年PCR技术中的一个重要进步。ddPCR是一种高通量和定量方法，可以应用于准确确定DNA和RNA病毒以及疫苗的基因组拷贝数。ddPCR检测的优势在于不需要标准曲线或参考标准进行定量。预计这项技术将在包括pDNA、mRNA、病毒载体和LAV疫苗在内的不同类别疫苗的身份和遗传稳定性测试中得到广泛应用。ddPCR已验证用于活减毒裂谷热（一种RNA病毒）疫苗的开发，用于定量RNA拷贝数，并检测逆转突变体。尽管分析表征的进步导致了疫苗抗原的高纯度和结构完整性，但宿主依赖的生物学因素常常使得难以预测是否能够在体内引起所需的免疫反应。尽管如此，高分辨率结构分析辅以免疫分析和突变扫描，已被用于识别对产生病毒中和抗体至关重要的抗原位点。然而，当疫苗的主要机制是细胞介导的免疫（CMI）时，这种相关性更具挑战性。然而，最近有报道使用MS辅助识别HLA呈现的T细胞表位和设计一种诱导CMI的mRNA疫苗。 8、分析放行检测分析方法对于疫苗来说是关键的基础部分，需要持续监测和更新，以提供最佳信息，指导这些产品的开发和生产。分析质量源于设计（QbD）概述了一条开发稳健分析方法的路径，有几篇最近的参考文献详细讨论了这个话题。分析QbD中编纂的概念基于指导文件，包括ICH Q14（ICH和欧洲药品管理局，2022），它描述了开发和维护稳健方法的增强方法。将这些指导文件中概述的方法应用于传统方法可以带来显著的收益，但在将它们应用于旧技术时存在固有的限制。 SARS-CoV-2疫苗的开发和商业化的速度令人鼓舞，对未来的大流行响应来说，但我们必须做更多的工作，以缩短所有新型预防性疫苗的开发时间。疫苗生产过程难以控制，最终产品抵抗简单的定义和表征。投资于新的和新兴的分析技术将有助于项目更早地生成关键信息，以避免在临床开发的后期阶段停滞，并将导致更好的产品和过程理解。在分析QbD框架内，开发分析目标概况（ATP）时，应深思熟虑地考虑引入新技术。下面讨论了产品独立和产品特定方法的分析技术的选定进展。 8.1 产品独立方法疫苗DS的安全测试包括微生物学测试，如无菌性、生物负荷、内毒素、支原体和外来因子测试；其中许多由药典权威机构（美国药典[USP]、欧洲药典[PhEur]、日本药典）详细描述。这些方法的优点是已经建立和理解，但可能非常费力和耗时，此外还引起了关于动物使用的伦理问题。最近的指导（欧洲委员会，2022；美国食品药品监督管理局，2020）鼓励考虑替代传统方法的方法。来自FDA的，“与USP、FDA指导或法规（CFR）概述的不同的分析程序在IND中可能是可以接受的，如果赞助商提供了关于测试特异性、灵敏度和稳健性的充分信息。”类似地，附件1规定，“制造商应考虑采用适当的替代监测系统，如快速方法，以加快微生物污染问题的检测，并降低产品风险。” 整合新的、快速的微生物学方法的势头正在增强，部分原因是对COVID-19大流行的响应，以及细胞和基因治疗产品的需要，这些产品的保质期非常短。由于样品大小和生长条件的限制，传统的基于生长的无菌性评估方法的限制众所周知。BacT/Alert 3D系统已经成为一个经过验证的无菌方法，与药典14天基于生长的无菌测试一起；其他一些测试，有些基于生长，有些不是，正处于不同的开发阶段。基于PCR和ELISA的检测方法现在已被广泛接受，用于检测支原体，基于NGS的方法也在开发中，如疫苗特征化部分所述。外来因子测试需要能够检测广泛可能的污染物的方法。像激光力细胞测量这样的新技术正在被探索，以识别细胞病变效应并改进经典的基于细胞的测定。NGS技术不仅在检测微生物污染物方面具有重要意义，还有望取代目前用于检测AVA的体内、体外和PCR测试。 8.2 产品特定方法除了药典放行检测外，疫苗还需要针对正在开发的疫苗的CQAs进行测试，如身份、效力、纯度和效力。用于这些属性的传统方法存在限制，而新兴技术在许多情况下可以缓解这些限制。疫苗效力方法有各种各样的类型，以满足它们将提供有关患者预期免疫反应的信息的期望。体内效力测定充满了动物基础测定的变异性、不可重复性和长周转时间。因此，出于动物福利和成本考虑，体外测定的开发在疫苗的表征和批量放行中变得极为重要。了解疫苗的作用机制（MOA）仍然是开发最相关效力测定的关键，但现在比以往任何时候都拥有更多的工具可供开发科学家使用。在确切的保护性免疫反应性质未知的情况下，新技术正在提供有关疫苗基本工作原理的更丰富和更精确的信息。在某些情况下，抗原与佐剂的相互作用以产生预期的免疫反应仍然无法通过当前的方法和知识进行评估。空斑测定几十年来一直是活病毒疫苗的病毒学主力，但近年来的科学和技术进步可以作为增强和/或替代病毒定量方法，如传统的空斑和TCID50方法。荧光成像技术分辨率和定量准确性的提高有助于用自动化焦点计数替代传统测定，并用PCR、激光力细胞测量和细胞电阻抗等替代细胞单层中的空斑或细胞病变效应（CPE）的视觉识别。在佐剂存在的情况下，这些技术的使用受到限制，微生理系统显示出作为模型系统的前景，用于将疫苗效力与体内效力相关联。使用这些系统还可能提供一种评估旧疫苗和过程变化影响的方法，而无需使用临床前动物模型或临床试验。蛋白质亚单位和VLP疫苗通常依赖于体外效力测定的抗原性测定。基于AlphaLisa、荧光能量转移（FRET）、Luminex和电化学发光等技术的方法与标准ELISA方法相比，在速度、灵敏度、动态范围、数据密度和多重能力方面提供了优势。除了基于蛋白质的疫苗外，免疫分析也用于开发新型技术疫苗，如mRNA疫苗，其中最终抗原是蛋白质。例子包括人类狂犬病疫苗，已开发出基于包膜糖蛋白的ELISA和时间分辨免疫荧光，以及全细胞百日咳疫苗ELISA，已被证明是当前使用的体内Kendrick测试的有希望的替代品。流式细胞术，据推测使用荧光标记的抗刺突蛋白抗体，被用于首个批准的COVID-19 mRNA疫苗的效力测定。在缺乏特定的免疫分析效力测定方法的情况下，可能会开发与效力相关的结构和功能测定作为替代品。WHO生物标准化专家委员会在2021年发布的一份报告中表明了对这一概念的监管开放性，作为mRNA疫苗开发的指南。实际上，这种替代测定法已被接受用于表征双价mRNA COVID-19疫苗的疫苗效力。作为对旧技术进行改进的一个例子，用于纯度和完整性分析的毛细管电泳（CE）已成为比SDS-PAGE和免疫印迹技术更优越的替代品，为过程和产品理解提供了极大的改进。同样，质谱（MS）有望改进传统的基于ELISA的HCP检测方法。 SARS CoV-2疫苗的开发和放行测试为未来大流行疫苗以及承诺减少预防性疫苗开发时间表的方法铺平了道路。 9、过程监测分析最近的COVID-19大流行凸显了实时或快速释放疫苗批量的需求，以最小化可预防的死亡和痛苦。此外，如果在GMP生产DS或DP的最后阶段批量不符合放行规格，可能会造成极大的损失。因此，通过在线或近线测试监控每个步骤的过程对于确保最终产品的高质量和快速释放至关重要。每个正在开发的新型疫苗通常都有一个明确定义的质量目标产品概况（QTPP）。实现目标QTPP的生物过程优化概念已通过支持分析数据为mRNA DS过程描述。这个基本原则与在开发所有生物制药产品的所有平台中实施QbD原则相关。生产过程步骤应监测以保持效力所需的抗原表位。在许多情况下，提高在细胞基质存在下测量效力的能力已使这成为可能，从而避免过程失败并允许优化。例如，通过“流式病毒测量”在线监测缺陷病毒颗粒，结合基于激光力细胞测量的效力测量，已被用于改进LAV疫苗生产过程。结合电容工具和高内容成像实时监测细胞密度和峰值感染，这些过程分析技术（PAT）工具可能共同为LAV疫苗提供效力测定替代品。 PAT集成到生物过程中的好处最近已进行了综述。拉曼、核磁共振（NMR）、近红外和中红外（IR）光谱以及DLS越来越多地被用作PAT工具，因为这些生物物理测量提供了与功能相关的结构信息。NMR光谱在优化肺炎链球菌疫苗抗原的胶囊多糖质量的纯化过程开发中非常有价值。NMR已被用于监测在开发针对b型流感嗜血杆菌和脑膜炎球菌A亚群的结合疫苗过程中的多糖三级结构。 DLS和其他光散射技术多年来一直用于监测亚单位和VLP疫苗的聚集和多分散性并优化纯化和配方条件，以防止聚集引起的效力损失。最近，DLS已被用于选择相对单分散的、尺寸最佳的LNPs用于mRNA-LNP疫苗。这些信息有助于控制微流体混合参数，特别是流速，在开发mRNA DP过程中。PAT将在QbD驱动的连续制造过程进一步开发和优化mRNA DS和DP方面继续发挥重要作用。 10、疫苗制造监管环境为鼓励疫苗制造领域的创新，美国卫生与公众服务部于2021年1月19日发布了《2021-2025年疫苗国家战略计划》（美国卫生与公众服务部，2021），该计划更新了2010年的《国家疫苗计划》（在Josefsberg和Buckland，2012中讨论）。在2021-2025年疫苗计划中，几个主题仍然处于最前沿，包括疫苗供应和大流行响应、改进质量测试程序、全球监管协调以及发展中国家制造商参与疫苗供应。2021-2025年疫苗计划有五个主要目标，前两个目标涉及提高疫苗生产和安全性：（1）促进疫苗开发、制造和相关技术的创新；（2）保持尽可能高级别的疫苗安全性。第一个目标在整个综述中讨论，但第二个目标主要由政府监管批准程序的演变和行业过程控制系统的创新驱动，主要是当前的GMP和QbD。监管批准程序的存在是为了确保患者安全。对COVID-19大流行的迅速响应为监管程序完成的速度树立了新的标准（11个月），并让许多人想知道我们是否可以在保持相同患者安全保证的同时，为所有疫苗候选者减少上市时间。COVID-19疫苗加速时间表的推动因素包括行业和政府投资风险（数十亿美元）、全球共享基因组序列、先前的冠状病毒研究、数十年的mRNA疫苗开发工作、监管机构接受在风险上进行药物开发的程序、无缝临床试验以及监管机构的快速审查。其中一些因素在非危机情况下无法复制，但其他因素可以缩短当前的疫苗开发到市场的时间表，即10-15年。图11 过程中间测量关键质量属性(CQAs)可以推动关键工艺参数(CPP)和正常操作范围(NOR)的优化，从而实现mRNA药物物质(DS)所需的产量和质量目标产品概况(QTPP)。大流行前，一些监管工具已经存在以提供灵活性，如FDA的EUA和EMA的有条件市场授权（CMA），以及FDA的快速通道指定和EMA的滚动数据提交。在大流行期间，对标准实践的调整加速了批准，包括依赖其他机构的检查和审查（依赖途径）、动态/滚动/实时审查、额外的机构指导、对数字化和电子标签技术的接受增加、减少硬拷贝文件以及放宽对单个批次放行测试和当地临床数据的限制。依赖途径是一种基于风险的方法，用于监管提交，并涉及识别其他当局和机构的数据、评估和/或决定。虽然这在某种程度上一直在发生，但大流行鼓励了数据共享以加速疫苗开发。国际药品监管机构理事会（ICMRA）COVID-19工作组创建了一个所有COVID-19主协议的清单，以通知政策讨论，并收集有关监管灵活性的知识（国际药品监管机构理事会，2022）。ICMRA还与国际协调会（ICH）、国际药品监管机构计划（IPRP）和药品检查合作计划（PIC/S）合作，开发药品质量知识管理（PQKM）能力（国际药品监管机构理事会，2023）。还创建了公共和私营实体之间的合作，包括获取COVID-19工具（ACT）加速器，以“加速开发、生产和公平获取COVID-19测试、治疗和疫苗”（世界卫生组织，2022）和COVID-19证据加速器（EA）以共享现实世界证据（RWE）。一些当局还使用依赖途径来简化评估过程，并加速他们国家的审查过程。一些国家监管当局接受药品证书（CPP），缩短了时间表，而EMA的一个名为“OPEN”的试点项目使国际机构能够参与他们的科学评估过程（需要保密安排），这促进了透明度和解决共同挑战。基于风险的方法，如依赖途径，也可以用来加速批准后变更（PACs）。制造商和监管机构之间共享的批准后变更管理协议（PACMPs）允许快速实施变更，而宽限期和/或豁免允许PACs快速获批并向患者提供。依赖途径在中低收入国家（LMIC）中特别重要，那里的机构可能没有处理卫生紧急情况的成熟度和能力。审查过程中的一个重大范式转变是将提交分成较小的包裹进行分段审查的概念，而不是在活动结束时提交完整的档案。数据可以在约定的里程碑或实时呈现。在某些情况下，这些间歇性的数据包可以与下一步的启动同时审查，有时被称为分阶段或滚动监管审查。一个例子是欧洲制药工业协会（EFPIA）及其动态监管评估（DRA）的概念，该概念涉及在完整的市场授权申请（MAA）之前很早就提交数据包。在大流行期间，EMA和FDA提供了额外的指导并与制造商进行持续对话，作为加速开发和审查时间表的方法。例子包括EMA的PRIority MEdicines（PRIME）计划，该计划发布了补充问答文件，讨论了新指导和早期开发计划，以及FDA和EMA提供的详细要求的目标产品概况。这是大流行之前没有提供的信息。数字化在COVID-19大流行期间增加了监管活动的连续性，并改善了所有利益相关者之间的互联互通，特别是由于虚拟会议和在线平台。使用电子文件、电子签名和电子提交推进了可持续性，减少了旅行和纸张的需求。使用既适用于人类又适用于机器的结构化数据集正在迅速发展，这使得自动化和基于云的平台的效率得以提高。生成性AI（Gen AI）也将在监管批准过程中发挥不可避免的作用。麦肯锡公司的一份最新报告提出，Gen AI启用的智能引擎将显著提高撰写提交文件和回应卫生当局查询（HAQ）的效率，通过预测潜在的HAQ模式，快速起草回应，并通知可以减少HAQ后续跟进的提交策略。报告还表明，Gen AI可以作为主要的提交内容撰写者，特别是起草基于协议、数据和统计分析计划的临床研究报告，以及创建表格和图表。医学作家随后可以集中精力处理需要更复杂临床解释的部分，改善团队之间的合作，降低成本，并限制质量问题。数据和共享方法的协调将至关重要，以改善时间表。基于云的系统有潜力简化并行机构审查和依赖。论坛如ICH和ICMRA可以帮助促进这一点，并与利益相关者合作，避免出现分散或冲突的系统。大流行期间使用的额外灵活性可以应用于未来的疫苗计划，包括创新的临床试验策略（例如，平台方法，同时在临床测试多个候选者）、使用历史数据进行预测分析、利用其他试验中的安慰剂/标准护理数据，以及虚拟检查，这些已经得到接受，并且可以减少由于安排和旅行延迟而导致的时间表。其他选择包括放宽对单个批次放行测试的限制（例如，豁免重复批量放行/当地测试要求）、豁免当地临床数据的要求，以及豁免特定国家标签语言/艺术作品/细节的要求，包括接受包装上的QR码（电子标签）代替物理小册子。这些灵活性中的每一个在每种情况下都可能不可行；例如，由于缺乏技术，LMIC中使用电子标签可能不可行。总体而言，这些监管思维的转变有潜力彻底改变历史工作方式，这将在不损害质量、安全性和有效性的情况下提高效率和时间表。除了过去十年中实施的监管创新和灵活性外，制造商的过程控制策略也有所进步。正如本节开头所讨论的，2021-2025年疫苗计划的第一个目标是促进疫苗开发、制造和相关技术的创新，这可以通过两个主要途径实现。在高层次上，CMC和cGMP都是过程控制策略（美国食品药品监督管理局，2022），具有确保产品始终满足既定质量要求的相同目标，但它们的区别在于它们的范围。CMC信息特定于产品，而cGMP是整个制造商运营的高层次框架。CMC需要对产品质量的细节进行细致的关注，并涉及定义CQAs及其相关的CPPs。一旦确定了这些，就可以为过程和产品规范定义一系列活动，以确保批次间的一致性。CMC计划将通过产品生命周期的每个阶段，通过产品组件、设备、制造条件、记录和人员的全面控制来展示。另一方面，cGMP是一组定义产品规划和开发以及设施设计和运营的高质量保证活动和指南的高层次集合。cGMP计划包括维护文件、设备、培训和设施，其中可追溯性是一个重要组成部分。CMC和cGMP系统经常交叉并且不是相互排斥的，两者都对产品成功至关重要。同步CMC和cGMP计划可能很复杂，方法可能因产品和制造商而异。 CMC和cGMP领域在过去十年中从创新中获益，例如，人工智能(AI)和机器学习(ML)，它们可以自动化数据分析、过程优化和质量控制等任务。大数据分析是强大的工具，可以用来识别趋势并改善决策制定。3D打印提供了快速创建产品和设备原型的前所未有的能力，加快了开发过程。甚至像虚拟现实(VR)和增强现实(AR)这样的技术也被用于培训员工和模拟流程。一个经常被忽视的进步是网络安全，它在保护知识产权和数据免受网络攻击方面至关重要。在规划和执行方面的改进减少了向发展中国家的新兴制造商转让技术的时间表，这有助于全球可用性和可负担性，例如b型流感嗜血杆菌结合疫苗。在大流行之前，典型的疫苗技术转让需要27-29个月，因此缩短这个时间表对于迅速向全球人口供应COVID-19疫苗至关重要。技术转移的控制塔方法，涉及一系列定义好的事件和会议，确保有效沟通，特别是快速将问题升级到领导层，变得越来越受欢迎。其他敏捷的工作方式包括非等级制的高效决策制定、早期风险容忍投资、快速产能提升、在负面结果出现时的灵活性、确保跨学科团队成员中的高水平专业知识、在功能和公司之间使用共同的词汇，以及将质量要求视为推动者而不是障碍。行业、组织、监管机构和政府政治组织之间的合作和伙伴关系变得至关重要。为了使国际技术转移成功，必须动员现有能力，建立新的能力，协调制造和监管流程，并分配资源——这些活动需要政治上的支持。CMC和cGMP中的另一个思维转变是集中式与分布式制造模型的概念。传统上，疫苗是在集中式地点生产的，这是由于技术转让到其他地点的高成本而经济驱动的。另一方面，分布式制造更接近最终用户生产产品，在大流行期间非常有用。由于过程平台，能够在多个地点建立过程变得更加可行，但批准每个地点的广泛监管要求仍然是一个障碍，以及对当地测试和质量保证的要求。尽管分布式制造无法提供与集中生产相似的规模经济，但灵活制造技术和监管流程的进步可能使这种方法在未来更加可行。 QbD涉及创建一个设计空间，这是一个多维组合的CPPs和CQAs，已被证明可以保证质量。为RNA疫苗合成生物反应器开发了一个迭代方法来创建生物过程QbD空间。在大流行情况下，迫切需要迅速反应，一个已经建立的疾病不可知平台过程，具有已建立的QTPP驱动的设计空间，将使团队能够在原材料可用时立即生成材料。从理论上讲，在强大的设计空间内的过程变化不需要额外的监管提交，从而创建具有更大灵活性的过程。QbD框架可以用来支持生产过程的开发和运营，并可以遵循迭代开发周期，这将在整个生命周期中提供持续改进。 11、结论在过去几年中，疫苗开发能力取得了显著进步，这反映在对COVID-19大流行的加速响应中。mRNA和复制缺陷腺病毒已被确立为可以相对较快开发并扩大到以合理成本生产数十亿剂的主要新疫苗平台。在COVID-19疫苗的快速开发中取得的进展超出了所有预期。其他疫苗平台，如蛋白质抗原和活减毒疫苗(LAV)，仍然很重要，相关的技术进步已在本综述中强调。我们预计，基于对生物学和疾病理解的进步，疫苗开发将进一步取得显著进展。疫苗制造创新，包括连续制造、一次性工艺、无细胞技术、过程分析技术以及放行检测，正在降低成本并提高效率。正在进行的创新也在取代传统的批量放行测试，以消除动物测试的需求。本综述中对疫苗分析进展的详细总结是故意的；这个领域在过去十年中取得了巨大的技术飞跃，影响了疫苗制造的各个方面，从而改善了一致性、生产力、产品质量、产品测试速度和运营规模。近年来，在设计和开发旨在诱导T细胞介导的免疫反应的疫苗方面做出了重大努力。这一新兴领域有望提供针对诸如HPV、HIV和癌症等传染病的有效预防和治疗疫苗。也在开展努力，提供针对广泛的流感和SARS-CoV-2亚型的mRNA疫苗，这些疫苗提供基于T细胞的免疫，并比当前基于mRNA的COVID-19疫苗提供更长时间的保护。针对COVID-19的基于肽的T细胞靶向疫苗也处于早期临床开发阶段，支持开发和免疫原性评估的分析方法和检测正在取得进展。随着疫苗和疫苗接种的发展，超越了预防应用到治疗领域，通过快速和详细的目标疾病分析，进一步推进该领域的机会范围有所增加。我们预测，在未来十年中，这一进展将以快速的速度继续，从而在全球范围内以合理的成本快速提供新疫苗，这得益于设计、技术和分析方面的创新。识别微信二维码，添加生物制品圈小编，符合条件者即可加入生物制品微信群！请注明：姓名+研究方向！版权声明本公众号所有转载文章系出于传递更多信息之目的，且明确注明来源和作者，不希望被转载的媒体或个人可与我们联系(cbplib@163.com)，我们将立即进行删除处理。所有文章仅代表作者观点，不代表本站立场。