正文
工艺暂停
在病毒过滤操作过程中，过滤器的流入和流出暂时中断是常见的。在某些情况下，这些暂停可能是由于意外原因造成的，例如电源中断或设备故障。但更多时候，这些暂停是程序计划的一部分，当需要切换过滤器的进料时，就会停止流动，例如当 mAb 中间体进料储存在多个罐中，或者使用缓冲液冲洗过滤器以在过滤过程结束时回收过滤器和系统保持体积中的物料。
几项研究表明，在某些条件下，与没有暂停的工艺相比，有暂停的工艺可能会有额外的病毒通过过滤器。这种增加的病毒通过现象是在特定条件下观察到的。例如，一些过滤器在类似条件下操作时观察到与工艺暂停相关的 LRV 降低，而其他过滤器则没有。溶液特性，如 pH、电导率以及正在过滤的具体蛋白质产品，也被观察到会影响 LRV 的降低。在某些情况下，LRV 的降低大于 1 个对数单位，而在其他情况下，则没有可观察到的效果。
为了降低因工艺暂停导致病毒清除降低的风险，可以同时考虑三种策略。第一个考虑因素是选择一个特定的病毒过滤器，其 LRV 尚未被证明会因流动暂停而受到损害。第二个考虑因素是通过工艺控制和在工艺开发期间如何降低风险。例如，可以设计一个过滤系统，以实现在不停止流动的情况下切换进料溶液。同样重要的是，提前考虑在制造过程中如果发生意外中断，将遵循什么程序——是重新过滤该批次还是将其丢弃？降低与工艺暂停相关的风险的第三种方法是在病毒清除研究期间明确量化其影响。这些研究将有助于确定病毒过滤步骤可以声称的病毒清除水平。它们还可以帮助了解在制造规模操作期间可能需要特别关注哪些工艺参数。这些参数可能包括进料溶液的特性、过滤器特性或流动暂停的具体特性（例如，持续时间、在工艺中的发生点、发生次数等）。
过滤作为一种上游病毒屏障
虽然病毒过滤通常依赖于下游工艺以确保产品安全，但病毒截留过滤器也可以用作上游工艺中的病毒屏障，以减少外源病毒污染的机会。这些过滤器可以补充其他与上游材料相关的风险缓解策略，例如高温短时处理和不使用任何动物源性成分的材料采购。几家供应商开发了专门用于细胞培养基过滤的细小病毒截留过滤器，这代表了较高风险的材料之一。过去对由外源 MVM 导致的污染事件的调查得出结论，最可能的污染源是细胞培养基。与下游病毒清除步骤的使用相比，后者是监管期望，上游病毒屏障的使用在某种程度上可以被视为一种风险缓解策略，将污染事件的成本和可能性与实施原材料额外处理的成本进行权衡。
过滤技术开发
膜和过滤装置
历史上，人们采用了一系列技术方法来开发病毒过滤装置。商业上可获得的过滤器具有几种不同的聚合物基底膜，包括再生纤维素、聚偏二氟乙烯和聚醚砜，其中一些经过专有表面化学改性。商业上可获得的膜形态多样，包括对称、复合和非对称膜，这些膜用于包含一个、两个或三个串联膜层的装置中。尽管历史上切向流过滤和正流过滤模式都曾用于病毒过滤，但几乎所有新工艺都使用正流过滤，因为其操作相对简单。
病毒过滤装置还展现出多种设计，包括中空纤维、折叠式和板式膜配置。由于这些看似不同的技术发展以及许多膜制造过程的专有性质，很难概括膜开发的通用趋势，这些趋势可能无法完全解释新一代病毒过滤器性能的显著提升。
尽管最初非对称、复合膜在切向流模式下使用，膜的截留面朝上游，但在正流模式下，当过滤器反向使用，截留面朝下游时，观察到过滤器污染减少。膜的更开放亚结构显然起到了预过滤器的作用，将一些污染物截留在膜的更紧密孔隙之外，并且可能防止蛋白质饼层的形成。采用非对称膜结构的新病毒过滤器被设计为这种截留面朝下游的取向，以利用这种效应。
病毒截留过滤器的一个关键特性是膜孔径分布。生物处理中的其他常见过滤步骤涉及分离大小相差约一个数量级的物种，例如微滤分离蛋白质和细胞，超滤分离蛋白质和盐及水。另一方面，mAbs 和小病毒（如细小病毒）的大小仅相差约 2或 3 倍。因此，控制过滤器中的平均孔径和孔径分布的范围是一个关键因素。几项研究考察了使用液体 - 液体孔隙度测量法表征病毒截留过滤器的孔径分布，并表明这些结果与它们的截留特性相关。在其中一项研究中，研究表明，可以使用基于尺寸排阻保留原理的机理模型来预测不同孔径分布的膜对不同病毒的LRV。除了支持过滤器的病毒清除机制外，这种方法还被用作膜制造过程中的在线测试，以提高过滤器的一致性。
除了使用能够截留病毒的膜外，至关重要的是病毒过滤装置不能存在微观缺陷，这些缺陷可能会使部分流动绕过膜并允许大量病毒进入滤液。传统上，病毒过滤器的完整性由供应商和最终用户使用金颗粒截留或空气 - 水扩散测试来证明。在最近几年中，开发了一种二元气体完整性测试，可以将保留保证水平提高一个数量级。
吸附性预过滤
在提高病毒过滤步骤的容量方面，一个关键的发展是使用吸附性预过滤器。虽然细小病毒保留过滤器通常被放置在单克隆抗体（mAb）制造过程的末端，在已经进行了高水平纯化之后，但可能存在聚集的单克隆抗体，这些聚集物会显著污染过滤器。大约20纳米或更大的聚集物可以阻塞膜孔，即使这些高阶聚集物的浓度太低，无法用如尺寸排阻色谱等方法进行定量。研究表明，在病毒过滤器上游使用专门的吸附性预过滤器去除这些高阶聚集物和/或其他污染物，可以显著提高病毒过滤步骤的可实现通量。由于病毒保留过滤器的成本通常远高于预过滤器的成本，因此可以实现成本节省。这些节省需要与由于引入预过滤器可能导致的流程复杂性增加进行权衡。
多个供应商提供专门用于保护病毒保留过滤器的吸附性预过滤器。这些预过滤器有多种介质可供选择，包括膜和深层过滤器。吸附机制包括阳离子交换、疏水效应和混合模式相互作用。因此，预过滤器的有效性可能是溶液条件（如pH值和电导率）的函数。使用无菌级过滤器（例如0.1或0.2毫米的标称等级）作为单克隆抗体处理中病毒过滤器的基于尺寸的预过滤器，通常不如吸附性预过滤器成功，这意味着许多污染物的尺寸小于这些孔径。
虽然在病毒保留过滤器上游使用吸附性预过滤器为制造过程带来了显著的成本节省，但这种方法确实为用于评估此步骤病毒清除的实验室方法引入了一些复杂性。虽然在某些情况下，可能可以将病毒制剂添加到被送入过滤链（包括预过滤器和病毒过滤器）的单克隆抗体中间体中，但这种方法通常不可行，因为预过滤器可能会像去除污染物一样去除病毒。预过滤器对病毒的去除并不是基于病毒过滤器所采用的尺寸排阻原理，必须从声称的对数降低值（LRV）中去除，可能需要在流程中增加额外的病毒清除步骤，如果总体LRV太低的话。解决这个问题的最常见方法是在病毒清除研究中将预过滤和病毒过滤步骤分开，如图7.2所示。首先使用预过滤器过滤单克隆抗体中间体，不添加任何病毒。然后将病毒制剂添加到这个经过预过滤的池中，随后通过病毒过滤器进行过滤。
尽管在病毒清除研究中将预过滤步骤与病毒过滤器分开的方法是最常见的方法，并且在大多数情况下是有效的，但在某些情况下，将过滤器分开可能会导致过滤器容量降低，可能是因为进料材料中的单克隆抗体重新聚集。
尽管已经报告了许多特定的技术来避免这种复杂性，但在那些无法避免容量降低的情况下，可以使用在线加标方法。这种方法在本章前面（见连接和连续处理部分以及图7.1）已经更详细地讨论过。
病毒过滤器保留病毒的机制一直是大量研究的主题，甚至超出了本章前面讨论的与过程暂停相关的效应。一个重要的观察结果是，在某些情况下，病毒过滤器的LRV在整个过滤操作过程中会降低。这种行为似乎与所使用的特定过滤器有关。在某些情况下，过程中LRV的降低被归因于过滤器更紧的孔的优先污染，导致通过膜的非保留孔的流量比例增加。这种效应的模型显示，具有更多不同膜层或有效分离层的过滤器的保留减少更多。在使用不同过滤器的案例中，LRV的降低被归因于病毒在膜内的积累，这是由于内部浓度极化。在那项工作中，积累速率被建模为膜结构中保留部分上游的可用体积的函数。关于第三种不同的病毒过滤器的研究更多地关注了操作压力和挑战过滤器的病毒颗粒数量等条件的影响，这些条件可能导致LRV降低。这些研究的结果强调了在病毒过滤器性能方面进行概括的困难，特别是当与前面讨论的广泛范围的膜材料、膜形态和设备格式一起考虑时。
近年来，药物开发者转向了用于皮下给药的产品配方，而不是传统的静脉输注或静脉大剂量注射配方。皮下给药通常更受患者欢迎，并且更具成本效益，因为它需要较少的设施、人员和患者时间来准备和给药。此外，对于必须持续服用的药物，皮下给药可以让患者在家庭环境中自行给药。为了使皮下注射能够被良好耐受，总剂量体积必须不超过1-2毫升，这意味着需要高剂量的生物治疗药物必须被配制成更高的蛋白质浓度。这为传统的切向流过滤（TFF）过程带来了挑战，这些过程必须适应高溶液粘度、低最终批次体积以及蛋白质与配方辅料之间增加的静电相互作用。适应控制策略和系统设计可以帮助制造商获得一些额外的处理空间，但并不能提供全部能力。过滤器供应商通过开发针对高粘度优化的新型滤盒通道几何形状做出了回应，制造商也开发了用于缓解由于静电相互作用导致的配方偏移的实践。
随着蛋白质浓度的增加，溶液粘度也会增加。手动针头注射可以轻松输送的粘度的实际极限约为30厘泊。因此，药物配方师被激励去研究溶液条件和辅料添加，以在生物治疗药物高浓度的最终小瓶中实现较低的粘度。一些成功的方法是调整pH值、添加无机盐和/或添加疏水盐。虽然这可以缓解药物输送的问题，但在最终超滤/纳滤步骤中的产品粘度仍然高于传统过程，并且可能超出过滤器和一些系统组件的能力。因此，需要额外的策略来确保高浓度治疗药物的稳健制造性。抗体纯化和配方的大多数超滤/纳滤操作使用经过筛选的平板膜滤盒。这些筛网的作用是增加质量传递并减少过滤器中的浓度极化，从而在给定过程中，与特定筛网设计、滤盒通道几何形状以及蛋白质/缓冲液溶液相比，可以在较低的进料流速下实现更高的渗透通量。超滤/纳滤过程通常通过一个进料流速设定点来建立膜表面的切向流，以及一个跨膜压力（TMP）设定点来建立过滤的驱动力。进料流速针对特定的筛网设计、滤盒通道几何形状和给定过程中的蛋白质/缓冲液溶液进行了优化，以提供高效的渗透通量。在这些恒定的操作条件下，通量是蛋白质浓度的函数，如方程7.1中简化的静止膜模型所示。随着蛋白质浓度的增加，由于膜表面极化层中的蛋白质浓度与本体蛋白质浓度之间的差异变小，通量会降低。
其中
J
f是通过膜的渗透通量，
k
是传质系数，
C
w
a
ll和
C
b
