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疫苗生產(chǎn)用凍干保護(hù)劑的分類和作用機(jī)理研究

更新時(shí)間:2020-04-14      點(diǎn)擊次數(shù):3826

 凍干保護(hù)劑是除賦形劑外,給于藥物有效成分在凍干機(jī)冷凍干燥過(guò)程及凍干后儲(chǔ)存階段保護(hù)藥物藥效的成分。常用保護(hù)劑有糖類、白蛋白、聚乙二醇等等。凍干保護(hù)劑可影響生物制品的質(zhì)量、效價(jià)和穩(wěn)定性,改變生物制品的生產(chǎn)工藝,提高產(chǎn)品干燥能力并增大產(chǎn)品批次間的穩(wěn)定性。耐熱凍干保護(hù)劑有免疫活性但無(wú)藥理活性,可在凍干和保存時(shí)維持疫苗的穩(wěn)定性,初次干燥時(shí)在適宜的溫度下疫苗不倒塌,企業(yè)低成本即可獲取。
  
  一、分類
  
  (一)按相對(duì)分子量分按相對(duì)分子量分可分為低分子化合物和高分子化合物。
  
  1.低分子化合物低分子化合物可提高微生物存活率,形成均一懸液,起到水分緩解作用。如:酸性物質(zhì):谷氨酸、天冬氨酸、乳酸;中性物質(zhì):葡萄糖、乳糖、蔗糖、海藻糖、山梨醇;堿性物質(zhì):精氨酸、組氨酸。
  
  2.高分子化合物高分子化合物對(duì)微生物有保護(hù)作用,可促進(jìn)其升華形成耐熱骨架阻斷熱傳導(dǎo)和熱輻射。如:白蛋白、明膠、蛋白胨、脫脂奶粉。水解明膠水解明膠可去掉雜質(zhì)蛋白、無(wú)抗原性、無(wú)過(guò)敏反應(yīng)、無(wú)熱源,并且分子量小、均質(zhì)、易溶于水,可過(guò)濾除菌,共熔點(diǎn)為-12℃。對(duì)微生物的保護(hù)作用高出普通明膠10%以上。脫脂奶粉可促進(jìn)升華、加熱滅菌,易取得均質(zhì)產(chǎn)品,并擴(kuò)大細(xì)胞相互間的距離。
  
  (二)按功能和性質(zhì)分1.耐熱凍干保護(hù)劑耐熱凍干保護(hù)劑在凍結(jié)和干燥過(guò)程中,可防止活性組分變性,如海藻糖、蔗糖、聚維酮(PVP)等。2.填充劑可防止有效組分隨水蒸氣一起升華逸散,如:甘露醇、明膠等。3.抗氧化劑產(chǎn)品的自身氧化可消耗凍干樣品內(nèi)部和環(huán)境中的氧;放入電子或氫離子,可阻斷凍干樣品中氧化鏈?zhǔn)椒磻?yīng),抑制氧化酶活性,防止樣品在冷凍干燥及儲(chǔ)藏過(guò)程中氧化變質(zhì)。如硫代硫酸鈉、維生素E、維生素C等。4.酸堿調(diào)整劑在冷凍干燥、儲(chǔ)藏過(guò)程中,將生物制品PH值調(diào)整到活性物質(zhì)zui穩(wěn)定區(qū)域。常用的有:磷酸二氫鉀、磷酸氫鈉。
  
  (三)按物質(zhì)的種類分
  
  1.糖/多元醇類單糖(葡萄糖、半乳糖):糖與生物制品活性組分的分子形成氫鍵而代替了原有水的位置,起保護(hù)作用;低聚糖(蔗糖、海藻糖):低聚糖能起到低溫保護(hù)功能和脫水保護(hù)作用;海藻糖則具有相對(duì)較高的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。海藻糖—蛋白質(zhì)—水微冰晶的形成,有效防止了水對(duì)玻璃化態(tài)的增塑作用。并且其內(nèi)部氫鍵較少,有利于蛋白質(zhì)分子間形成氫鍵。多元醇(甘露醇、山梨醇、丙三醇):多元醇具有和糖一樣的作用。甘露醇無(wú)菌濾液穩(wěn)定,不易被氧化,可提供支持結(jié)構(gòu),并且不與活性組分發(fā)生反應(yīng);山梨醇是甘露醇的同分異構(gòu)體,但其溶解度比甘露醇大,在常溫下呈粘稠的透明狀液體,有旋光性,略有甜味,具有吸濕性,高溫下不穩(wěn)定,在冷凍干燥配方中,山梨醇常用作填充劑。
  
  2.表面活性劑類表面活性劑是降低界面的張力,親水、親油基組成的化合物。表面活性劑可分為離子型、非離子型。凡是溶于水能電離成離子的,稱為離子型表面活性劑,否則稱為非離子型表面活性劑。表面活性劑在凍結(jié)和脫水過(guò)程中既能降低冰、水界面張力所引起的凍結(jié)和脫水變形,又能在復(fù)水過(guò)程中對(duì)活性組分起到潤(rùn)濕劑作用。但在凍干生物制品測(cè)定和長(zhǎng)期儲(chǔ)藏中,表面活性劑并沒(méi)有保護(hù)作用。
  
  3.氨基酸類氨基酸是蛋白質(zhì)的基本構(gòu)成單位,其中zui主要的是a-氨基酸。常用的氨基酸類保護(hù)劑有甘氨酸、谷氨酸、精氨酸和組氨酸,試驗(yàn)表明氨基酸是的填充劑。低濃度甘氨酸可通過(guò)抑制10或100mmol/L磷酸緩沖鹽結(jié)晶所致PH值的改變而阻止蛋白質(zhì)藥物變性,并且能升高成品的塌陷(崩解)溫度,阻止因塌陷而引起的蛋白質(zhì)藥物的破壞。
  
  4.其它添加劑類其它添加劑類保護(hù)劑包括抗氧化劑、緩沖劑和凍干加速劑??寡趸瘎阂环N是抗氧化劑的自身氧化,消耗凍干樣品內(nèi)部和環(huán)境中的氧,使凍干樣品物料不被氧化;另一種使抗氧化劑給出電子或氫離子,阻斷凍干樣品中的氧化鏈?zhǔn)椒磻?yīng);還有一種方式是抗氧化劑通過(guò)抑制氧化的活性而防止凍干樣品的氧化變質(zhì),如維生素E、維生素C、硫代硫酸鈉、硫脲。緩沖劑:蛋白質(zhì)具有兩性電解質(zhì),既能和酸作用又能和堿作用。在中性環(huán)境中,大多數(shù)蛋白質(zhì)是穩(wěn)定的,由于蛋白質(zhì)溶液在凍結(jié)過(guò)程中溶液的濃度是逐漸升高的,所以在高濃度時(shí)可改變?nèi)芤旱腜H值,PH值變化4個(gè)單位導(dǎo)致蛋白質(zhì)變性,使生物制品失活。因此在凍干保護(hù)劑配方中,需添加適量緩沖劑。如,磷酸二氫鉀、磷酸二氫鈉。凍干加速劑:冷凍干燥過(guò)程耗時(shí)長(zhǎng)、耗能多,迫切需要對(duì)凍干循環(huán)進(jìn)行優(yōu)化,降低生產(chǎn)成本。叔丁醇是一種小分子醇,與水*互溶,具有低毒性、高蒸汽壓。在藥品水溶液中加入叔丁醇能起到以下作用:可降低干燥層阻力,從而加速干燥過(guò)程,縮短干燥時(shí)間;對(duì)于難溶于水的藥品,可使產(chǎn)品具有較高的比表面積、好的外觀,并易于復(fù)水,提高藥品溶液和凍干品的穩(wěn)定性,且有一定的抑菌作用。
  
  二、凍干保護(hù)劑的作用機(jī)理
  
  (一)凍結(jié)過(guò)程中低溫保護(hù)機(jī)理“優(yōu)先作用”機(jī)理認(rèn)為,蛋白質(zhì)溶液在達(dá)到zui大凍結(jié)濃度之前,優(yōu)先與水作用(優(yōu)先水合),而保護(hù)劑優(yōu)先被排斥在蛋白質(zhì)區(qū)域外(優(yōu)先排斥)。這是由于保護(hù)劑的加入,增大了水分子的表面張力,促使了蛋白質(zhì)分子優(yōu)先與水分子相互作用。在這種情況下,蛋白質(zhì)分子外表面比其體相中有相對(duì)較多的水分子和相對(duì)較少的保護(hù)劑分子,從而也就保護(hù)了蛋白質(zhì)的天然構(gòu)象。“優(yōu)先作用”機(jī)理并不能*解釋用聚合物或蛋白質(zhì)自身在高濃度時(shí)保護(hù)蛋白質(zhì)的現(xiàn)象。因此,必然存在其他保護(hù)作用機(jī)理。表面張力減小的機(jī)理可以用于解釋表面活性劑對(duì)蛋白質(zhì)溶液凍結(jié)過(guò)程的保護(hù)。限制蛋白質(zhì)分子擴(kuò)散的機(jī)理認(rèn)為,許多保護(hù)劑都能夠提高溶液的粘度,抑制活性分子的擴(kuò)散。
  
  (二)干燥過(guò)程中的保護(hù)機(jī)理玻璃態(tài)假說(shuō)在含有保護(hù)劑溶液的干燥過(guò)程中,當(dāng)濃度足夠大且保護(hù)劑不發(fā)生結(jié)晶時(shí),保護(hù)劑與活性組分混合物就會(huì)形成玻璃態(tài)。玻璃態(tài)分為兩種即:強(qiáng)玻璃和弱玻璃。在玻璃化轉(zhuǎn)變溫度以下進(jìn)行降溫,弱玻璃粘度的增加,比強(qiáng)玻璃來(lái)的快。因此,賦形劑形成弱玻璃要比形成強(qiáng)玻璃的保護(hù)效果好得多。蔗糖和海藻糖就是因?yàn)槟軌蛐纬梢环N弱玻璃而具有很好的保護(hù)作用。水替代假說(shuō)由于蛋白質(zhì)分子中存在大量的氫鍵,結(jié)合水通過(guò)氫鍵與蛋白質(zhì)分子連接。當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)在冷凍干燥過(guò)程中推動(dòng)水分后,保護(hù)劑的羥基能夠替代蛋白質(zhì)表面上水的羥基,使蛋白質(zhì)表面形成一層“水合層”,這樣就可以保護(hù)氫鍵的聯(lián)結(jié)位置不直接暴露在周圍環(huán)境中,從而保持了蛋白質(zhì)天然結(jié)構(gòu)和功能的完整性。當(dāng)冷凍干燥時(shí),保護(hù)劑可與生物大分子的失水部位形成氫鍵,替代保持生物大分子凍干損傷。
  
  (三)儲(chǔ)藏過(guò)程中的保護(hù)機(jī)理干燥過(guò)程中出現(xiàn)的引起蛋白質(zhì)變質(zhì)的時(shí)間尺度為小時(shí),而對(duì)于儲(chǔ)藏而言,時(shí)間尺度為月或年。在正確的冷凍干燥工藝中,要求產(chǎn)品溫度接近于其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度,而在正確的儲(chǔ)藏條件下,環(huán)境溫度應(yīng)當(dāng)比其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度低得多,以獲得很長(zhǎng)的松馳時(shí)間。
  
  三、耐熱凍干保護(hù)劑配方需要注意的問(wèn)題
  
  確定*的pH值生物制品中的活性成分(如蛋白質(zhì))只有在很小的PH值范圍內(nèi)才是穩(wěn)定的,并且不同的PH環(huán)境會(huì)影響蛋白質(zhì)的溶解性。*的PH環(huán)境有利于蛋白質(zhì)的穩(wěn)定性和它在溶液中的溶解性,冷凍干燥配方的PH對(duì)凍干生物制品長(zhǎng)期儲(chǔ)藏的穩(wěn)定性也會(huì)帶來(lái)很大影響。另外,酸堿度會(huì)影響固體狀態(tài)下蛋白質(zhì)的物理和化學(xué)的穩(wěn)定性。緩沖劑的選擇許多緩沖劑能夠用于生物制品耐熱保護(hù)劑配方中,但是并非每一種緩沖劑都能夠用于任何溶液;對(duì)PH值敏感的蛋白質(zhì)溶液,就應(yīng)當(dāng)避免使用磷酸鈉緩沖液,這是由于在凍結(jié)過(guò)程中,Na2HPO4易于優(yōu)先結(jié)晶,使得溶液的PH降低,zui終引起蛋白質(zhì)變性;正確選擇緩沖劑的濃度也是很重要的。填充劑的選擇填充劑有相當(dāng)好的溶解性,與生物制品中活性組分相容,沒(méi)有或者只有很小的毒性,具有較高的共晶溫度。低溫、干燥保護(hù)劑的選擇糖類是生物制品冷凍干燥過(guò)程中使用zui頻繁的保護(hù)劑,一般不選用還原性糖,因?yàn)樗赡芘c蛋白質(zhì)之間發(fā)生非酶褐變反應(yīng);某些鹽類也要用作生物制品在冷凍干燥過(guò)程中的保護(hù)劑;某些聚合物,因其能提高玻璃化轉(zhuǎn)變溫度,而常被用作保護(hù)劑。但是,聚合物與蛋白質(zhì)分子形成氫鍵的能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于糖類,所以常常采用聚合物和糖聯(lián)合使用,當(dāng)然,這種方式并不是對(duì)每一種蛋白質(zhì)都是有效的。本研究采用上海億倍中試機(jī)型YB-FD-50L進(jìn)行凍干保護(hù)劑效果驗(yàn)證。上海億倍YB-FD-50L機(jī)型可實(shí)現(xiàn)預(yù)凍多階段控制,預(yù)凍溫度可調(diào)可控;升華階段及解析階段可按工藝要求進(jìn)行制品溫度,箱內(nèi)真空度及升溫速率控制。驗(yàn)證過(guò)程中證實(shí)預(yù)凍過(guò)程中凍干保護(hù)劑達(dá)到需求效果關(guān)聯(lián)因素有:凍干設(shè)備性能(凍干機(jī)隔板均一性,降溫速率大小及傳熱性能等);凍干工藝是否擬合凍干保護(hù)劑性能;凍干保護(hù)劑濃度是否正確。

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