工艺设计空间及其开发

【NO.1】设计空间概述

在定义CQA之后，下一个也是更关键的步骤是开发一种生产工艺，以生产具有所需CQA的产品。在工艺开发过程中，会定期评估几个工艺参数，以评估它们如何影响产品质量。该工艺的设计空间最终从这样的研究中演变而来。例如，在细胞培养发育过程中，可以评估温度、pH值和进料时间等过程输入范围，以确定在一定的温度和pH值范围内作是否对产品质量有影响。实验设计（DOE）的进行方式是为了评估多变量（多变量）的影响，并了解一个或多个过程输入的变化是否以及如何影响产品质量和/或过程输入是否独立于其他输入的变化。

然后为上述每个过程输入建立设计空间（过程范围）。这可以进一步解释使用一个设计空间的例子用于纯化柱。如果预计用于纯化蛋白质的色谱柱会将蛋白质聚集体水平降低到2%，则评估各种色谱柱操作参数，例如流速、pH值和缓冲液强度、上样量等等，这样在这些参数的一定范围内操作产生的总水平小于或等于2%。事实证明，pH高于6或低于4导致聚集体水平高于2%，那么缓冲液pH的设计空间被定义为4到6之间。最终，分子的整个生产过程将具有一个明确的设计空间，并在该设计空间内操作应该会产生质量可接受的产品。超出特定过程输入的设计空间进行作可能会导致产品质量不可接受。

由于生物分子的生产过程涉及多个步骤，从细胞培养过程到最终纯化，最后到配制和填充所需的容器，因此为特定步骤开发设计空间通常不独立于生产过程中的其他步骤。由于一个步骤的输出将成为下一个步骤的输入，因此应该以整体的方式评估流程设计空间的开发。其中一种方法可能是从最终过程步骤确定所需的产品质量，并在过程中向后工作，以确保过程的每个步骤都提供下一步所需的产品质量，以满足最后一步的质量目标。为了提供这种方法的一个例子，我们可以回顾上面的最终药品中期望的2%总量水平的例子。

在这种特殊情况下，应为生产过程的所有参数开发设计空间，这些参数可能会影响最终药品中的聚集体水平。工艺中每个步骤产生的聚集体的最大水平不需要低于2%，尤其是工艺上游的步骤，例如蛋白A纯化，这是抗体纯化中使用的第一根色谱柱。

【NO.2】设计空间和QbD的效用

在开发设计空间之前，需要思考：如何使用设计空间？对一个公司来说，发展一个它的任何产品的设计空间有什么优势。监管机构推广设计空间和QbD概念的驱动力是什么？

图1.1.从工艺表征研究中创建工艺设计空间的图示及其与特征和操作空间的关系。操作范围表示制造程序中的范围，表征范围是检查过程表征的范围。可接受范围是特征研究和定义过程设计空间的输出。

如图1.1所示，确定产品质量和过程性能属性可接受变异性的限值也将用作过程验证验收标准。在确定设计空间后，监管文件将包括所有核心和关键操作参数（即设计空间）的可接受范围，以及通常为药品描述的更受限制的操作空间。获得批准后，将对CQA进行监控，以确保流程在定义的可接受可变性范围内执行，该可变性是归档设计空间的基础。扩大设计空间的主要好处是监管机构采用更灵活的方法。工艺变化通常是由生产设备和原材料的变化驱动的，仅举几例。目前，工艺的变更需要监管机构的正式备案和批准，并且通常需要为行业和监管机构投入大量时间和资源。设计空间开发的结果（如ICH Q8指南中所述）将是在监管机构批准特定产品的设计空间后，设计空间内的工艺变更不需要额外的监管备案和批准。这种使用增强的过程知识来实现工艺变更的范式转变，同时减轻了监管部门的审批负担，这显然对制造商和监管机构都有好处。

图1.2.将设计空间概念应用于工艺表征、验证、监测和监管申报

在产品生命周期中，在工艺一致性和处理量方面进行工艺改进，可以减少批准后提交。随着制造经验的增长和工艺改进的机会的确定，操作空间可在设计空间内修改，无需提交后审批。这在图1.2中进行了说明，它表明，如果工艺蔓延到设计空间之外，则可能需要进行工艺更改，并且可能需要对批准的流程设计空间进行工艺表征、验证和提交更改。

【NO.3】开发设计空间

图2.6描述了开发此类设计空间的一些初始步骤。首先定义生产步骤需要实现的产出非常重要。这些将是研究色谱步骤中评估的反应。这需要确定最终产品必须满足的CQA。之后，必须设置色谱输出性能指标，以便整个过程提供最终产品CQA。在初始工艺设计中还应考虑生产步骤的一般要求（例如：方法的选择）。

图2.6.设计空间的生成从定义适当的响应、过程方法和重要的过程变量开始。（a）电荷异构体和杂质根据风险评估被定义为重要的产品属性，例如图2.2中描述的决策树。（b）根据先前的知识，流通式离子交换纯化步骤被认为是控制产品中这些属性的适当策略。（c）鱼骨图或石川图可用于描述各种各样的变量以及变量与产品质量的关系。(d)诸如FMEA之类的风险评估可用于根据可能性、严重性和可检测性对这些因素的重要性进行排序

在图2.6a中，步骤要求是去除亚能电荷异构体和杂质。然后选择流通式离子交换柱来满足这些要求（图2.6b）。可能影响离子交换性能的潜在因素列在因果图中，例如鱼骨图或石川图（图2.6c）。因素列表应该很广泛，以免错过任何变量。由于无法研究所有因素，因此需要评估相对风险。失效模式和影响分析（FMEA）就是这样一种风险评估和管理工具（图2.6d），它考虑了事件的概率、严重性和可检测性。适当的跨学科专业知识和其他先验知识对于生成有意义的风险评估很重要。

风险评估后，可以使用DOE研究一组更有限的变量。除了定义要研究的变量外，还需要设置适当的范围。对于筛选，范围应设置在实验噪声之上，并且范围应足够宽以检测重要的变量。筛查方法，例如分数阶因或Plackett-Burman设计，可用于减少待研究变量的数量细节。

图2.7。两个变量的实验设计。这是一种中心复合周向设计，电位设计生成响应面图。与左侧实验点关联的数字以表格格式列出，指示实验条件。轴向点（6–9）延伸到交互点（1–4）之外（1.4倍），这在右侧表中由星号表示

这些筛选设计可能会混淆不同的变量相互作用，甚至混淆主要效应与相互作用。在通过筛选进一步减少重要变量后，可以使用更广泛的DOE用于细化估计变量效应和交互作用。在图2.7中，显示了一种这样的设计，即中心复合圆周设计（CCC）。本设计假设风险评估和筛选研究已将pH值和蛋白质负载定义为流通离子交换步骤中的重要因素。除了评估高水平和低水平（全因子）的所有交互作用外，该设计还包括多个中心点以评估实验变异性和每个参数的扩展轴点（另一个参数保持在中点值）。DOE的解释取决于对变量和响应之间的关系进行建模。更广泛的设计，例如CCC，可能用于生成链接变量和响应的等值线图。这样的绘图可以成为设计空间的基础。在图2.8a中，显示了碱性变体、酸性变体和杂质的三个假设响应等值线图。根据实现产品CQA的需要，所有三个响应的可接受限值均在图上方指示。覆盖所有三种响应的可接受区域可能导致双因素设计空间（图2.8b）。

使用DOE对生物技术产品进行色谱分析并不是一种新方法。DOE已用于证明经验色谱参数内的稳定性。DOE也可用于优化色谱参数。对于QbD，DOE可用于建立超出用于中试和全尺寸批次的经验范围的初始设计空间。为了支持更大的设计空间，可以设置更大的变量范围。但是，如果范围太宽以至于多个实验失败，则可能需要使用更窄范围的额外实验。

图2.8.根据三个响应等值线图生成初始设计空间。（a）阴离子交换柱步骤旨在控制电荷变体和杂质。假设等高线图模型来自DOE对三种重要反应进行了研究.每个图上方显示了基于临床经验和适当研究的这些响应的局限性。（(b)三个响应图的可接受区域的叠加可以用来定义一个初始设计空间。如上所述，用于构建设计空间的数据是假设的，可能无法反映任何产品在实际色谱中的行为。

在开发设计空间时，可能需要两个以上的变量。在设计空间中添加的电导率如图2.9a所示。图2.9b显示了三个变量的CCC设计。在图2.9c中，使用帕累托图对每个变量的影响和所有可能的交互作用进行排序。方差分析（ANOVA）可用于为变量和交互作用的影响分配显著性。在这个假设的情况下，所探索范围的电导率具有临界意义。然而，pH值和电导率的相互作用对杂质水平有重大影响。

图2.9.DOE通常涉及许多变量，应对每个变量和交互作用的重要性进行排序。（a）流通色谱步骤的设计空间可能还需要考虑电导率。（b）显示了三个变量的中心复合外接设计。(c)可使用帕累托图来评估主要影响和相互作用的相对重要性。对于其中的每一个，响应（例如，杂质水平）可以在重复的可变性和建模残差（与模型的偏差）的基础上进行规范化并赋予显著性。所描述的效果是假设的，可能不能反映任何产品在实际色谱中的行为。

可接受的DOE的考虑因素可能包括与实验范围的重复变异性、数据和/或结果的适当转换、模型的适当选择（例如，主效应、交互作用、二次）、回归的选择（例如，偏最小二乘法、多元线性回归）、拟合优度（R2、调整后的R2、Q2）和方差分析（回归拟合、失拟检验）。

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