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测个单抗黏度,还要什么5G!

发布时间:2019-10-11 阅读:95

    随着单抗高浓度制剂的开发,zui终要解决一个核心问题:溶解度和黏度的关系。溶解度和黏度不是简单的线性关系,随着浓度的提高,达到一拐点之后,黏度会发生指数级的增长。黏度涉及单抗的功能性指标、单抗药物的使用性,生产工艺的调整和优化,单抗的存储和运输。
    过高的黏度会带来一系列的问题:
    1、药物难以注射,
    2、患者使用体验差,
    3、超滤浓度倍数低、生产效率低下;
    4、难以灌装;
    5、运输和储存的问题等等。单抗黏度的影响因素众多:pH值、剪切速率、温度、离子强度、表面活性剂、结构稳定剂、蛋白分子间的作用力、各种添加剂等等。精准的黏度数据,对单抗药物的研发、生产、存贮和运输意味着更多。
    黏度是一个细分领域,由于传统的黏度测量技术,通常测量的是相对黏度或者表观黏度,测量的准确性、重复性和稳定性存在问题,导致大家对黏度测量关注的不是太多。以为黏度仅仅是一个简单的数值,很难和实际应用联系起来。但随着技术的发展,第5代黏度测量技术的出现,真实黏度的数据获取更加简单和准确,更多应用成为可能。
    黏度反映分子间的作用力
    黏度是流体对抗流动的阻力,是分子级别的作用力,黏度可以反映:
    分子等级间的行为尺寸, 形状, 相互间作用力微结构精准的黏度测量意味着更多的应用,真实黏度数值反映流体的真实物性,有着非常具体的应用:
    1、单抗注射推力计算;
    2、超滤的渗透压计算,膜衣的选择,浓缩倍数设计;
    3、泵的选型;
    4、灌装系统的优化;
    5、处方开发筛选等等。
    前几天参加一个抗体药物的会议,一位行业大咖看了美国药典收录的zui新的黏度测量技术!测个黏度还要这么复杂的仪器,用个玻璃管的不就行了吗”。
    全自动微量真实黏度计
    玻璃管黏度计,又叫毛细管黏度计,18世纪就开始得到广泛的应用,由于毛细管技术历史悠久,各种价位的选择较多,目前还在广泛使用。市面上,还一种使用较为广泛的是旋转黏度计,是1930年左右发明的。1950之后又出现了落球式粘度计。由于以上的方法通常测量的是相对黏度,导致不同的方法、不同的仪器测量结果无法进行对比,甚至同一种方法、同一厂家、不同型号、不同转子的仪器测量结果都无法有效对比。
    直到绝对黏度测量技术的出现,美国药典在2013年单独列出了流变仪的方法,气动轴承的流变仪,可以较为精确的测定剪切应力和剪切速率,使得不同型号的仪器对比成为可能,但绝对流变仪在测量复杂流体和生物流体面临一系列的挑战。美国药典USP在收录毛细管法、旋转法、落球法和流变法四种黏度测量方法的基础上,于2014年收录了VROC芯片法作为黏度测量的第5代技术,命名为914方法,和通信领域一样,黏度测量也有自己的5G(Generation)技术了。
    美国药典收录的5代黏度测量方法
    关于黏度测量的5G技术(914方法),美国药典USP推荐理由如下:
    表观黏度和真实黏度数据出具
    同时适用于牛顿流体和非牛顿流体黏度准确测量;
    在极大减少样品量的同时,依然表现出色的重复性和稳定性;
    特别适用于生物流体样品的测量;
    微量样品,更多剪切速率范围选择;
    样品回收,重复测量功能。
    什么是黏度
    黏度是流体对抗流动的阻力,是分子级别的作用力。黏度可以反映:
    分子等级间的行为,
    尺寸, 形状, 相互间作用力,
    微结构。黏度是反映流体流动属性的一个必不可少的重要参数。
    按照测量原理分
    按照测量原理分为:
    剪切黏度;
    拉伸黏度;
    剪切黏度是基于流体平流的假设,由剪切流场引起的流体形变,即作用力和流体流动方向平行。
    剪切黏度
    剪切黏度包含动力黏度和运动黏度,动力黏度就是我们通常说的黏度,单位为Pa·s或者mPa·s,也常用cp表示,1cp=1mPa·s。
    拉伸黏度,由拉伸流场引起的流体形变,即作用力和流体流动方向垂直。
    拉伸黏度
    按照测量结果分
    按照粘度的测量结果,可以分为:相对黏度、绝对黏度、特性黏度;
    相对黏度
    顾名思义,就是在一定的标准、一定的方法、一定的仪器和一定的形状下,测量所得的黏度值,不同的仪器和不同的标准之间往往无法比较,甚至同一种方法、同一个厂家、不同型号的仪器都无法实现有效对比。
    羟丙基纤维素(HPC, xxx旋转黏度计)控制标准,相对黏度测量结果
    绝对黏度
    绝对黏度分表观黏度和真实黏度,表观黏度的意思是比如给机器一个命令,让它执行5000s-1的剪切速率,默认机器分毫不差的执行的就是5000s-1的剪切速率,同样默认流体内部的剪切速率也是5000s-1,然后测得剪切应力,通过黏度的计算公式,剪切应力/剪切速率得到流体的黏度。
    而真实黏度要考察的是给机器5000s-1剪切速率的命令,机器真正执行的是什么样的剪切速率,需要一个负反馈机制知道,如下表,可能实际只有4996s-1,而传导到流体内部是一个什么样剪切速率,牛顿流体是一个统一的值,而非牛顿流体,就各有各的不同,不仅需要一个准确的测量,还需要至少三个不同剪切速率点的测量数值,以实现有效的非牛顿校正,得到真实的非牛顿流体剪切速率,以计算真实黏度。
    真实黏度的非牛顿校正
    真实黏度反映流体的真实物性,可以转化成其它具体的数据,比如通过真实黏度计算的流体推力和拉力机测量的结果非常接近,文章第      结合具体案例来讲。
    特性黏度
    特性黏度是浓度趋于零时比浓黏度的极限值特性黏度,反映单个溶质分子对溶剂黏度的贡献,可以用来计算分子量,分子尺寸,反映分子聚合、裂解以及构象的变化,分子间的作用力等等。用来计算分子量的方法很多,但随着黏度测量精度和重复性的提高,尤其是第5代黏度测量手段的出现,通过黏度测量分子量毫无疑问是一种非常便捷有效的测量方法,目前第五代黏度测量技术也发展出单点特性黏度的测量方法,依然保持出色的精度、重复性和稳定性。
    单抗黏度测量面临的挑战
    牛顿流体和非牛顿流体
    流体分为简单流体和复杂流体,简单流体即我们通常所说的牛顿流体,由于气压可以忽略,牛顿流体黏度只与温度有关,比如水、乙醇等小分子物质,在特定的温度下,只有一个特定的黏度值;而非牛顿流体,像一些大分子物质或者多组分物质,黏度不仅与温度有关,而且与剪切速率有关,特定温度下,黏度值会随着剪切速率的不同,而有不同的黏度表现,有着一系列复杂的流变动力学曲线。
    牛顿流体和非牛顿流体
    单抗流变曲线的复杂性
    溶解度和黏度
    随着皮下注射的发展,单抗药物高浓度制剂的开发越来越受到重视。高浓度单抗药物开发的核心问题,是如何有效的解决浓度和黏度的关系。如下图所示,单抗药物的黏度与浓度的关系不是一个简单的线性关系,随着浓度的增加,达到一个拐点之后,黏度会发生指数性的升高,达到下一个拐点之后,黏度可能升的更快。更高的黏度会带了一系列使用、生产和存贮的问题。真实黏度的测量就显得尤为重要。
    单抗药物溶解度和浓度的关系 
    单抗药物的剪切速率相关性
    单抗药物的高浓度制剂有者非常明显的剪切速率相关性,如下图所示的案例,当剪切速率超过10000s-1后,黏度会有明显的下降过程。
    单抗药物的剪切速率相关性
    在单抗的过滤、灌装、泵送过程中,剪切速率可以达到20000s-1,而单抗在使用注射的时候,剪切速率通常在30,000s-1至300,000s-1之间。
    注射药物的推力由两部分构成,一个是流体黏度产生的反作用力,另外一个是摩擦力,摩擦力通常很小,如果能够通过真实黏度计算出黏度的反作用力,根据注射器的型号和相应的参数,就可以知道在注射的时候需要的推力了。
    单抗药物,作为生物流体,提取非常困难,通常微升μl级别的样品,而绝对流变仪通常要毫升ml级别的样品
·流变仪测量的时候会接触大量的空气,存在界面张力、挥发等问题,导致测量结果存在误差
    流变仪中的锥版流变仪测量结果较为稳定和准确,但在测量微量的单抗样品时,面临样品均一、裂缝和气泡的问题,缺乏有效的负反馈机制
    流变仪在测量低黏度样品时,精度和重复性是一个巨大的挑战
单抗药物高浓度制剂的发展,如何有效的解决溶解度和浓度的问题,既要实验高浓度的单抗药物,又要同时控制单抗药物的黏度,因此要考虑种种手段来调整粘度,目前已知单抗黏度的影响因素有:浓度,温度,剪切速率,Buffer体系,表面活性剂,pH值,离子强度等等众多因素,由于黏度是反映分子间的作用,同一种蛋白的展开和聚合,分子结构的任何变化,都会在黏度上体现出来,甚至不同的蛋白药物混合,都可能导致黏度发生超出想象的变化,如何实现对这些参数快速、准确的筛查,是传统的黏度测量手段的一个巨大挑战。







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