質量源于設計與高端制劑的開發和質量控制

胡雪丹，李菁，孫敏捷

（中國藥科大學藥劑學教研室，江蘇 南京 210009）

質量源于設計（quality by design，QbD）理念在21世紀初由美國食品和藥品管理局（FDA）引入制藥行業[1]。隨后，人用藥品注冊技術要求國際協調會（ICH）出臺了藥物開發（Q8）[2]、質量風險管理（Q9）[3]和藥物質量體系（Q10）[4]等相關指南，詳細闡述了QbD理念。作為一種系統的藥物開發方法，QbD以預定義的產品目標為起點，以科學和質量風險管理為基礎，強調對產品和過程的理解及過程控制[2]。QbD對于制藥行業來說是一個機遇，為藥品帶來價值，為制藥行業、監管部門和患者帶來利益[5]。

盡管QbD的理念和優勢已被廣泛接受，但其在制藥行業中的應用尚未被完全開發。受資金、時間和經驗的限制，制藥行業對QbD方法的實施和基礎知識的掌握仍有欠缺[5-7]。Grangeia等[5]的調查研究顯示，QbD方法主要應用于常規劑型，如速釋片。然而對于高端制劑或藥物遞送系統開發，對其工藝如何影響產品質量的理解還不足，產品開發階段相當復雜，需要大量的知識積累且耗費時間[8]。QbD將是一種有效的策略，增強對處方和工藝的理解，優化復雜給藥系統。因此本文結合QbD方法實施案例，展開介紹了QbD的主要元素、實施步驟及輔助工具；以緩控釋制劑、納米制劑、生物技術產品為主，介紹了QbD在高端制劑開發中的應用及優勢，以期為國內制藥行業更好地實施QbD提供思路；此外，分析方法作為藥品研發中質量控制的手段，其QbD方法的實施也將加以介紹。

1 質量源于設計的執行步驟與工具

QbD的執行步驟如圖1所示。

圖1 質量源于設計（QbD）的執行步驟[9]Figure 1 Sequence of steps for conducting quality by design (QbD)

1.1 目標產品質量概況和關鍵質量屬性

明確目標藥品的質量概況是實施QbD的第一步。ICH Q8將目標產品質量概況（quality target product profile，QTPP）定義為“從理論上達到對藥品質量特性的前瞻性總結，確保預期的質量，同時兼顧藥品的安全性和有效性[2]”。FDA發布了簡略新藥申請（abbreviated new drug application，ANDA）的QbD：分別選取緩釋制劑[10]和速釋制劑[11]的實例，介紹了開發早期由原研藥品的特點、說明書、質量標準及臨床給藥特點等方面總結QTPP的方法。同樣的，在開發高端藥物制劑過程中，QTPP可以從劑型、規格、給藥途徑、藥動學、穩定性等方面入手[10]。以上這些質量要求被稱為質量屬性（quality attributes，QAs），其中受制劑處方或生產工藝的變動而受到影響的關鍵質量屬性（critical quality attributes，CQAs）是藥物開發過程的研究重點[12]。

Sipos等[13]開發了一種無增黏劑和防腐劑的美洛昔康（meloxicam）鼻腔給藥聚合物膠束凍干粉針，其再分散性好，2 s內復溶為液體產品，作為滴鼻劑或噴霧劑可隨時使用。該產品QTTP被定義為基于Soluplus?（聚乙烯己內酰胺-聚乙酸乙烯酯-聚乙二醇接枝共聚物）的含美洛昔康的聚合物膠束，具有合適的粒徑及分布、最佳的物理化學特性、適當的溶解性和滲透性，以便通過鼻內給藥到達中樞神經系統，作為一種非甾體抗炎藥用于成人患有神經退行性疾病的治療。風險評估將可能影響最終產品的潛在因素分為材料特性、生產方法、產品特性和治療期望。產品的CQAs為平均粒徑、多分散性、zeta電位、溶出時間、包封率、溶解性和滲透性、穩定性、毒性/刺激性，對聚合物膠束的質量和療效影響大，由此進行控制，指導產品和工藝開發，以確保所需的產品質量。

1.2 風險評估

在建立了期望產品的QTPP和CQAs后，需要對處方變量和工藝參數進行風險評估，確定關鍵物料屬性（critical material attributes，CMAs）和關鍵工藝參數（critical process parameters，CPPs）。風險評估是實施QbD的重要工具，也是質量風險管理過程的第一步，這一過程包括識別、分析和評估，用于識別風險發生的可能性及其后果和嚴重程度[3]。常見的風險評估工具包括：石川圖/魚骨圖、失效模式及后果分析（failure mode and effects analysis，FMEA）、故障樹形圖分析、危害分析和關鍵控制點、風險排序和過濾等[3]。其中，以FMEA[14-15]和石川圖[16-17]最為常用。

QbD的開展需要進行充分的風險評估，包括CQAs確定前、風險控制和風險控制完成后[9]。Mohammed等[9]演示了QbD方法的實施流程（見圖1），過程中使用了3次FMEA，在實驗設計（design of experiments，DoE）完成后進行風險評估確定風險是否降低。如果風險沒有降低，那就說明可能使用了錯誤的CPPs或CMAs，應查明這些風險因素的可能性和潛在嚴重性以及由此產生的失效模式，從而減輕風險因素。

1.3 實驗設計、設計空間和控制策略

DoE是QbD常用工具，用于確定影響過程的輸入因素（如CMAs、CPPs）和該過程的輸出（即CQAs）之間的關系，最終確定最佳工藝條件和設計空間[18]。DoE一般包括篩選和優化設計。Plackett-Burman設計是常用的篩選設計，僅用于篩選關鍵因素[19]。響應面法是一種廣泛使用的優化方法，包括中心復合設計[20]、Box-Behnken設計[17]等，運用數學模型和統計分析方法，考察各變量或變量之間的交互作用對關鍵質量屬性的影響，從而獲得最優條件。在藥品的整個生命周期中，DoE對產品設計的選擇、穩健的商業生產流程、設計空間和總體控制策略均至關重要[21]。

合理的DoE將有效減少實驗次數，降低研究成本并確保結果可靠。Prentice等[22]在單抗純化過程中，基于QbD方法，先后運用全因子實驗設計和部分因子實驗設計（包括2個中心點），依次評估了使用辛酸鈉進行宿主細胞蛋白還原沉淀的7個工藝參數對產品質量（沉淀產物和產品中的宿主細胞蛋白雜質、單體純度、電荷變化）和工藝性能（步進收率和過濾性能）的影響。相比于單一多變量全因子實驗設計，本研究的兩步DoE，在不影響工藝理解的情況下，將實驗總數由128個減少到32個。通過工藝建模和模型擬合分析最終獲得設計空間和控制策略：沉淀步驟中辛酸鈉濃度≤1%（m/v）、pH 5.0 ～ 6.0可實現產品的宿主細胞蛋白含量小于0.01%、沉淀步驟產率≥90%的預期目標。沉淀步驟pH 5.0 ～ 5.3則可實現產品的宿主細胞蛋白含量小于0.007%。

設計空間內的處方、工藝可最大限度地實現產品所需的CQAs。Hales等[20]通過QbD開發了用于結腸靶向的負載姜黃素聚合物微粒（Col-CUR-MPs）口服給藥系統。通過中心復合設計確定輸入變量[pH依賴性腸溶性聚合物Eudragit?FS比例、姜黃素濃度和聚合物混合物（Eudragit?FS-聚己內酯）濃度]和響應（粒徑和粒徑分布、載藥量和包封率、收率、體外釋放）之間的函數關系。實驗設計的有效性和回歸模型對實驗數據的擬合度通過擬合優度（R2）、預測精度和方差分析來驗證。設計空間被描述為二維等高線圖。在設計空間內、外各選擇了一個配方制備Col-CUR-MPs，結果顯示，設計空間內的配方所制備的產品，其CQAs均達到期望，而設計空間外的配方，除粒徑分布外，所有實驗結果均在期望范圍之外。Kim等[23]運用QbD將替米沙坦和氨氯地平雙層片開發成單層片（TA），隨著DoE模型的開發和驗證，最終通過多維組合CMAs和CPPs對每個響應的單獨接受區域得到最佳設計空間。在設計空間內制備的TA與雙層市售產品Twynstar?具生物等效性，但TA尺寸減少了50%，且無需再使用雙層壓片機，簡化了工藝，實現了比傳統雙層片（90% ～95%）更高的單層片產品產量（95% ～ 100%）。綜上，實施QbD的目的不僅限于得到某一最佳處方或工藝最優解，關鍵在于建立一種可以在一定范圍內調節偏差以保證產品質量的處方和工藝，即設計空間。在對產品和工藝的理解上，建立控制策略，確保生產的產品在設計空間設定的質量標準之內，并進行持續監控和改進，保證產品在生命周期內質量一致。

1.4 過程分析技術

過程分析技術（process analytical technology，PAT）也是QbD開發中一個重要工具。常用的過程分析儀有拉曼光譜、近紅外光譜、傅里葉變換紅外光譜、熒光光譜和紫外/可見光譜等[24-25]。PAT通過對藥物制造和生物加工過程進行實時近線、在線或線內測量，快速、無損地提供化學和物理性質信息，必要時有可能對參數立即進行調整，以糾正錯誤，增強對過程的控制[26-27]。

Gavan等[28]采用微近紅外光譜技術，結合DoE和多元數據分析，對含2種活性藥物成分產品的流化床造粒過程的關鍵造粒參數——顆粒水分含量進行線內監測。該研究根據配方的特殊性對工藝參數進行精確控制，實現了產品在設計空間內的維護，消除了材料相關的變異性，并提供了一個用戶友好的過程控制策略。Won等[29]在運用QbD方法開發由緩釋層中的高劑量鹽酸二甲雙胍（metformin）和速釋層中的低劑量酒石酸艾格列?。╡vogliptin tartrate）組成的雙層片劑過程中，采用近線透射拉曼光譜，實時測量雙層片中小劑量藥物的含量均勻性。該研究基于QbD和PAT解決了2種藥物劑量差異較大的情況下，對CQA（如藥物含量均勻度）的負面影響。

2 基于質量源于設計的緩控釋制劑開發

FDA發布的ANDA中緩釋制劑的實例[10]，設計為速釋顆粒、延遲釋放包衣微丸和外加緩沖劑及其他輔料一起壓制的刻痕片，為緩釋口服固體制劑研發中實施QbD提供了經驗和知識。Kanwal等[30]通過合理使用QbD方法和工具，成功開發了苯磺酸氨氯地平（amlodipine besylate）和辛伐他?。╯imvastatin）差速釋放固定劑量復方片，Eudragit?RSPO-磷酸二鈣共混物是控制藥物釋放的關鍵，實現片劑中2種藥物的差異釋放。Patel等[31]運用QbD方法制備供兒童患者使用的頭孢泊肟酯（cefpodoxime proxetil）雙釋微丸型干混懸劑。該過程構建魚骨圖確定CQAs，再用FMEA定量評估速釋微丸和緩釋微丸的初始風險變量的風險優先級數。預實驗確定HPMC K100M濃度和Eudragit?RSPO濃度是影響藥物釋放的關鍵。HPMC K100M濃度和Eudragit?RSPO的濃度被選為32全因子實驗中的自變量，Q2（2 h藥物累積釋放量）、Q10（10 h藥物累積釋放量）、t50（藥物釋放50%所需時間）和t90（藥物釋放90% 所需時間）為因變量，通過響應面分析確定設計空間，并制定雙釋微丸的控制策略：滾圓速度（1 200 r · min-1）、滾圓時間（15 min）、擠出速度（55 r · min-1）、擠出時間（10 min）、混合時間（5 min）、干燥時間（10 ～ 15 min）和黏合劑濃度（1% ～ 3%）。

Shinde等[17]采用QbD法開發了聚乙二醇包衣的琥珀酸美托洛爾（metoprolol succinate）微丸型緩釋片。該研究以微丸片的含量、釋放度和硬度作為CQAs；通過石川圖和FMEA分別定性、定量評估影響藥品質量的潛在風險參數；采用Plackett-Burman設計（七因素兩水平）篩選顯著因素，選擇羥丙甲纖維素、乙基纖維素、固化時間進行Box-Behnken設計優化變量范圍。該羥丙甲纖維素微丸型緩釋片的開發通過最少的實驗來實現所需的藥物釋放特性，從而減少開發時間、成本和勞動力，最終配方和工藝在設計空間內能保證產品質量。

3 基于質量源于設計的納米制劑開發

制藥行業普遍重視開發納米藥物產品以提高藥物的治療性能，拓展臨床應用[32]。然而也由于納米藥物設計復雜、結構不穩定和在納米尺度上的制藥特性使得納米工程藥物的質量和安全性更難控制，限制了其工業生產和臨床應用[32]。因此有必要以一種更可控和更一致的方式開發納米藥物。QbD及產品CQAs的識別和規范對于藥物納米材料的設計、開發和生產至關重要[33]。

廣泛定義的CQAs一般包括納米材料的形態、尺寸、多分散性、表面電荷、載藥量、藥物包封率、體外藥物釋放曲線、藥代動力學性能、藥物穩定性等[32-36]。以脂質體為例，Németh等[35]基于QbD通過薄膜水合法制備了不含活性藥物成分的脂質體制劑“中間體”，QTPP為球形、大的單層囊泡。QbD提供了一個實用的決策系統，該系統能夠根據未來需要的預定目標，即活性成分、劑型和給藥途徑的要求，改變脂質體性質，快速得到質量穩定的目標產品。Lu等[36]將QbD方法用于含有親水活性藥物成分的脂質體產品的制備。該研究選用局麻藥布比卡因（bupivacaine）作為模型化合物，定義并評估了多囊脂質體藥物產品的3個CQAs：粒徑、形態和藥物包封率，使用風險評估來監控顯著影響包封率和粒徑的處方和工藝過程，證明了QbD用于多囊脂質體系統的可行性和優勢。

Rapalli等[15]基于QbD方法開發含有低表面活性劑濃度的酮康唑（ketoconazole）納米立方液晶的外用水凝膠。該納米立方液晶由彎曲的雙連續的三維脂質雙分子層和2個互穿但不接觸的水相納米通道組成，立方體中間相的分隔作用可用于引入親水、親脂和兩親性的客體藥物[37]?；赒bD方法開發的納米立方液晶比前人的方法[38]具有更高的經濟效益和更低的表面活性劑含量，實現了配方的優化，且在批量擴大研究中成功應用。

4 基于質量源于設計的生物技術產品開發

據Ter Horst等[6]統計，2014—2019年通過歐盟全面申請提交并使用QbD開發的大多數醫藥產品是小分子產品，而生物技術產品只占少數。生物技術產品及其制造過程復雜，產品質量依賴于生產工藝的穩定性和耐受性以及全過程控制，因此，對生物技術產品實施QbD仍然是一項挑戰[39]。生物技術產品CQAs可分為以下類別：與產品相關的變體和雜質、宿主細胞雜質、設施相關的屬性，以及與確定生物療法的特性和效力相關的屬性[14]。

糖基化是許多抗體產品的CQA，抗體糖基化修飾決定了抗體產品的特性和效力[40]。Agarabi等[41]在細胞培養中實施QbD，以穩定的高質量抗體產量為目標，利用Plackett-Burman設計篩選出影響單克隆抗體糖基化譜的關鍵因素為培養溫度和非必需氨基酸的補充，展示了一個能預測性改變單克隆抗體聚糖結構的單克隆抗體平行生物反應器培養模型。這項研究可用于指導未來的實驗工作，篩選細胞培養參數，在產品產量和關鍵生化質量屬性的一致性之間更好地取得平衡。

Rathore[14]介紹了QbD在一個生物類似藥——粒細胞集落刺激因子（granulocyte colony stimulating factor，GCSF）的純化過程中的應用。該研究主要圍繞受下游工藝步驟影響的CQAs：與產品相關的變體和雜質，如氧化、還原、聚集和甲酰甲硫氨酸化。運用DoE篩選和優化了蛋白質折疊步驟、pH調節步驟和單一色譜步驟（基于PAT的混合模式色譜），為色譜步驟開發創建高通量過程開發平臺，最終產品回收率可達90.0%，純度水平大于99.0%。對比GCSF商業工藝，基于QbD的工藝不僅使工藝產量提高了近3倍，而且使工藝時間縮短至原來的1/3，從而使工藝的總體生產率提高了近10倍。

綜上，在生物技術產品的上、下游工藝中使用QbD方法，圍繞產品CQAs，展開實驗設計和數據統計分析，獲得了穩健的設計空間。雖然有些步驟仍難以實現放大生產，但是增強了研究者對生物加工過程和產品的理解，并為QbD導向的生物技術產品開發提供了先驗知識。

5 基于質量源于設計的分析方法開發

在藥品研發和評價過程中，使用QbD和生命周期管理原則進行分析方法開發，能確保在整個生命周期內獲得可靠、準確和一致的性能方法，并確保原料藥和制劑的安全性和質量[42]?；赒bD的分析方法開發（analytical quality by design，AQbD）方法實施步驟如圖2所示[43]，工具與QbD類似。

圖2 基于QbD的分析方法開發（AQbD）工作流程的主要步驟[43]Figure 2 Main steps of the analytical quality by design (AQbD) process

AQbD方法被廣泛用于色譜方法開發。Tol等[44]運用AQbD方法，成功開發了一種高效液相色譜（HPLC）方法，同時測定阿巴卡韋（abacavir）、拉米夫定（lamivudine）和多替拉韋（dolutegravir）組合的抗逆轉錄病毒制劑中的有關物質。該復方制劑中存在近30個峰，包括3種原料藥、11種已知雜質和其他輔料，其相關物質的分析非常具有挑戰性。最初采用一次一因素（one-factor-at-a-time，OFAT）方法來開發，結果需要用2種不同的HPLC法測定有關物質。因此建立了AQbD方法：分析目標是分離所有的臨界峰并達到足夠的選擇性。在OFAT實驗基礎上確定拉米夫定羧酸雜質的保留時間和2個阿巴卡韋雜質之間的分離度是最重要的2個關鍵方法屬性（critical method attributes，CMA）。選擇柱溫、流動相B組成、緩沖液pH為關鍵因素，通過中心復合設計和實驗結果的方差分析，發現緩沖液pH是對2個CMA影響最大的因素。由于2個CMA的最優pH區域不同，因此建立并驗證了2個設計空間，每次忽略2個CMA中的一個。引入三元梯度程序解決了pH敏感問題。進行了蒙特卡羅模擬，在設計空間內識別出具有低故障風險和高質量保證的正常工作范圍，建立了確定穩健色譜分離區域的方法可操作區域（method operable design region，MODR）。與2種單獨的分析方法相比，該方法減少了約50%的分析時間、資源和溶劑消耗，給制劑分析帶來更多的便利和更高的成本效益。

Nompari等[45]首次應用AQbD方法建立了一種快速、靈敏的超高效液相色譜法測定疫苗上清中乙型腦膜炎抗原，用于乙型腦膜炎疫苗（Bexsero）的常規分析。Iliou等[46]基于AQbD開發液相色譜-質譜聯用方法，最短的分析時間內完成雷貝拉唑原料藥中2種潛在基因毒性雜質的定量分析。AQbD方法在超高效液相色譜-質譜聯用[47]、氣相色譜-質譜聯用[48]、超臨界流體色譜[49]中也有應用，用于鑒定、含量測定、穩定性研究、含量均勻度和雜質研究。在分析方法中運用QbD，從整體的角度來考慮方法的穩健性以及過程和產品的可變性，可實現產品質量控制的方法穩健性和在生命周期中的調節靈活性。

6 結語與展望

QbD在制劑研發、分析方法開發和生物制藥等制藥領域越來越重要。合理運用QbD方法進行高端制劑處方、工藝開發/驗證或分析方法開發/驗證，可以為未來中試/工藝放大提供可靠的信息和先驗知識，從而使研發產品更好地在生產車間轉化，確保能夠持續生產出安全、有效、高質量的藥物。

高端制劑開發中QbD的成功實施不僅需要建立在對QbD概念和工具的良好理解掌握上，還需要克服產品或分析方法系統的復雜性。因此，研發早期對產品特性的充分理解、足夠的資本和技術支持也格外重要。從長遠來看，在高端制劑研發中實施QbD，建立能滿足產品質量且工藝穩健的設計空間，有利于提升產品轉化成功率、生產工藝靈活性和制藥企業的成本效益。同時，QbD輔助藥物遞送系統的優化將促進個性化醫療的發展，使患者用藥得到保障。