中国抗体药物产业化与国产化专题—填料
01 继往开来 先发后至
1906俄国植物科学家茨维特（M.Tswett）发现液相层析现象，自此开创了色谱法。1958年瑞典科学家Jerker Porath 和 Per Flodin首次将交联葡聚糖微球用作液相层析介质。[1]
当生物大分子在水相带动下流经葡聚糖凝胶层时，不同种类的分子会依照从大到小的顺序依次流出。分离效果类似于过滤，区分度又优于过滤。科学家于是将这种分离技术命名为“凝胶过滤（Gel Filtration）”。
（图片来源：参考文献 2）
自此，液相层析技术被广泛应用于生物大分子的纯化，并逐渐发展出凝胶过滤、离子交换、亲和、疏水与反相五类液相层析技术，出现了品类繁多的层析填料。时至今日，液相层析已经是生物制药下游纯化的不可取代的单元操作。
当色谱/层析技术被引入国内，在分析领域被翻译为“色谱”，如高效液相色谱；而在工业生产中被翻译为“层析”，如Protein-A亲和层析。
中国科学家从上世纪80年代开始，便积极向国际同行学习先进的蛋白层析的理论和技术。90年代后，中科院“百人计划”学者将国外先进的应用经验引进国内，建立了一系列重组蛋白质药物的纯化工艺，实现了商业化生产，这其中包括乙肝疫苗、干扰素等。
学术界与产业界积极汲取国际先进经验，邀请国际知名学者参与国内研究与创新，积极参与国际交流与合作。瑞典分离科学家Jan-Christer Janson教授从上世纪90年代开始，与中科院过程所、清华大学和北京化工大学合作，为中国层析技术的发展培养了一大批青年领军人才。Janson教授获得了2015年度国际科学技术合作奖。
在层析技术与层析填料发展历程中，出现过一批勇于创新的杰出企业，如瑞典的Pharmacia公司，于1960年推出葡聚糖微球Sephadex，成为最早的软凝胶填料供应商，自此不断更新产品管线，推出第二代软胶琼脂糖Fast Flow系列，第三代软胶Capto系列。时至今日，Pharmacia这些优秀的产品已经隶属于Danaher旗下的Cytiva。其他生命科学领域的跨国公司，也多有拿得出手的明星产品。
本土层析介质产业化进程虽起步较晚，但发展迅速。国产第一梯队的层析填料供应商，大多创始于2000年之后。在短短十几年时间内，新产品层出不穷，百花争艳，逐渐赶超了国际先进水平。
相比于其他下游纯化单元，如沉淀、萃取、膜分离等，液相层析的优势在于能够提供更高的分辨率（Resolution），在分子水平上实现更显著的区分。历经一个多世纪的研发与工业实践，层析均衡理论被广泛接受。一个优秀的层析单元（Unit），需要具备平衡分辨率、回收率与生产效率。一个优秀的纯化工艺（Process），需要各个单元之间达到均衡，才能实现最高效的产出。
国外层析填料供应商在新技术探索上一直不乏勇敢的尝试，如将载量提升到百毫克每毫升，或者采用膜层析技术将单步效率提升十倍以上，但是超高的载量，也会带来分子聚集和产品稳定性的担忧。打破平衡的高效率，会为后续单元的衔接、峰值能耗、供排水平衡等带来额外负担。
国产填料供应商的发展可以用稳扎稳打来形容，后发优势可以参考外商多年来的市场探索，让国产介质少走很多弯路。近二十年稳健的产业化进程，国产填料已经改变了多年前“低端价廉”的市场印象，在很多领域已经走到了世界前列，例如GE Healthcare（现Cytiva）在2010年后陆续推出的Superdex/ Superose Increase 4个产品系列，是购买的中国科学院的发明专利。这次专利转让也是对我国填料技术进步的充分肯定，为填料国产化注入了强大的信心。
02 需求导向，精准灵活
分离介质具有典型的多尺度特征：在宏观尺度上需要装填成层析柱；在微米尺度上通常加工成微球形态；在纳米尺度上，有大量的纳米孔道或凝胶网络；在分子尺度上需要有合适类型、合适分布密度的配基。
针对特定的目标产品，如单克隆抗体、疫苗VLP、基因载体等，在特定的纯化环节，什么才是最优的微球粒径分布？什么才是最优的孔径分布？什么才是最优的结合配基？这都是分离纯化科学界与产业界一直孜孜以求的终极目标。
近二十年来，国产填料稳健发展，在很多领域已经实现了后发先至。不仅可以生产出性能更优的软凝胶介质，刚性硬胶介质也是国产供应商的特色。在介质粒径控制上，种子聚会技术与膜乳化技术的产业化应用，引领了微球粒径控制的最高水平。对微球超大孔径的精确调控，克服了软凝胶在大分子载量的先天不足。
面对多变的市场需求，国产供应商采取灵活定制的市场策略。相对于进口介质的标准化产品，国产介质公司更倾向于根据客户的药物分子、料液组成、纯化阶段等定制合适的粒径、微球孔径与配基密度，最大程度地满足应用的需求。
生物制药企业在进入临床研发后期，会更加注重生产工艺的经济性。在生物制药工艺表征PC和工艺验证PV阶段，所有的过程参数都将列入优化的考量。针对客户工艺均衡的需求，为客户定制最优的层析介质，设计出最优的粒径、孔径与配基，可以实现最经济的产出。国产介质，在满足客户精准需求上，具有天时、地利的绝对优势。
03 顶天立地，与时偕行
中国老一辈的生物科学家，在谈到生物工艺与工程学科发展时，一向强调要做到“顶天立地”。不仅要汲取最先进的科学成果，更需要接地气，实实在在为工业界解决应用难题。
在新填料研发上，中国纯化科学家已经做到了世界领先，但科研成果产业化的进程，却不是一蹴而就的过程，需要坚持不懈的创业努力，还需要不断适应新的市场需求，应对突发疫情的挑战。
创新的生物大分子药，如双抗分子、ADC分子等不断进入临床研究与商业化生产，对传统的纯化工艺提出了新的挑战。经典的工艺已经无法充分满足新产品的需求，需要新的填料和新的层析工艺来达到分辨率、收率、生产成本与安全性的均衡。国产硬胶填料，以更精细的粒径分布，实现了更高的层析柱效，硬胶的刚性结构也能耐受更高的床层反压，达到了进口填料所不能企及的分辨率，同时保障了纯化收率与成本可控。
创新的大分子药物，如IgM分子、蛋白三聚体、新型VLP疫苗和各种基因病毒载体，使用传统的琼脂糖填料已经无法实现大分子进筛吸附。传统填料只能依靠介质微球表面吸附，为了增加可及比表面积，迫不得已采用更小粒径的层析填料，而这也同时增加了层析床层的反压，当面对这类大分子、高粘度的料液时，无疑是雪上加霜的。国产超大孔填料，实现了对填料孔径的精准调控，从数百纳米到数微米的孔道结构，适用于所有新型大分子药物的纯化。
2020年新冠疫情突发，所有进口介质都出现断货。当国有生物制药，特别是疫苗生产被“卡脖子”时，国产介质供应商挑起大梁，承担了支持新冠疫苗研发与投产的历史使命。国产软胶、硬胶填料，及时填补了进口断供的空白。针对新冠疫苗的纯化需求，具有精确设计表面孔径的复合填料，对宿主DNA与宿主蛋白的清除效能达到了世界先进水平。新型国产介质，被迅速应用到疫苗的精纯单元，为多款新冠疫苗的成功上市做出了贡献。
（图片来源：博进生物网站）
病毒清除与病毒安全控制也是新产品面临的挑战。VLP等大分子、疫苗或基因载体，将不再适用纳米过滤技术。足够的病毒清除能力，也已经成为层析填料的重要属性。这些新的挑战，对定制化介质提出了更多的需求。当传统的除病毒过滤不再适用于疫苗的病毒安全控制，新型大孔介质责无旁贷成为病毒清除的有效单元。针对新需求的新填料，还有希望被陆续应用到VLPs、IgM等超大分子的纯化工艺中。
在过往几年中，我们经历了新冠疫情的全球肆虐，也经历了中国生物制药的蓬勃发展。时至今日，本土供应商已经摆脱了“低端价廉”的传统印象，提出了更鲜明的价值主张：为中国制药提供更安全的供应链，提供更贴合工艺的定制服务；做出更迅捷的市场需求响应。顶天立地，与时偕行，本土供应商的崛起已经势不可挡。
参考文献
[1] FLODIN, P., GELOTTE, B. & PORATH, J. A Method for concentrating Solutes of High Molecular Weight. Nature 188, 493–494 (1960). https://doi.org/10.1038/188493a0.
[2] S.G. Prapulla, N.G. Karanth, Encyclopedia of Food Microbiology (Second Edition), 2014.
