摘 要 / Abstract
目的：針對中藥制藥過程參數控制中存在的共性關鍵問題，提出一種中藥制藥過程質量控制方法。方法：以三七總皂苷生產制造為例，在簡述物料傳遞流程基礎上，對原料藥材屬性參數、產品質量標準以及生產流程各單元工藝環節物料屬性參數進行檢測，辨識關鍵物料質控參數及其合理限度；設計預置過程參數并用10批次以上原料考察制藥過程，根據實驗結果辨識出關鍵過程參數，進而擇優確定關鍵過程參數的取值范圍。結果與結論：工業生產實踐表明，上述方法能確保三七總皂苷產品質量，并適宜推廣應用。
Objective: A quality control method for the manufacturing process of traditional Chinese medicine is proposed for tackling the common key problems in the control of manufacturing parameters. Methods: A case study was done on the manufacturing of Notoginseng Total Saponins(NTS). Based on the brief description of the material transfer steps, tests were taken in terms of the indices of medicinal materials, the quality standards of finished products, and material property parameters of each unit during the production process, so as to identify the key material quality control parameters and their reasonable ranges. Process parameters were preset and the pharmaceutical process was investigated with more than 10batches of medicinal materials. Critical process parameters(CPPs) were identified according to the experimental results. Then the ranges of CPPs were optimized. Results and Conclusion: The industrial practice verifies that the proposed method can ensure the product quality of NTS and the proposed method is suitable for popularization and application.
中成藥化學組成十分復雜，其質量檢驗不僅技術難度大，而且檢測成本很高[1]。中藥制藥過程質量控制對于確保中藥安全性、有效性及質量一致性具有重要的現實意義[2]。盡管《中國藥典》在“制法”項中規定了單元工藝先后順序以及必要的工藝參數取值等，但仍然不夠縝密，需進一步完善。放眼國際，美國等發達國家的藥品監管部門均倡導在深入研究并認知制藥過程規律的基礎上，加強制藥過程質量控制[3]。
先進的制藥過程質量控制系統能夠適時檢測關鍵物料質量參數和過程狀態參數，及時調整關鍵過程參數，保障所產藥品質量與原定的藥品質量概貌一致，從而“免檢”實時放行藥品[3]。因此，科學構建中藥制藥過程質量控制體系是解決中藥工業領域當今“最緊急、最緊迫”問題的關鍵技術路徑。現行的中藥制藥過程質量控制體系如圖1所示，一般包括物料質量控制及過程參數控制。
中藥生產物料包括藥材、飲片、輔料和中間體等，《中國藥典》一部規定了藥材、飲片和部分提取物的質量標準，而四部規定了輔料的質量標準。由于在中藥生產制造中涉及相當多的過程參數，且往往存在關鍵過程參數不明確、與產品質量相關參數的優選值不清楚等情況，會出現符合法定標準的藥材及物料難以生產出質量可靠的中藥產品等問題。此外，中藥生產制造一般通過檢測單個物理量（如溫度、壓力、密度、pH值等）判斷制藥過程狀態，造成產品質量風險難以防控，但若要檢測更多化學或生物活性指標，就存在設備價格高、分析結果不直觀等問題。
本文以三七總皂苷生產制造為例，提出一種中藥制藥過程質量控制方法，其技術步驟為：①研究量值傳遞規律，在此基礎上完善藥材的質量檢測指標，解決藥材應該“測什么”的問題。②根據制藥過程參數對物料量值傳遞的影響，設置藥材質檢指標的內控標準，解決藥材“怎么控”的問題。③聯合考察多個單元工藝并考慮原料批次間質量變化情況，篩選關鍵過程參數，解決生產過程“控什么”的問題。④考慮原料批次間質量變化情形，提出過程參數的優值范圍，解決過程參數“如何控”的問題。
1、三七總皂苷制藥過程質量控制方法研究
1.1 根據量值傳遞規律設定原料內控指標
量值傳遞一般是指中藥生產規程中物料平衡的遞次量傳以及關鍵物料質控參數的量測值在制藥全流程各環節的逐級傳遞。這里可以采用單位質量藥材為基準的指標性成分含量、大類成分含量以及總固體的產量等指標定量表征相關物質在中藥生產規程中的傳遞。
根據國家藥典委員會相關規定，三七總皂苷是采用三七藥材，經過粉碎、醇提、水沉、柱色譜、脫色、精制、濃縮和干燥等一系列單元工藝制得。筆者曾考察了不同批次三七生產三七總皂苷過程中的量值傳遞情況[4]。分別檢測了6批次三七藥材、提取液、濃縮液、水沉液、柱色譜洗脫液、脫色液以及三七總皂苷產品中三七皂苷R1、人參皂苷Rg1、人參皂苷Re、人參皂苷Rb1和人參皂苷Rd 5種皂苷含量。計算了各個物料中每種皂苷在這5種皂苷總量中的質量分數，具體結果如圖2所示。
從圖2中可知，在提取過程中人參皂苷Rg1的質量分數略有增加，而人參皂苷Rd的質量分數略有下降，但改變量大多在3%以下。提取后的各單元工藝處理后，除人參皂苷Rd的質量分數稍有下降外，其他皂苷的質量分數總體變化不大。這意味著，最終所得三七總皂苷確實主要是從藥材提取分離“傳遞”而來，而非化學反應“轉化”而來。那么，作為原料的三七質控指標應該考慮控制上述5種皂苷的含量。
《中國藥典》2020年版規定三七藥材中含人參皂苷Rg1、人參皂苷Rb1、三七皂苷R1的總量不得少于5.0%，沒有規定人參皂苷Re和人參皂苷Rd的含量要求。根據量值傳遞研究結果，人參皂苷Re和人參皂苷Rd主要是從藥材中提取分離而來。因此，如果是作為工業生產三七總皂苷的原料，三七藥材內控標準中應考慮將人參皂苷Re和人參皂苷Rd含量作為質量參數，每批進行檢測。
《中國藥典》2020年版規定了三七總皂苷中5種皂苷的含量下限，實際上對原料藥材中這些皂苷的含量提出了要求。例如，5種皂苷中含量最低的是人參皂苷Re，假設三七藥材中人參皂苷Re含量為0.1%，并且提取分離過程中人參皂苷Re無損失（轉移率為100%），為了達到三七總皂苷中2.5%人參皂苷Re的最低標準，那么5種皂苷的總得率只能是低于4.0%。這意味著合格三七藥材中很多皂苷都未能充分利用。因此，如果希望5種皂苷的總得率不低于8.0%，那么三七藥材中人參皂苷Re含量就不宜低于0.2%。類似地，人參皂苷Rd、三七皂苷R1、人參皂苷Rg1和人參皂苷Rb1的含量分別不宜低于0.4%、0.4%、2.0%和2.4%。
若考慮提取分離過程中5種皂苷存在一定損失，那么采購三七藥材時上述5種皂苷的含量下限還需要進一步提高。比如，PAN等[5]的研究結果顯示，人參皂苷Re、人參皂苷Rd、三七皂苷R1、人參皂苷Rg1和人參皂苷Rb1從藥材傳遞到三七總皂苷的轉移率約為82.3%、69.9%、79.0%、80.7%和77.8%。以上述轉移率進行估算，藥材中人參皂苷Re、人參皂苷Rd、三七皂苷R1、人參皂苷Rg1和人參皂苷Rb1的含量下限分別為0.243%、0.572%、0.506%、2.48%、3.08%。
從上面的分析可以看到，工業生產中所用三七的內控標準會比藥典標準更高，不僅需要檢測更多皂苷成分，且對各皂苷含量下限有要求。目前已有文獻報道了三七藥材中5種皂苷含量的液相色譜檢測方法[6-7]，可參考這些方法進行檢測。檢測后可以考慮進一步采用混批調配的方法降低原料質量波動。
1.2 辨析關鍵過程參數
中藥制藥過程參數的類型較多，通常包括工藝參數、物料屬性參數、狀態參數、設備參數和環境參數等[8]。其中，工藝參數通常是指在國家藥品標準的制法項或工藝規程中規定的參數（比如，工藝規程中調p H值的目標范圍就是工藝參數）；物料屬性參數是用來表征中藥生產原輔料或中間體特性的參數，包括物理、化學或生物特性參數，影響藥品質量的物料屬性參數稱為物料質量參數；質控參數是指用于確保藥品質量而進行控制的過程參數；狀態參數是反映制藥過程狀態的參數，其可能不用數字變量而用語言變量（比如，用“未沸騰”或“沸騰”描述中藥煎煮過程狀態，又如，用“未達終點”或“達終點”描述滲漉提取過程狀態）；設備參數通常指制藥相關設備的參數（比如，計量泵的電機轉速）；表征制藥流程所處環境的參數一般稱為環境參數，常見的有環境溫度、濕度、壓力、潔凈度等。
目前，對已上市中成藥可根據生產數據、檢驗數據和文獻報道等，采用風險評估等可行方法直接確定關鍵過程參數。常用的風險評估方法包括風險排序及過濾、失效模式及效應分析、故障樹分析等。如果有實驗研究數據或者工業生產數據，可采用適當統計學方法確定關鍵過程參數，如多元線性回歸法[9]、逐步回歸法[9]、標準偏回歸系數法[9]、加權決定系數法[10]等。
筆者曾采用確定性篩選設計（definitive screening design）安排了32個實驗用于研究提取、濃縮、水沉和柱色譜4個步驟中的10個參數，并且在實驗中隨機搭配了16個不同批次的三七藥材[5]。測定了每種藥材中以特定提取條件提取的5種皂苷量和總固體量作為藥材屬性參數。得到柱色譜洗脫液后，測定了5種皂苷的純度、總固體產量、總皂苷產量作為過程評價指標（Y）。以逐步回歸法精簡公式（1）獲得關鍵過程參數為提取所用乙醇濃度、洗脫液乙醇濃度、洗脫時間。
式中，X為實驗中考察的過程參數，Z為藥材屬性參數，a0為擬合所得常數項，bi和cj均為擬合所得偏回歸系數。
上述工作與多數參數篩選工作的區別點在于：篩選關鍵過程參數時考慮了藥材屬性參數的變化，獲得關鍵過程參數時也確定了藥材質量參數。此外，還對比了不考慮藥材屬性參數變化的情況，即采用逐步回歸法精簡公式（2）獲得關鍵過程參數。
對比結果見表1。從中可知：考慮三七屬性參數變化篩選所得關鍵過程參數與不考慮時不同。考慮三七屬性參數所得模型的決定系數數值更高，說明部分三七屬性參數確實對過程評價指標有影響。因為工業生產中三七藥材批次間質量差異總是存在，考慮三七屬性參數變化所得關鍵過程參數應該更為可靠。
1.3 確定參數操作范圍
ICH Q8《藥物開發》（Pharmaceutical Development）要求構建設計空間（design space）以保障制藥過程質量。構建設計空間的本質是優化制藥過程參數到合適的范圍，而非一個操作點，以便為生產提供更大靈活性，減少不必要的監管。制藥過程中過程參數數量很多，優化其中關鍵過程參數的操作范圍是構建設計空間最核心的內容。
設計空間的概念中提示優化過程參數取值范圍時應將物料質量參數考慮在內。因此筆者采用公式（3）建立了關鍵過程參數和工藝評價指標之間的定量模型[5]。
式中，Z為物料質量參數，n為除物料質量參數以外的關鍵過程參數個數，m為物料質量參數個數，i、j、k用于區別不同的偏回歸系數。建立數學模型后計算獲得設計空間。設計空間以列表的形式給出。驗證后發現模型預測結果準確，設計空間范圍可靠。
除關鍵過程參數外，其他過程參數也應有操作范圍。選擇其他參數具體運行值時，應考慮節能、降耗、增效等原則。例如，在確保樹脂充分吸附三七皂苷的前提下，可以適當增加上樣速度以提高生產效率；在確保洗滌除去雜質的前提下，洗滌水用量應盡量少些；在確保樹脂再生效果的前提下，酸堿液洗滌的用量應盡量少些。
2、研究結果與討論
2.1 基于量值傳遞規律判斷關鍵工藝
確定制藥過程關鍵工藝環節的意義在于明確實施制藥過程質量控制的重點，縮小關鍵過程參數的搜索范圍。根據量值傳遞研究結果可以確定關鍵單元工藝。
筆者測定了各單元工藝處理后6批次三七5種皂苷總量的相對標準偏差（RSD）[4]，如圖3所示。該數值體現了三七5種皂苷總量在生產過程中精密度的變化，體現了各單元工藝對提升三七總皂苷批次間一致性的貢獻大小。從圖3可知，藥材中5種皂苷總量相差較大，RSD超過20%。經過提取工藝后，RSD下降到15%以下。經過柱色譜工藝后，RSD更是下降到5%以下。這說明當處理多批次三七時，柱色譜工藝對提升產品質量一致性貢獻最大，是影響其精密制造的關鍵工藝，提取工藝的貢獻次之。
研究中也發現提取工藝和柱色譜工藝都較大程度地改變了體系中化學成分組成，具體體現為5種皂苷占總固體的質量分數大幅上升，即純度明顯提高。提取后5種皂苷純度從不足10%提升到約40%，柱色譜后純度從不足50%提升到超過80%，如圖4所示。柱色譜工藝后所得藥液的抗凝血酶活性也有較大變化。因此，柱色譜工藝是三七總皂苷生產的首要關鍵單元工藝，提取工藝是次要關鍵單元工藝。
2.2 關鍵過程參數辨析策略的選擇
目前多數研究都是針對某個具體單元工藝，實驗研究后辨析關鍵過程參數。需要注意的是，逐個考察單元工藝所得關鍵過程參數數量往往會多于聯合考察多個單元工藝。圖5列出了這2種研究策略所得參數的差別。
逐個研究提取、水沉和柱色譜工藝時共找到關鍵過程參數15個。但聯合研究提取、濃縮、水沉、柱色譜4個單元工藝時，關鍵過程參數只有提取所用乙醇濃度、洗脫液乙醇濃度、洗脫時間3個。所得關鍵過程參數均集中于提取和柱色譜工藝，也證實2.1節基于量值傳遞研究所得關鍵工藝是準確的。因此，聯合研究多個單元工藝不僅效率較高，且能從更接近全局的視角中獲得制藥過程真正的關鍵過程參數。聯合研究多個單元工藝需要同時考察較多過程參數，建議采用足夠分辨率的篩選試驗設計以減少實驗次數。
2.3 實驗設計方法的選擇
表2中列出了三七總皂苷生產工藝相關文獻報道中的實驗設計方法。實驗設計方法包括：中心復合設計、Box-Behnken設計、確定性篩選設計、單因素設計、正交設計和均勻設計。實驗設計方法的選擇和待研究參數個數及后續建模方法有關。若考慮采用二階多項式建模，用前3個實驗設計方法較好。當所研究的參數超過5個時，中心復合設計和Box-Behnken設計的實驗次數都較多，建議采用確定性篩選設計。
2.4 優化方式的選擇
表2中列出了三七總皂苷生產工藝研究中的參數優化工作。雖然很多研究者將參數優化到最優點，但將參數優化到特定范圍會更有利于提升制藥過程的穩健性。目前不少研究工作在優化時都計算了達標概率，以達標概率定量表示在優化范圍內運行參數時制藥過程質量能得到的保障。達標概率計算時可以考慮過程參數、實驗結果或模型預測結果的不確定度，所得參數優化范圍會更為可靠。MODDE或Matlab等軟件均可用于計算獲得基于達標概率的較優參數范圍。
另一種參數優化思路是前饋控制，即根據三七藥材質量參數變化針對性地調整參數。應用該思路調整參數要注意合規。JIANG等[24]用Yoon-Nelson模型關聯了三七水沉后上樣液中皂苷濃度、上樣液流速和柱色譜穿透曲線，能根據每次柱色譜上樣液中皂苷含量高低靈活調整柱色譜上樣時間。王曉宇等[25]建立了三七藥材近紅外光譜主成分、提取過程參數及指標成分提取量的定量模型，通過掃描藥材快速獲得光譜信息，然后針對性地調整提取過程參數，可以減少三七質量差異造成的提取液質量波動。
采用適當的制藥過程檢測技術確定狀態參數，然后針對性地調整后續過程參數則是反饋控制的思路。JIANG等[26]將在線近紅外光譜和紫外光譜所得數據相融合，建立了三七柱色譜上樣流出液中三七皂苷濃度的定量模型，可用于實時監測流出液皂苷濃度；若觀察到流出液皂苷濃度過高，則考慮停止上樣。蔣程[27]采集三七柱色譜過程在線紫外光譜數據，以多變量統計過程控制的方法評價過程批次一致性，能檢測出藥液中皂苷濃度和流速的異常；進一步可根據異常情況確定處理方案。
2.5 中間體和其他物料的內控標準設定
中藥生產中往往會有多個中間體，針對關鍵中間體設置內控標準有利于保障后續制藥過程質量和藥品質量。設置關鍵中間體內控標準的原則：放行符合內控標準的中間體后，后續加工應能得到合格藥品。
確定關鍵中間體時需要考慮上游的控制情況，取樣是否方便、檢測工作量大小等。比如，三七飲片由藥材粉碎制得，如果藥材已按照1.1節中5種皂苷含量內控標準進行了放行控制，那么飲片可不作為關鍵物料。三七提取液在工業生產中往往存放于多個儲罐，各儲罐中提取液濃度不同，取樣檢測工作量大，不適合作為關鍵物料。三七提取液濃縮所得的濃縮液通常放置在同一儲罐中，體系均勻性好，取樣和檢測都較方便，更適合作為關鍵中間體。確定關鍵中間體的質量參數及其范圍可以采用類似于1.1節的方法。也可以先建立中間體質量參數和后續制藥過程評價指標之間的定量模型，再根據評價指標的要求反算出中間體質量參數的控制標準。類似思路已用于設置丹參水提液[28]、黃芪濃縮液[29]等中間體質量標準。
除了原料藥材和關鍵中間體，其他物料也需要有其內控標準。例如，三七柱色譜工藝中使用的樹脂，應保證每次使用前都洗凈上個生產周期中吸附的成分。又如，采用三七醇提液或者柱色譜洗脫液的回收乙醇用于下一批生產，應保證不產生批次間交叉污染。因此，這些物料也需要有合適的內控標準判斷其品質是否合格。
2.6 制藥過程設備和設施管理的重要性
制藥設備性能與運行狀態對藥品質量及生產效率均有較大影響，因此需要科學管理中成藥生產制造所涉及的設備和設施。國際制藥工程協會（International Society for Pharmaceutical Engineering,ISPE）發布了《良好工程管理規范》（Good Engineering Practice,GEP），其中一項重要的內容是“操作與維護”，其目標是將設備和設施維持在較優狀態。
生產中除了采集物料和參數數據，還應采集設備相關數據，以反映設備當前運行狀態。建議對關鍵單元工藝對應的設備增加故障預警預報模塊，定期檢測其運行狀態，并實施科學干預，確保設備長期穩定工作，促使生產處于受控狀態。
2.7 制藥過程質量控制持續改進的重要性
在整個藥品生命周期內，都應不斷積累中藥產品和制藥過程的知識，采用風險管理方法，持續完善中成藥質量標準和提升過程質量控制水平。具體的，如果獲得三七總皂苷制劑的臨床數據，建議結合制劑質檢數據和臨床反饋信息等進行回顧分析，根據分析結果調整三七總皂苷的質量參數及其控制要求。在此基礎上，重新分析確定關鍵過程參數及其控制范圍、關鍵物料及其質量參數控制范圍。如果采集了工業大數據，可以進一步采用合適方法，依靠數據驅動預判產品質量風險，提升整體管理水平。
3、結 論
本文針對當前中藥制藥過程質量控制技術方面的難點問題，以三七總皂苷生產為例，提出了一種中藥制藥過程質量控制方法并用于工業生產，可有效提高三七總皂苷產品合格率。
