連續(xù)流動化學是一項很有前景的新興制藥技術，具有可縮短生產周期、自動化程度較高、環(huán)境友好、節(jié)能減排等優(yōu)點，尤其有利于批次模式難以進行的反應，是原料藥(即活性藥物成分，API) 技術革新的趨勢。但由于質量控制和監(jiān)管的原因，長期以來連續(xù)流技術在制藥行業(yè)推廣緩慢。ICH 指導原則《Q13 ：原料藥和制劑的連續(xù)制造》的頒布，提出了原料藥工藝開發(fā)要點和控制策略，監(jiān)管期望逐漸明晰。該文結合新頒布的ICH Q13，綜述連續(xù)流動化學的特點、應用場景和質量考量，通過文獻案例分享，進一步說明連續(xù)流動化學開發(fā)要點和控制策略，以期推動連續(xù)流動化學在國內制藥企業(yè)的應用，提升行業(yè)制造水平，努力實現國家的“雙碳”目標。
原料藥[即活性藥物成分(active pharmaceutical ingredient，API)] 供應是確保廣大患者藥品可及性的前提，在集采背景下尤為重要。隨著國家“雙碳”目標的制定，國家發(fā)展和改革委員會、工業(yè)和信息化部于2021年11月初頒布了關于推動原料藥產業(yè)高質量發(fā)展實施方案的通知，原料藥生產技術的創(chuàng)新升級朝著綠色化、低碳化轉型已是必然的趨勢[1]。連續(xù)流動化學是一種化工過程強化技術，應用微通道反應、固定床、連續(xù)攪拌釜等微反應器實現連續(xù)生產，具有本質安全、可迅速擴大產能的特點，是工信部、生態(tài)環(huán)境部、國家衛(wèi)健委、國家藥監(jiān)局等四部委重點推薦的綠色制藥技術[2]，也是保證原料藥供應鏈安全的關鍵技術。
連續(xù)流技術在大化工領域已大規(guī)模使用，體現出許多明顯的優(yōu)勢，但該技術在原料藥生產中的應用進展緩慢，尤其是多步整合連續(xù)生產的原料藥品種更少，近年來只有1 個品種在FDA 獲批[3]。FDA 藥品評價和研究中心原主任WOODCOCK 認為連續(xù)制造技術應用的主要障礙是進入的成本較高和審評周期長[4]。為了幫助制藥公司了解連續(xù)制造的監(jiān)管考慮和設施檢查、增強投資信心，FDA于2019 年發(fā)布了《工業(yè)連續(xù)制造的質量考量》草案[5]，并征求意見，但該指南只針對小分子藥物的口服制劑。2021年，人用藥品技術要求國際協調理事會(The International Council for Harmonisation of Technical Requirements for Pharmaceuticals for Human Use，ICH) 終于發(fā)布了首個涉及原料藥連續(xù)制造的監(jiān)管文件Q13[6]，即《原料藥和制劑的連續(xù)制造》，囊括了原料藥和制劑的連續(xù)制造，為連續(xù)制造提供了研究指南。
ICH Q13 草案對連續(xù)制造及其批次進行了定義，指導控制策略建立，討論了工藝確證和工藝變更的研究方法。該指南草案結合實際提出了對連續(xù)制造產品的監(jiān)管考量，并且在附件中以案例的形式幫助申請者理解，撰寫水平較高且不教條。本研究梳理了Q13 草案和相關文獻，并結合課題組近年在連續(xù)流合成工藝方面的研究體會作一綜述，以期將這一技術應用于中間體和原料藥的生產，降低制造成本和節(jié)能減排，以推動這一先進制備技術在化學原料藥生產上的應用。
1、連續(xù)流技術的特點
連續(xù)流技術給原料藥生產帶來的最明顯優(yōu)勢就是可以顯著縮短生產周期，尤其是多步整合連續(xù)生產的模式。與傳統批次生產不同，不間斷的連續(xù)生產一般要求采用過程分析技術( process analysis technology，PAT) 和設備對質量進行在線監(jiān)測，由于無需等每步中間體檢測合格后才能進入下一步，可減少大量等待時間。其他的一些特點具體如下：
①自動化程度高，全程涉及生產人員較少，可降低人為錯誤風險，保障產品質量[7]。
②連續(xù)流反應器持液量小，傳熱、傳質快，可安全地使用在釜式反應中需要避免的工藝條件，如高溫(高壓) 下的反應和超快速放熱反應。此外，連續(xù)流反應中還可以安全使用危險性較大、不適于釜式反應的試劑，如一些高毒和高活試劑[8]。
③微反應器的流體基本是平推流[9]，“三傳一反”調控容易，放大效應小，從實驗室開發(fā)到生產放大周期短，可快速形成產能，尤其適合那些服務創(chuàng)新藥公司的合同定制研發(fā)生產機構及合同定制生產機構，縮短工藝開發(fā)和供樣周期[10]。
④連續(xù)流設施占地面積小，可減少寶貴的藥品生產質量管理規(guī)范(Good Manufacturing Practice of Medical Products，GMP) 設施空間，大大減少工廠固定資產投入和運營成本。美國CONTINUUS Pharmaceuticals 公司的案例顯示，采用集成的連續(xù)制造，固定資產投入可減少90％，API 生產運營成本降低33.6％，片劑生產降低29.4％ [11]。
2、連續(xù)流技術的應用
對于醫(yī)藥行業(yè)，應用新的制造技術的目的是期望加強藥品供應鏈穩(wěn)定性，使其更加高效和適應性更強，最終為患者帶來好處。將連續(xù)流技術應用于原料藥生產不僅要考慮具體品種情況，如工藝是否適合、是否要求專線、創(chuàng)新藥還是仿制藥等因素，還要平衡產能與市場需求，不是簡單地在批次生產和連續(xù)生產之間做“二元”選擇。一般認為，連續(xù)流技術更適合批量小的特色原料藥或者需求很大的基礎原料藥[12]。
3、連續(xù)流生產的質量考量
3.1批量范圍
傳統間歇式生產工藝的注冊批量與起始原料的投料量相關，根據注冊批的投料量和收率范圍確定商業(yè)化批量，批量范圍一般較窄。而Q13 草案對連續(xù)制造的批量要求相對靈活，不僅可以根據輸入物料量和輸出物料量制定，還可以規(guī)定運行時間(限定質量流量)，通過定義最小和最大運行時間來確定批量范圍。甚至還允許其他基于連續(xù)制造工藝特征的科學合理的方法來定義批量，批量的范圍將更加靈活，更有利于制造商根據需求安排產能，減少倉儲成本。
3.2設備的設計和整合
生產設備情況是原料藥申報資料里需要提供的內容。傳統間歇釜只需提供每個設備型號及技術參數，但是連續(xù)流設備大多是定制化設備，需要提供更多的內容。ICH Q13 草案中要求對設備設計或配置以及系統整合的任何方面都要進行詳細描述，其附件Ⅰ提供了原料藥連續(xù)生產的示例，包括了由2步連續(xù)反應和1步批次反應組成的混合工藝連續(xù)生產案例。該示例從控制策略、工藝穩(wěn)健性、長期性能、工藝驗證和監(jiān)管考慮幾個方面進行了詳細描述和討論，易于理解，此處不再贅述，但需要指出的是，質量保證(quality assurance，QA) 部門應建立適合連續(xù)流設備性能和穩(wěn)定性的驗收標準(例如包括參數差異和偏移，以及瞬時干擾的發(fā)生)，以支持連續(xù)生產工藝的開發(fā)和運行。連續(xù)生產方式需要通過長時間運行來達到預定批量大小，因此設備的穩(wěn)健性對質量的影響至關重要。
3.3工藝過程控制
連續(xù)流技術是一個動態(tài)的過程，在過程的每個時點，微通道的前后各個位點料液的組分比例均不同，對于多步整合的連續(xù)流反應，不同位點的組分可能都不同。前一個位點的反應程度如果由于干擾發(fā)生變化，必將影響下一個位點的質量，經過連續(xù)疊加，將導致終產品質量產生較大偏差，因此在連續(xù)流反應中，輕微的擾動就可能導致產品質量發(fā)生較大偏差。Q13 草案中明確要求建立工藝監(jiān)測和維持受控狀態(tài)的穩(wěn)健方法，在附件中進行了重點描述，要求增加多個PAT 裝置，精確控制進料的濃度和流速，監(jiān)測每一步的質量，根據上一步中間體的質量水平，反饋控制下一步物料添加流速，達到控制反應、維持受控狀態(tài)的目的。
對于擾動的管理是不同于傳統批次工藝的重要內容。Q13 草案要求基于設備的停留時間分布(remain time distribution，RTD) 開發(fā)合適的擾動檢測、糾正措施以及物料分流策略。對干擾的研究一般處于工藝開發(fā)的后期，通過動態(tài)模擬的方法，了解反應過程動力學與輸入物料屬性、工藝參數和設備參數的關系，這些知識可以幫助識別和評估風險。Q13 草案的附件Ⅴ提供的案例可供參考，通過一系列基于RTD 的干擾幅度和持續(xù)時間的分析，采用漏斗圖工具，評估工藝對擾動的大小或持續(xù)時間的容忍度，再根據評估結果制定物料分流點和分流決策，還給出了物料分流決策樹。這方面研究結果是注冊資料中工藝開發(fā)章節(jié)須重點提供的內容。
3.4清潔驗證
現有GMP 體系帶來最大的挑戰(zhàn)之一是連續(xù)流設備的清潔驗證。連續(xù)流動化學應用最多的是微通道反應器，反應模塊通道直徑為毫米級；為了保持密封性，一般都采用一體成型，通道無法打開清洗。商業(yè)化的微通道反應器往往會根據工藝的混合要求，定制特殊設計的通道，這使得反應器里可能殘留的組分種類更多，尤其是多步連續(xù)的設施內組分更加復雜，如何清洗、如何取樣都給生產商和監(jiān)管機構帶來了困惑。Q13 草案中沒有提供清潔方法開發(fā)指南，建議申請人可以參考FDA 于2019 年發(fā)布的“連續(xù)制造的質量考量征求意見稿”[13]。該指南建議首先應從開發(fā)和工藝放大(例如增加生產運行時間)研究中獲得的知識來開發(fā)和定義清潔方法，然后定期驗證以確認持續(xù)的有效性。清潔程序應基于在操作期間和拆卸后密切監(jiān)控物料的結果而建立，方案的制定應考慮以下幾點：
①檢查物料在設備、管道、過濾器和儀器上的滯留和積聚，包括在線分析儀和傳感器；
②在運行過程中關注生產線上的物料降解、形成的化學膜和微生物生長；
③清潔驗證期間的評估條件應考慮在預期最差條件( 例如延長生產時間)下的潛在故障模式( 例如結垢和磨損)。
3.5質量標準制定
對于多步整合連續(xù)生產的品種，過程中不分離中間體，連續(xù)反應時需要制定過程中監(jiān)測或控制的可接受標準和采樣計劃，成品的實時檢測放行的方法和標準，這些方法和標準的建立不同于傳統生產方式，需要基于PAT 設備進行全新開發(fā)。如應用在線液相色譜法對中間體質量進行監(jiān)控，檢測結果用于前饋和反饋控制。在線液相色譜的方法開發(fā)不同于傳統離線液相色譜的方法開發(fā)，首先要求結果盡快響應，其次除了要開發(fā)液相色譜方法以外還需要開發(fā)樣品在線處理方法，如樣品淬滅、稀釋、過濾方法，并通過方法學驗證，這些工作給質量分析人員提出了新的挑戰(zhàn)。
總之，連續(xù)流生產的質量控制策略的制定對于國內制造商和監(jiān)管機構都是新的挑戰(zhàn)，需要雙方加強溝通，共同努力，逐漸完善法規(guī)和指南。
4、原料藥連續(xù)生產案例
連續(xù)流技術應用于原料藥生產的優(yōu)勢和挑戰(zhàn)并存。連續(xù)制造目前在國內尚處于起步狀態(tài)，國外雖然發(fā)展多年，但目前獲批上市的連續(xù)制造產品主要是制劑產品[14]，公開報道的只有葛蘭素公司的丙酸氟替卡松作為連續(xù)制造的原料藥獲批[15]。為了進一步理解連續(xù)流工藝的開發(fā)和質量考量，本研究介紹2個GMP 階段的原料藥文獻典型案例，供同仁參考。
4.1單步連續(xù)流生產[16]
Vaborbactam 是美國Rempex公司開發(fā)的一種環(huán)硼酸β-內酰胺酶抑制劑。2017 年FDA 批準vaborbactam 與美羅培南合用，用于治療復雜的尿路感染和腎盂腎炎， 商品名為Vabomere。Vaborbactam 的制備工藝見圖1。
圖1 Vaborbactam 的制備工藝
其中關鍵中間體α- 氯代烷基硼酸酯(4)的制備需要在超低溫(–100 ～ –95 ℃ ) 條件下進行，商業(yè)化生產很困難，制造商決定將該步反應由批次反應變更為連續(xù)生產，小試反應設備流程圖見圖2。采用連續(xù)化生產，收率可由75％提高到90％，但是在放大過程中發(fā)現氯化鋅淬滅反應時會產生固體，堵塞通道，而且放熱明顯，導致非對映異構體含量增加。制造商重新設計了淬滅工序的設備，改成連續(xù)循環(huán)淬滅設備，見圖3。
圖2 Vaborbactam 中間體4的小試連續(xù)反應流程圖
圖3 Vaborbactam 中間體4的連續(xù)生產流程圖
優(yōu)化后的連續(xù)反應設備經過長時間運行，證明了裝置的穩(wěn)健性，轉化率超過90％，選擇性超過95％，產能達到百公斤級。隨后制造商又定制一套相同設備，將中間體4 的cGMP 商業(yè)化產能提高到噸級，這些連續(xù)化生產設施于2017年通過了FDA的審核。
4.2多步連續(xù)流生產[17]
Merestinib 由美國禮來公司開發(fā)，用于治療晚期實體瘤，目前將進入Ⅲ期臨床試驗。Ⅲ期臨床試驗前樣品由禮來公司采用連續(xù)流技術制備，為了降低成本、縮短周期，Ⅲ期臨床試驗樣品轉移給合同加工外包公司合全藥業(yè)負責，在cGMP 條件下生產183 kg 產品的生產周期為25 d，工藝路線見圖4。
圖4 Merestinib 的合成工藝路線
Ⅲ期臨床試驗前，禮來公司采用全連續(xù)的方式制備樣品，而制備Ⅲ期臨床試驗樣品時為了適應cGMP的生產和進度要求，變更為批次和連續(xù)混合工藝，具體變化見表1。
表1 Ⅲ期臨床試驗前后的工藝變化
由表1可見，雖然該產品的最初工藝是全連續(xù)制造工藝，但到了cGMP 生產階段，為了滿足監(jiān)管要求且考慮到時間成本，最終只是將步驟3和步驟4進行了連續(xù)生產(反應設備流程圖見圖5)，其他都改成傳統批次生產，可見采用連續(xù)流方式進行原料藥的合規(guī)生產還存在較大挑戰(zhàn)。為了研究連續(xù)反應過程，對于雜質的產生和清除情況，禮來公司在步驟3應用了在線HPLC 監(jiān)控反應，每30 min 檢測1次，根據結果反饋調整工藝操作，包括：
①繼續(xù)反應；
②調整原料5和6的進料比；
③如超出標準范圍，切換閥門，進入廢液管線排走。經過連續(xù)17 d 的連續(xù)運行監(jiān)控，結果顯示，未轉化的中間體5控制在0.05％，產物中間體7的純度不小于99％，剩余雜質是中間體6 和8，均在可接受范圍內。步驟4可能產生2個基因毒性雜質5和15(結構見圖6)，cGMP 生產過程采用LC-MS 離線檢測，每8 h檢測放行，連續(xù)運行17 d，粗品中2個基因毒性雜質均不超過80×10–6，精制后不超過10×10–6(Ⅱ期臨床樣品控制70×10–6)，確保了成品質量。
圖5 Merestinib 合成過程中步驟3和步驟4的連續(xù)生產流程圖
圖6 Merestinib 雜質5和15的結構式
5、結語
連續(xù)流技術是制藥工業(yè)很有前景的新技術，可以減少藥品的質量問題，降低生產成本，提高患者對優(yōu)質藥品的可及性[18]。在明確的監(jiān)管指南發(fā)布以前，連續(xù)流工藝開發(fā)和監(jiān)管要點對于申請人和監(jiān)管者都是全新的挑戰(zhàn)，采用連續(xù)制造工藝申請注冊獲批上市的投入可能會超過獲益。ICH Q13 草案的頒布，為行業(yè)和監(jiān)管機構在制藥中應用連續(xù)生產技術提供了指導，但是該文件目前還只能作為一個綱領性指導，還需要各國藥品監(jiān)管機構針對本國國情制定操作性更強的指導原則。作為原料藥研究人員，筆者建議國內的藥品監(jiān)管機構也成立類似美國FDA的新技術小組，加大ICH Q13 草案的宣傳，組織學術界和業(yè)界專家制定細則，指導工藝開發(fā)工作，實施過程監(jiān)控方法和標準的建立以及監(jiān)管考量，制定實時檢測放行標準等。在生產體系方面應明確那些與傳統批次生產差別較大的文件和規(guī)范的制定原則和監(jiān)管期望，如連續(xù)設備確認和維護、干擾管理和清潔驗證等，并且在實踐中不斷更新和完善。希望有更多原料藥生產企業(yè)應用連續(xù)流技術，共同推動該技術的發(fā)展，提升行業(yè)制造水平，盡早實現國家的“雙碳”目標。
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本文作者陳蔚、馮明杰、許波、潘毅、陳華、湯立達，天津藥物研究院有限公司、天津泰普制藥有限公司、釋藥技術與藥代動力學國家重點實驗室，來源于中國醫(yī)藥工業(yè)雜志，僅供交流學習
