Gunnar Malmquist/首席科学家
生物制品工艺开发的数据和模拟驱动性越来越强（图 1）。机理建模越来越流行便是其中一个证明。该方法让您可以在计算机上模拟和预测层析行为和实验。
图 1. 工艺开发从一次改变一个因子 (OFAT)、实验设计 (DoE)、高通量工艺开发 (HTPD)、质量设计 (QbD) 到机理建模的演变过程。
机理建模被认为是智能工艺开发的一部分，它是追求更好工艺结果，加快工艺开发的方法的集合。与基于多变量数据分析 (MVDA) 的统计模型（例如实验设计 (DoE)）一起，它可变身为强大的工具，既可节省时间，也可创建更可靠工艺。
虽然该方法可能是获得更可靠工艺结果的捷径，但过程绝不会一帆风顺。本文概述了当前使用机理建模进行层析工艺开发过程中面临的机遇和挑战。
层析法中的机理建模是什么？
机理模型使用计算机模拟来减少工艺开发过程中所需的实验数量。模拟基于层析中涉及的已知物理化学现象。
机理建模是层析工艺中发生的物理化学转运和相互作用的数学表示。例如，该方法使用了微分方程，用于描述分子如何在填料珠之间和珠孔内部移动。它还使用吸附等温线来量化分子在结合时如何竞争配基。
尽管这本身并不是一种新方法，但是机理建模的使用正在从学术研究转移到生物制药行业的实施环节。该方法走俏的原因源于对改善结果和加快工艺开发的需求。由于具有强大的计算机功能和更好的软件，因此行业中的工艺开发人员更易上手。
为什么在下游工艺开发中使用机理建模？
机理建模是对其他工艺开发方法（例如 HTPD 和 MVDA）的补充。与MVDA相比，机理建模中还考虑了物理化学作用，并允许解释模型参数值，可增加对工艺的了解。
使用机理模型，工艺开发人员可以通过更少的实验来更好地理解整个工艺以及可能影响工艺的参数。因此，工艺开发可以变得更快、更科学、更可靠。与 MVDA 相比，机理建模的另一个优点是可以预测及对规模效应进行建模。机理建模框架中还涉及了轻度外推。
一些应用示例包括：预测离子交换层析的分步洗脱条件，通过预测从实验室到工艺层析柱的放大规模，促进技术转移，并解释制造过程中的偏差。
机理建模目前有哪些机会？
如前所述，机理建模的优点是它可以加快工艺开发，并提供更好的工艺。在模型校准上投入的时间相应地减少了所需的实验次数，从而节省了时间和资源（例如样品和填料）。
这种方法学可促使对工艺产生更深刻理解，产生更强大的工艺和更好的性能（例如在产量或通量方面）。该方法对技术转让也非常有益，因为它支持切换可放大的预测模型，而不仅仅是传递大量数据。另一个优点是，还可以使用历史数据来更深入地了解现有工艺。
机理建模可以通过多种方式为药物开发工作增加价值。目前，该方法通常在后期开发中使用，但是在早期工艺开发中使用该方法的概率正在增加。加快早期工艺开发的速度可缩短您进行毒理学和首次人体研究的时间。
图 2 为不同药物开发阶段的机会概述。该方法对于工艺开发、表征以及技术转移特别有用。
图 2 药物开发中不同步骤如何从层析机理建模中受益的示例。
层析机理建模可以带给您什么？
在层析法中，可以使用机理建模来模拟不同条件下的洗脱曲线，例如层析柱尺寸、负载比、流速、pH 值和电导率。对主要和次要样品成分进行模拟。然后使用输出来优化分离。
图 3 至图 6 显示了 Capto S ImpAct 填料的 mAb 洗脱曲线模拟所得的层析示例图。这些图显示了电荷变体、聚集体和片段、宿主细胞蛋白 (HCP) 和脱落蛋白 A 的曲线。
通过检查模拟的洗脱曲线，可以生成潜在的合并标准，进而在计算机上进行测试和优化，然后再进行实验验证。
图 3 电荷变体的模拟洗脱曲线的示例层析图。
图 4 聚集体和片段的模拟洗脱曲线的示例层析图。UV 曲线在单独的 y 轴上绘制。
图 5 HCP 的模拟洗脱曲线的示例层析图。UV 曲线在单独的 y 轴上绘制。
图 6 脱落蛋白 A (PrA) 的模拟洗脱曲线的示例层析图。UV 曲线在单独的 y 轴上绘制。
机理建模目前有哪些挑战？
通过机理建模加快工艺开发工作的可能性确实很大，但这种方法绝不是快速解决方案。为了从该方法中获得收益，您需要投入大量的时间、知识和人力。即使使用当前已改进的软件包，学习曲线也相当陡峭。
换句话说，您需要花费一些时间才能掌握足够的知识，进而充分利用此方法。寻找合适的人选也可能有困难，许多组织都将其作为一种专门技能要求。
另一个主要的困难是该方法增加了分析工作量。使用模拟可以减少工艺开发人员的实验负担。但是，由于需要收集大量质量分数用于进行产品质量和产量分析，因此它还会带来更多的分析工作。
一项最近在 2019 年 HTPD 大会上提交的机理建模案例研究清楚地表明了分析工作量的增加趋势。在这该研究中，与传统的中央复合实验设计 (DoE) 三因素设计相比，用于模型判定的层析运行数量减少了 62％。但是，用于分析产品质量的质量分数量增加了 69％。
在分离方面的挑战如何呢？
如今，结合和洗脱模式下的阳离子交换分离已有良好的模型。疏水相互作用和多模式层析的模型可能还不成熟，但是在这些模式中已投入大量精力。因此，目前尚不完全清楚机理建模对于更具挑战性的分离有多大用处。
一款智能工艺开发工具箱需要的得力工具
机理建模不是任何分离问题的快速解决方案。它有一定的学习曲线，而且最初的研究可能相当耗时。但是，与其他智能工艺开发方法（例如 HTPD 和 MVDA）一起，机理建模最终将有助于加快层析工艺开发，并加深对工艺的理解。
您是否正在考虑机理建模？如果您对各种可能性和挑战感兴趣，请联系我们。
作者：Gunnar Malmquist
Gunnar Malmquist 博士是我们 BioProcess 研发部门的首席科学家，拥有超过四十年的层析经验。他目前专注填料设计策略、质量设计、工艺分析技术以及层析数据的经验模型和机理模型，追求实现更智能的工艺开发和对工艺有更深的理解。