原料藥生產(chǎn)中應(yīng)用連續(xù)流動化學(xué)的質(zhì)量考量

原料藥[即活性藥物成分(activepharmaceuticalingredient，API)]供應(yīng)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(biāo)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(guān)于推動原料藥產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展實施方案的通知，原料藥生產(chǎn)技術(shù)的創(chuàng)新升級朝著綠色化、低碳化轉(zhuǎn)型已是必然的趨勢[1]。連續(xù)流動化學(xué)是一種化工過程強化技術(shù)，應(yīng)用微通道反應(yīng)、固定床、連續(xù)攪拌釜等微反應(yīng)器實現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)，具有本質(zhì)安全、可迅速擴大產(chǎn)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(shù)[2]，也是保證原料藥供應(yīng)鏈安全的關(guān)鍵技術(shù)。連續(xù)流技術(shù)在大化工領(lǐng)域已大規(guī)模使用，體現(xiàn)出許多明顯的優(yōu)勢，但該技術(shù)在原料藥生產(chǎn)中的應(yīng)用進(jìn)展緩慢，尤其是多步整合連續(xù)生產(chǎn)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(rèn)為連續(xù)制造技術(shù)應(yīng)用的主要障礙是進(jìn)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(shè)施檢查、增強投資信心，F(xiàn)DA于2019年發(fā)布了《工業(yè)連續(xù)制造的質(zhì)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(shù)要求國際協(xié)調(diào)理事會(TheInternationalCouncilforHarmonisationofTechnicalRequirementsforPharmaceuticalsforHumanUse，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。ICHQ13草案對連續(xù)制造及其批次進(jìn)行了定義，指導(dǎo)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(jié)合實際提出了對連續(xù)制造產(chǎn)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(guān)文獻(xiàn)，并結(jié)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(shù)應(yīng)用于中間體和原料藥的生產(chǎn)，降低制造成本和節(jié)能減排，以推動這一先進(jìn)制備技術(shù)在化學(xué)原料藥生產(chǎn)上的應(yīng)用。1、連續(xù)流技術(shù)的特點

連續(xù)流技術(shù)給原料藥生產(chǎn)帶來的最明顯優(yōu)勢就是可以顯著縮短生產(chǎn)周期，尤其是多步整合連續(xù)生產(chǎn)的模式。與傳統(tǒng)批次生產(chǎn)不同，不間斷的連續(xù)生產(chǎn)一般要求采用過程分析技術(shù)(processanalysistechnology，PAT)和設(shè)備對質(zhì)量進(jìn)行在線監(jiān)測，由于無需等每步中間體檢測合格后才能進(jìn)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(chǎn)人員較少，可降低人為錯誤風(fēng)險，保障產(chǎn)品質(zhì)量[7]。②連續(xù)流反應(yīng)器持液量小，傳熱、傳質(zhì)快，可安全地使用在釜式反應(yīng)中需要避免的工藝條件，如高溫(高壓)下的反應(yīng)和超快速放熱反應(yīng)。此外，連續(xù)流反應(yīng)中還可以安全使用危險性較大、不適于釜式反應(yīng)的試劑，如一些高毒和高活試劑[8]。③微反應(yīng)器的流體基本是平推流[9]，“三傳一反”調(diào)控容易，放大效應(yīng)小，從實驗室開發(fā)到生產(chǎn)放大周期短，可快速形成產(chǎn)能，尤其適合那些服務(wù)創(chuàng)新藥公司的合同定制研發(fā)生產(chǎn)機構(gòu)及合同定制生產(chǎn)機構(gòu)，縮短工藝開發(fā)和供樣周期[10]。④連續(xù)流設(shè)施占地面積小，可減少寶貴的藥品生產(chǎn)質(zhì)量管理規(guī)范(GoodManufacturingPracticeofMedicalProducts，GMP)設(shè)施空間，大大減少工廠固定資產(chǎn)投入和運營成本。美國CONTINUUSPharmaceuticals公司的案例顯示，采用集成的連續(xù)制造，固定資產(chǎn)投入可減少90％，API生產(chǎn)運營成本降低33.6％，片劑生產(chǎn)降低29.4％

[11]。2、連續(xù)流技術(shù)的應(yīng)用

對于醫(yī)藥行業(yè)，應(yīng)用新的制造技術(shù)的目的是期望加強藥品供應(yīng)鏈穩(wěn)定性，使其更加高效和適應(yīng)性更強，最終為患者帶來好處。將連續(xù)流技術(shù)應(yīng)用于原料藥生產(chǎn)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(chǎn)能與市場需求，不是簡單地在批次生產(chǎn)和連續(xù)生產(chǎn)之間做“二元”選擇。一般認(rèn)為，連續(xù)流技術(shù)更適合批量小的特色原料藥或者需求很大的基礎(chǔ)原料藥[12]。3、連續(xù)流生產(chǎn)的質(zhì)量考量

3.1批量范圍

傳統(tǒng)間歇式生產(chǎn)工藝的注冊批量與起始原料的投料量相關(guān)，根據(jù)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(jù)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(zhì)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(xué)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(jù)需求安排產(chǎn)能，減少倉儲成本。3.2設(shè)備的設(shè)計和整合

生產(chǎn)設(shè)備情況是原料藥申報資料里需要提供的內(nèi)容。傳統(tǒng)間歇釜只需提供每個設(shè)備型號及技術(shù)參數(shù)，但是連續(xù)流設(shè)備大多是定制化設(shè)備，需要提供更多的內(nèi)容。ICHQ13草案中要求對設(shè)備設(shè)計或配置以及系統(tǒng)整合的任何方面都要進(jìn)行詳細(xì)描述，其附件Ⅰ提供了原料藥連續(xù)生產(chǎn)的示例，包括了由2步連續(xù)反應(yīng)和1步批次反應(yīng)組成的混合工藝連續(xù)生產(chǎn)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(jìn)行了詳細(xì)描述和討論，易于理解，此處不再贅述，但需要指出的是，質(zhì)量保證(qualityassurance，QA)部門應(yīng)建立適合連續(xù)流設(shè)備性能和穩(wěn)定性的驗收標(biāo)準(zhǔn)(例如包括參數(shù)差異和偏移，以及瞬時干擾的發(fā)生)，以支持連續(xù)生產(chǎn)工藝的開發(fā)和運行。連續(xù)生產(chǎn)方式需要通過長時間運行來達(dá)到預(yù)定批量大小，因此設(shè)備的穩(wěn)健性對質(zhì)量的影響至關(guān)重要。3.3工藝過程控制

連續(xù)流技術(shù)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(yīng)，不同位點的組分可能都不同。前一個位點的反應(yīng)程度如果由于干擾發(fā)生變化，必將影響下一個位點的質(zhì)量，經(jīng)過連續(xù)疊加，將導(dǎo)致終產(chǎn)品質(zhì)量產(chǎn)生較大偏差，因此在連續(xù)流反應(yīng)中，輕微的擾動就可能導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)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(jìn)行了重點描述，要求增加多個PAT裝置，精確控制進(jìn)料的濃度和流速，監(jiān)測每一步的質(zhì)量，根據(jù)上一步中間體的質(zhì)量水平，反饋控制下一步物料添加流速，達(dá)到控制反應(yīng)、維持受控狀態(tài)的目的。對于擾動的管理是不同于傳統(tǒng)批次工藝的重要內(nèi)容。Q13草案要求基于設(shè)備的停留時間分布(remaintimedistribution，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(yīng)過程動力學(xué)與輸入物料屬性、工藝參數(shù)和設(shè)備參數(shù)的關(guān)系，這些知識可以幫助識別和評估風(fēng)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(jù)評估結(jié)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(jié)果是注冊資料中工藝開發(fā)章節(jié)須重點提供的內(nèi)容。3.4清潔驗證

現(xiàn)有GMP體系帶來最大的挑戰(zhàn)之一是連續(xù)流設(shè)備的清潔驗證。連續(xù)流動化學(xué)應(yīng)用最多的是微通道反應(yīng)器，反應(yīng)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(yīng)器往往會根據(jù)工藝的混合要求，定制特殊設(shè)計的通道，這使得反應(yīng)器里可能殘留的組分種類更多，尤其是多步連續(xù)的設(shè)施內(nèi)組分更加復(fù)雜，如何清洗、如何取樣都給生產(chǎn)商和監(jiān)管機構(gòu)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(zhì)量考量征求意見稿”[13]。該指南建議首先應(yīng)從開發(fā)和工藝放大(例如增加生產(chǎn)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(rèn)持續(xù)的有效性。清潔程序應(yīng)基于在操作期間和拆卸后密切監(jiān)控物料的結(jié)果而建立，方案的制定應(yīng)考慮以下幾點：①檢查物料在設(shè)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(guān)注生產(chǎn)線上的物料降解、形成的化學(xué)膜和微生物生長；③清潔驗證期間的評估條件應(yīng)考慮在預(yù)期最差條件(例如延長生產(chǎn)時間)下的潛在故障模式(例如結(jié)垢和磨損)。3.5質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)制定

對于多步整合連續(xù)生產(chǎn)的品種，過程中不分離中間體，連續(xù)反應(yīng)時需要制定過程中監(jiān)測或控制的可接受標(biāo)準(zhǔn)和采樣計劃，成品的實時檢測放行的方法和標(biāo)準(zhǔn)，這些方法和標(biāo)準(zhǔn)的建立不同于傳統(tǒng)生產(chǎn)方式，需要基于PAT設(shè)備進(jìn)行全新開發(fā)。如應(yīng)用在線液相色譜法對中間體質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)控，檢測結(jié)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(tǒng)離線液相色譜的方法開發(fā)，首先要求結(jié)果盡快響應(yīng)，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(xué)驗證，這些工作給質(zhì)量分析人員提出了新的挑戰(zhàn)。總之，連續(xù)流生產(chǎn)的質(zhì)量控制策略的制定對于國內(nèi)制造商和監(jiān)管機構(gòu)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(chǎn)案例

連續(xù)流技術(shù)應(yīng)用于原料藥生產(chǎn)的優(yōu)勢和挑戰(zhàn)并存。連續(xù)制造目前在國內(nèi)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(chǎn)品主要是制劑產(chǎn)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(jìn)一步理解連續(xù)流工藝的開發(fā)和質(zhì)量考量，本研究介紹2個GMP階段的原料藥文獻(xiàn)典型案例，供同仁參考。4.1單步連續(xù)流生產(chǎn)[16]

Vaborbactam是美國Rempex公司開發(fā)的一種環(huán)硼酸β-內(nèi)酰胺酶抑制劑。2017年FDA批準(zhǔn)vaborbactam與美羅培南合用，用于治療復(fù)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1Vaborbactam的制備工藝其中關(guān)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(jìn)行，商業(yè)化生產(chǎn)很困難，制造商決定將該步反應(yīng)由批次反應(yīng)變更為連續(xù)生產(chǎn)，小試反應(yīng)設(shè)備流程圖見圖2。采用連續(xù)化生產(chǎn)，收率可由75％提高到90％，但是在放大過程中發(fā)現(xiàn)氯化鋅淬滅反應(yīng)時會產(chǎn)生固體，堵塞通道，而且放熱明顯，導(dǎo)致非對映異構(gòu)體含量增加。制造商重新設(shè)計了淬滅工序的設(shè)備，改成連續(xù)循環(huán)淬滅設(shè)備，見圖3。圖2Vaborbactam中間體4的小試連續(xù)反應(yīng)流程圖圖3

Vaborbactam中間體4的連續(xù)生產(chǎn)流程圖優(yōu)化后的連續(xù)反應(yīng)設(shè)備經(jīng)過長時間運行，證明了裝置的穩(wěn)健性，轉(zhuǎn)化率超過90％，選擇性超過95％，產(chǎn)能達(dá)到百公斤級。隨后制造商又定制一套相同設(shè)備，將中間體4的cGMP商業(yè)化產(chǎn)能提高到噸級，這些連續(xù)化生產(chǎn)設(shè)施于2017年通過了FDA的審核。4.2多步連續(xù)流生產(chǎn)[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(jìn)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(shù)制備，為了降低成本、縮短周期，Ⅲ期臨床試驗樣品轉(zhuǎn)移給合同加工外包公司合全藥業(yè)負(fù)責(zé)，在cGMP條件下生產(chǎn)183kg產(chǎn)品的生產(chǎn)周期為25d，工藝路線見圖4。圖4Merestinib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(yīng)cGMP的生產(chǎn)和進(jìn)度要求，變更為批次和連續(xù)混合工藝，具體變化見表1。表1Ⅲ期臨床試驗前后的工藝變化由表1可見，雖然該產(chǎn)品的最初工藝是全連續(xù)制造工藝，但到了cGMP生產(chǎn)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(jìn)行了連續(xù)生產(chǎn)(反應(yīng)設(shè)備流程圖見圖5)，其他都改成傳統(tǒng)批次生產(chǎn)，可見采用連續(xù)流方式進(jìn)行原料藥的合規(guī)生產(chǎn)還存在較大挑戰(zhàn)。為了研究連續(xù)反應(yīng)過程，對于雜質(zhì)的產(chǎn)生和清除情況，禮來公司在步驟3應(yīng)用了在線HPLC監(jiān)控反應(yīng)，每30min檢測1次，根據(jù)結(jié)果反饋調(diào)整工藝操作，包括：①繼續(xù)反應(yīng)；②調(diào)整原料5和6的進(jìn)料比；③如超出標(biāo)準(zhǔn)范圍，切換閥門，進(jìn)入廢液管線排走。經(jīng)過連續(xù)17d的連續(xù)運行監(jiān)控，結(jié)果顯示，未轉(zhuǎn)化的中間體5控制在0.05％，產(chǎn)物中間體7的純度不小于99％，剩余雜質(zhì)是中間體6和8，均在可接受范圍內(nèi)。步驟4可能產(chǎn)生2個基因毒性雜質(zhì)5和15(結(jié)構(gòu)見圖6)，cGMP生產(chǎn)過程采用LC-MS離線檢測，每8h檢測放行，連續(xù)運行17d，粗品中2個基因毒性雜質(zhì)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(zhì)量。圖5Merestinib合成過程中步驟3和步驟4的連續(xù)生產(chǎn)流程圖圖6Merestinib雜質(zhì)5和15的結(jié)構(gòu)式Part5、結(jié)語

連續(xù)流技術(shù)是制藥工業(yè)很有前景的新技術(shù)，可以減少藥品的質(zhì)量問題，降低生產(chǎn)成本，提高患者對優(yōu)質(zhì)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。ICHQ13草案的頒布，為行業(yè)和監(jiān)管機構(gòu)在制藥中應(yīng)用連續(xù)生產(chǎn)技術(shù)提供了指導(dǎo)，但是該文件目前