生物制药纯化技术创新：从单抗到 mRNA，下游工艺持续突破

在全球生物制药产业蓬勃发展的今天，不同类型生物药的下游纯化工艺正面临前所未有的挑战与机遇。从单克隆抗体到病毒载体基因治疗，再到新兴的 mRNA 疫苗，每一类产品都需要特定的纯化策略。如何在保证产品质量的同时提升工艺效率、降低成本，成为整个行业关注的焦点。

 

 

 

Part 1

单克隆抗体的纯化与加工

 

单克隆抗体纯化技术已发展相对成熟，标准工艺流程包括细胞培养后上清液通过蛋白 A 层析捕获，低 pH 活化，随后经过阳离子交换或离子交换等一系列纯化步骤，最终完成产品配制。

 

当前的主要挑战在于实现工艺的连续化整合以及降低生产成本。

 

在连续生产方面，蛋白 A 膜吸附剂展现出替代传统树脂的潜力。研究表明，这种新型技术不仅降低了设备成本，还减少了堵塞、压降和固定相压缩等问题，同时能有效降低宿主细胞蛋白污染物含量。尽管这一技术需要更大体积的缓冲液，但为单抗纯化从批次式向半连续式生产转变提供了可能。

 

为降低生产成本，研究人员开发出了新的工艺路线，包括通过盘管流动转化反应器进行沉淀，随后利用阳离子交换多模式层析捕获单抗，最后通过离子交换膜进行抛光。这种方法有望为欠发达地区和寻求降低下游纯化成本的企业提供新的选择。

 

 

Part 2

病毒载体基因治疗的纯化技术

 

病毒载体纯化技术面临诸多挑战，现有技术在可扩展性或早期纯化步骤的效率方面都存在局限，导致产品损失和成本升高。

 

尽管密度梯度离心能够同时实现病毒载体纯化和空壳体分离，但这种方法在商业化规模下需要大量超速离心机，实用性较低。而常规层析技术虽然在实验室规模表现良好，但在商业化生产中面临设备成本高和压降问题等挑战。

 

新型亲和层析技术的开发正在改变这一局面。目前已有专有树脂能够结合多种 AAV 血清型，但仍面临空壳体共纯化的问题。一项突破性进展是「血清型无关」树脂的开发。这种技术通过模拟抗 AAV 抗体 A20，提取靶向高度保守区域的肽段序列，使配基不仅具有与商业吸附剂相当的结合容量，还能降低宿主细胞蛋白污染，并且允许在生理 pH 值下洗脱 AAV。

 

 

Part 3

mRNA 疫苗的纯化技术

 

从常规蛋白类治疗产品向核酸类平台的转变带来了全新的纯化挑战。

 

在实验室和生产规模上，层析分离因其选择性、适应性和可扩展性，已成为主要的纯化技术。然而，由于理化性质、结构和杂质组成的显著差异，现有的层析树脂和工艺流程都需要重新设计和优化，这也导致了当前 mRNA 疫苗下游工艺存在较大的效率损失。

 

目前的纯化方法主要依赖专有聚合物树脂材料和单体柱，基于大小、电荷、亲水性和亲和性进行分离。由于 mRNA 带负电荷的特性，阴离子交换层析成为主要的纯化方法。这种方法基于分子量和序列进行选择性分离，但容易产生聚集体。虽然可以通过变性剂或有机试剂来缓解这一问题，但考虑到安全性，这些方案并不适合大规模生产。

 

为解决这些问题，业内开发出了多模式离子交换/氢键层析技术。通过改性单体柱，这种方法可以实现体外转录产物中 mRNA 的高效分离，且纯化效果不受构建体大小或 poly-A 尾巴的影响。

 

另一个重要方向是亲和层析技术的应用。寡聚 dT 亲和层析通过 A-T 配对捕获 mRNA 的 poly-A 尾巴，可有效去除 DNA 模板、核苷酸底物、酶和缓冲液组分等杂质。

 

最新研究发现，将寡聚 dT 固定在静电纺丝聚合物纳米纤维吸附剂上，不仅提高了产率，还能在更高的流速下操作，缩短处理时间。这项技术已在新冠病毒 mRNA 疫苗的纯化中得到应用。

 

尽管寡聚 dT 亲和层析无法区分单链和双链 RNA，但在实际生产中，mRNA 的处理可能需要同时结合层析和膜过滤技术。未来，膜系统的深入研究有望推动连续化工艺的发展[。

 

 

Part 4

未来发展，连续化与智能化趋势显现

 

展望未来，生物制药纯化技术的发展将更加注重工艺的连续化和智能化。

 

在单抗领域，膜吸附和沉淀等新型技术有望突破传统工艺的瓶颈；在病毒载体领域，对空壳体和全病毒颗粒结合机理的深入理解将推动更高效分离技术的开发；而在 mRNA 疫苗领域，杂质和分离机制的深入研究，以及新型固定相材料的开发将为提升工艺效率带来新的突破。这可能通过尺寸排阻、离子交换、亲水作用、亲和作用等多种分离模式来实现。

 

总的来看，生物制药纯化技术正处于重要的转型期。

 

单抗、病毒载体和 mRNA 等不同类型生物药物的纯化特点和技术需求各不相同，这既给工艺开发带来挑战，也为技术创新提供了广阔空间。随着对各类产品纯化机理认识的深入和新型材料技术的发展，有理由期待更高效、更经济的下游工艺解决方案的出现。

 

参考材料：

1. Schmitz F, Minceva M, Kampmann M. Comparison of batch and continuous multi-column capture of monoclonal antibodies with convective diffusive membrane adsorbers. J Chromatogr A. 2024;1732:465201. doi: 10.1016/j.chroma.2024.465201

2. Trnovec H, Doles T, Hribar G, Furlan N, Podgornik A. Characterization of membrane adsorbers used for impurity removal during the continuous purification of monoclonal antibodies. J Chromatogr A. 2020;1609. doi: 10.1016/j.chroma.2019.460518

3. Kateja N, Kumar D, Sethi S, Rathore AS. Non-protein A purification platform for continuous processing of monoclonal antibody therapeutics. J Chromatogr A. 2018;1579:60-72. doi: 10.1016/j.chroma.2018.10.031

4. Arakawa T, Tomioka Y, Nakagawa M, et al. Non-Affinity Purification of Antibodies. Antibodies. 2023;12(1). doi: 10.3390/antib12010015

5. Singh N, Heldt CL. Challenges in downstream purification of gene therapy viral vectors. Curr Opin Chem Eng. 2022;35. doi: 10.1016/j.coche.2021.100780

6. Florea M, Nicolaou F, Pacouret S, et al. High-efficiency purification of divergent AAV serotypes using AAVX affinity chromatography. Mol Ther Methods Clin Dev. 2023;28:146-159. doi: 10.1016/j.omtm.2022.12.009

7. Shastry S, Barbieri E, Minzoni A, et al. Serotype-agnostic affinity purification of adeno-associated virus (AAV) via peptide-functionalized chromatographic resins. J Chromatogr A. 2024;1734. doi: 10.1016/j.chroma.2024.465320

8. Shastry S, Chu W, Barbieri E, et al. Rational design and experimental evaluation of peptide ligands for the purification of adeno-associated viruses via affinity chromatography. Biotechnol J. 2024;19(1). doi: 10.1002/biot.202300230

9. Mietzsch M, Smith JK, Yu JC, et al. Characterization of AAV-Specific Affinity Ligands: Consequences for Vector Purification and Development Strategies. Mol Ther Methods Clin Dev. 2020;19:362-373. doi: 10.1016/j.omtm.2020.10.001

10. Keulen D, Geldhof G, Bussy O Le, Pabst M, Ottens M. Recent advances to accelerate purification process development: A review with a focus on vaccines. J Chromatogr A. 2022;1676. doi: 10.1016/j.chroma.2022.463195

11. Rosa SS, Prazeres DMF, Azevedo AM, Marques MPC. mRNA vaccines manufacturing: Challenges and bottlenecks. Vaccine. 2021;39(16):2190-2200. doi: 10.1016/j.vaccine.2021.03.038

12. Feng X, Su Z, Cheng Y, Ma G, Zhang S. Messenger RNA chromatographic purification: advances and challenges. J Chromatogr A. 2023;1707. doi: 10.1016/j.chroma.2023.464321

13. Megušar P, Miklavčič R, Korenč M, et al. Scalable multimodal weak anion exchange chromatographic purification for stable mRNA drug substance. Electrophoresis. 2023;44(24):1978-1988. doi: 10.1002/elps.202300106

14. Dewar EA, Guterstam P, Holland D, et al. Improved mRNA affinity chromatography binding capacity and throughput using an oligo-dT immobilized electrospun polymer nanofiber adsorbent. J Chromatogr A. 2024;1717. doi: 10.1016/j.chroma.2024.464670

15. Corbett KS, Edwards DK, Leist SR, et al. SARS-CoV-2 mRNA vaccine design enabled by prototype pathogen preparedness. Nature. 2020;586(7830):567-571. doi: 10.1038/s41586-020-2622-0

16. Javidanbardan A, Messerian KO, Zydney AL. Membrane technology for the purification of RNA and DNA therapeutics. Trends Biotechnol. 2024;42(6):714-727. doi: 10.1016/j.tibtech.2023.11.016

 

综合编译：John Xie