使用实验室规模设备对结核病疫苗候选物进行低温喷雾干燥工艺的放大

Scale-up of a low-temperature spray-drying process for a tuberculosis vaccine candidate using lab-scale equipment

作者信息Maximilian Aisenstat, Joseph McCollum, Mani Ordoubadi, Hui Wang, Zahra Minootan, Alana Gerhardt, Andrew R Martin, Christopher B Fox, Reinhard Vehring
PMID40074162
发布时间2025-04-15
DOI10.1016/j.ijpharm.2025.125456

实验完整度

研究主要基于工艺建模和喷雾干燥实验,包含粉末表征和体外性能评估,但缺乏体内验证。

主要模型

喷雾干燥的TB疫苗干粉(含ID93抗原和GLA-SE佐剂) 重构后的疫苗液体(用于表征)

重点核对

喷雾干燥机型号:定制研究型喷雾干燥器(Ivey & Vehring, 2010) 干燥气体流量:700 SLPM 入口温度:70°C 出口温度:48.3°C 预测出口相对湿度:7% 液体进料速率:3.1 mL/min 总进料浓度:约200 mg/mL 生产速率:276 mg/min(考虑收率后)

摘要

实验室规模的喷雾干燥可以是开发用于递送生物制品(如治疗性蛋白质或疫苗)的新型干粉制剂的有用工具。低温干燥通常在这些过程中使用,以防止生物制品暴露于可能导致最终产品降解或不稳定的恶劣条件下。然而,在小型设备上进行低温干燥可能导致非常低的生产率,这可能不足以生成需要大量样品的研究(如关键的临床前或毒理学研究)所需的足够材料。本研究展示了使用定制实验室规模喷雾干燥器对喷雾干燥的佐剂蛋白结核病(TB)疫苗候选物进行放大生产的努力。为了在不损害粉末和生物材料稳定性的情况下实现更高的产量,使用喷雾干燥工艺模型来确定最佳工艺参数,并建立一般的疫苗粉末生产指南,例如在干燥过程中尽量减少暴露于高温和相对湿度。最大化干燥器产量并增加总进料浓度,使得使用实验室规模设备的生产率提高了十倍,从而可以在一次6小时的喷雾干燥运行中使用实验室规模喷雾干燥器生产97.6克粉末(相当于约5000个人用剂量)。

实验结论

提炼研究问题、关键发现与证据,快速把握文章的核心贡献。

研究问题
如何在不牺牲粉末性能和长期稳定性的前提下,提高实验室规模喷雾干燥生产TB疫苗候选物的生产率?
核心机制
维持低出口温度和相对湿度,通过玻璃化稳定疫苗组分,防止热和湿度引起的降解。
主要证据
使用定制实验室规模喷雾干燥器,通过工艺模型优化参数,将生产率提高十倍,生产出97.6克粉末,且粉末特性(形态、无定形相、活性成分含量)与之前的制剂相当。
研究意义
该研究为在实验室规模实现中等规模疫苗粉末生产提供了一种方法,有望加快临床前和毒理学研究所需材料的生成。

研究路径

按研究推进顺序梳理实验设计、验证步骤与关键观察。

1

工艺建模与优化

确定能够最大化生产率且满足出口温度和相对湿度限制的工艺参数。

使用能量和质量平衡模型(MATLAB函数)计算在不同干燥气体流量、入口温度、雾化气体压力、液体进料速率和进料浓度下的生产率、出口温度和出口相对湿度。通过设定出口温度低于50°C和出口相对湿度低于7%的边界条件,筛选出最优参数。

2

原料液制备

配制含有疫苗成分和赋形剂的进料溶液,用于喷雾干燥。

将海藻糖二水合物和Tris溶解于HPLC级水中,用盐酸调节pH至7.5±0.1,过滤后加入GLA-SE佐剂和ID93抗原,轻轻混合。

3

喷雾干燥生产

以高生产率喷雾干燥疫苗粉末,同时控制出口温度和相对湿度以保持稳定性。

在选定的工艺参数下运行定制研究型喷雾干燥器,进行约6小时的生产,收集粉末。

4

干粉表征

评估所得粉末的物理和化学特性,包括形态、固相、水分含量和体外气溶胶性能。

使用SEM观察颗粒形态,使用宏观拉曼光谱分析固相,使用卡尔费休滴定测量水分含量,并使用NGI评估体外气溶胶性能。

5

重构粉末表征

验证喷雾干燥和重构后疫苗成分(ID93、角鲨烯、GLA)的回收率和生物物理性质。

将粉末重构至进料浓度,使用动态光散射测量乳液液滴尺寸,使用反相HPLC定量角鲨烯和GLA,使用SDS-PAGE定量ID93。

研究方法

按研究目的归类文中使用的方法,便于定位所需技术。

产品清单

实验环节名称品牌货号
定制研究型喷雾干燥器----
海藻糖二水合物Fisher Scientific6138-23-4
HPLC级水Fisher Scientific7732-18-5
Millex针头式过滤器Sigma AldrichSKU
场发射扫描电子显微镜Carl ZeissSigma
SEM样品台Ted Pella16111
溅射镀膜仪DentonDesk
卡尔费休库仑滴定仪Mettler ToledoC30
烘箱附件Mettler ToledoStromboli
分析天平Mettler ToledoME204E
下一代撞击器Copley Scientific--
临界流量控制器Copley Scientific LimitedTPK
胶囊QualicapsQuali-V-1
被动干粉吸入器NovartisSeebri
动态蒸汽吸附分析仪Surface Measurement SystemsDVS
ZetaSizer NanoZSMalvern--
反相色谱柱WatersAtlantis
高效液相色谱系统Agilent Technologies1200
电喷雾检测器Thermo Fisher ScientificCorona
十二烷基硫酸钠溶液Thermo Fisher Scientific--
LDS缓冲液Thermo Fisher Scientific--
β-巯基乙醇----
台式离心机Thermo Fisher Scientific--
预制Tris-甘氨酸SDS-PAGE凝胶Thermo Fisher Scientific--
SYPRO Ruby蛋白凝胶染色Thermo Fisher Scientific--
凝胶成像系统Bio-RadChemiDoc
低蛋白结合Eppendorf管Sigma AldrichZ768820
台式摇床VWRRocker

关键环节

汇总复现实验时建议重点确认的条件及原文阅读提示。

环节核对要点
喷雾干燥
干燥气体流量(700 SLPM)、入口温度(70°C)、雾化气体压力(138 kPa)、液体进料速率(3.1 mL/min)、出口温度(48.3°C)、预测出口相对湿度(7%)
阅读提示:参见表3
进料浓度
海藻糖175 mg/mL、Tris 2.11 mg/mL、角鲨烯30 mg/mL、DMPC 6.6 mg/mL、GLA 0.17 mg/mL、维生素E 0.17 mg/mL、ID93 0.07 mg/mL、总浓度214 mg/mL
阅读提示:参见表2
原料液制备
pH 7.5±0.1,过滤孔径0.22 μm,GLA-SE和ID93的加入顺序
阅读提示:参见2.2.2节
水分含量测定
卡尔费休滴定仪烘箱温度110°C,样品量约100 mg,重复两次
阅读提示:参见2.2.4.3节
体外气溶胶性能
吸入流量100 mL/min,吸气时间2.4秒,胶囊填充量30-50 mg,每个样品3个胶囊
阅读提示:参见2.2.4.4节
重构粉末DLS
分散质溶剂为MilliQ水,测量温度25°C,测量角度173°,自动衰减
阅读提示:参见2.2.5.1节