【NO.1】設計空間概述

在定義CQA之后，下一個也是更關鍵的步驟是開發一種生產工藝，以生產具有所需CQA的產品。在工藝開發過程中，會定期評估幾個工藝參數，以評估它們如何影響產品質量。該工藝的設計空間最終從這樣的研究中演變而來。例如，在細胞培養發育過程中，可以評估溫度、pH值和進料時間等過程輸入范圍，以確定在一定的溫度和pH值范圍內作是否對產品質量有影響。實驗設計（DOE）的進行方式是為了評估多變量（多變量）的影響，并了解一個或多個過程輸入的變化是否以及如何影響產品質量和/或過程輸入是否獨立于其他輸入的變化。

然后為上述每個過程輸入建立設計空間（過程范圍）。這可以進一步解釋使用一個設計空間的例子用于純化柱。如果預計用于純化蛋白質的色譜柱會將蛋白質聚集體水平降低到2%，則評估各種色譜柱操作參數，例如流速、pH值和緩沖液強度、上樣量等等，這樣在這些參數的一定范圍內操作產生的總水平小于或等于2%。事實證明，pH高于6或低于4導致聚集體水平高于2%，那么緩沖液pH的設計空間被定義為4到6之間。最終，分子的整個生產過程將具有一個明確的設計空間，并在該設計空間內操作應該會產生質量可接受的產品。超出特定過程輸入的設計空間進行作可能會導致產品質量不可接受。

由于生物分子的生產過程涉及多個步驟，從細胞培養過程到最終純化，最后到配制和填充所需的容器，因此為特定步驟開發設計空間通常不獨立于生產過程中的其他步驟。由于一個步驟的輸出將成為下一個步驟的輸入，因此應該以整體的方式評估流程設計空間的開發。其中一種方法可能是從最終過程步驟確定所需的產品質量，并在過程中向后工作，以確保過程的每個步驟都提供下一步所需的產品質量，以滿足最后一步的質量目標。為了提供這種方法的一個例子，我們可以回顧上面的最終藥品中期望的2%總量水平的例子。

在這種特殊情況下，應為生產過程的所有參數開發設計空間，這些參數可能會影響最終藥品中的聚集體水平。工藝中每個步驟產生的聚集體的最大水平不需要低于2%，尤其是工藝上游的步驟，例如蛋白A純化，這是抗體純化中使用的第一根色譜柱。

【NO.2】設計空間和QbD的效用

在開發設計空間之前，需要思考：如何使用設計空間？對一個公司來說，發展一個它的任何產品的設計空間有什么優勢。監管機構推廣設計空間和QbD概念的驅動力是什么？

圖1.1.從工藝表征研究中創建工藝設計空間的圖示及其與特征和操作空間的關系。操作范圍表示制造程序中的范圍，表征范圍是檢查過程表征的范圍。可接受范圍是特征研究和定義過程設計空間的輸出。

如圖1.1所示，確定產品質量和過程性能屬性可接受變異性的限值也將用作過程驗證驗收標準。在確定設計空間后，監管文件將包括所有核心和關鍵操作參數（即設計空間）的可接受范圍，以及通常為藥品描述的更受限制的操作空間。獲得批準后，將對CQA進行監控，以確保流程在定義的可接受可變性范圍內執行，該可變性是歸檔設計空間的基礎。擴大設計空間的主要好處是監管機構采用更靈活的方法。工藝變化通常是由生產設備和原材料的變化驅動的，僅舉幾例。目前，工藝的變更需要監管機構的正式備案和批準，并且通常需要為行業和監管機構投入大量時間和資源。設計空間開發的結果（如ICH Q8指南中所述）將是在監管機構批準特定產品的設計空間后，設計空間內的工藝變更不需要額外的監管備案和批準。這種使用增強的過程知識來實現工藝變更的范式轉變，同時減輕了監管部門的審批負擔，這顯然對制造商和監管機構都有好處。

圖1.2.將設計空間概念應用于工藝表征、驗證、監測和監管申報

在產品生命周期中，在工藝一致性和處理量方面進行工藝改進，可以減少批準后提交。隨著制造經驗的增長和工藝改進的機會的確定，操作空間可在設計空間內修改，無需提交后審批。這在圖1.2中進行了說明，它表明，如果工藝蔓延到設計空間之外，則可能需要進行工藝更改，并且可能需要對批準的流程設計空間進行工藝表征、驗證和提交更改。

【NO.3】開發設計空間

圖2.6描述了開發此類設計空間的一些初始步驟。首先定義生產步驟需要實現的產出非常重要。這些將是研究色譜步驟中評估的反應。這需要確定最終產品必須滿足的CQA。之后，必須設置色譜輸出性能指標，以便整個過程提供最終產品CQA。在初始工藝設計中還應考慮生產步驟的一般要求（例如：方法的選擇）。

圖2.6.設計空間的生成從定義適當的響應、過程方法和重要的過程變量開始。（a）電荷異構體和雜質根據風險評估被定義為重要的產品屬性，例如圖2.2中描述的決策樹。（b）根據先前的知識，流通式離子交換純化步驟被認為是控制產品中這些屬性的適當策略。（c）魚骨圖或石川圖可用于描述各種各樣的變量以及變量與產品質量的關系。(d)諸如FMEA之類的風險評估可用于根據可能性、嚴重性和可檢測性對這些因素的重要性進行排序

在圖2.6a中，步驟要求是去除亞能電荷異構體和雜質。然后選擇流通式離子交換柱來滿足這些要求（圖2.6b）。可能影響離子交換性能的潛在因素列在因果圖中，例如魚骨圖或石川圖（圖2.6c）。因素列表應該很廣泛，以免錯過任何變量。由于無法研究所有因素，因此需要評估相對風險。失效模式和影響分析（FMEA）就是這樣一種風險評估和管理工具（圖2.6d），它考慮了事件的概率、嚴重性和可檢測性。適當的跨學科專業知識和其他先驗知識對于生成有意義的風險評估很重要。

風險評估后，可以使用DOE研究一組更有限的變量。除了定義要研究的變量外，還需要設置適當的范圍。對于篩選，范圍應設置在實驗噪聲之上，并且范圍應足夠寬以檢測重要的變量。篩查方法，例如分數階因或Plackett-Burman設計，可用于減少待研究變量的數量細節。

圖2.7。兩個變量的實驗設計。這是一種中心復合周向設計，電位設計生成響應面圖。與左側實驗點關聯的數字以表格格式列出，指示實驗條件。軸向點（6–9）延伸到交互點（1–4）之外（1.4倍），這在右側表中由星號表示

這些篩選設計可能會混淆不同的變量相互作用，甚至混淆主要效應與相互作用。在通過篩選進一步減少重要變量后，可以使用更廣泛的DOE用于細化估計變量效應和交互作用。在圖2.7中，顯示了一種這樣的設計，即中心復合圓周設計（CCC）。本設計假設風險評估和篩選研究已將pH值和蛋白質負載定義為流通離子交換步驟中的重要因素。除了評估高水平和低水平（全因子）的所有交互作用外，該設計還包括多個中心點以評估實驗變異性和每個參數的擴展軸點（另一個參數保持在中點值）。DOE的解釋取決于對變量和響應之間的關系進行建模。更廣泛的設計，例如CCC，可能用于生成鏈接變量和響應的等值線圖。這樣的繪圖可以成為設計空間的基礎。在圖2.8a中，顯示了堿性變體、酸性變體和雜質的三個假設響應等值線圖。根據實現產品CQA的需要，所有三個響應的可接受限值均在圖上方指示。覆蓋所有三種響應的可接受區域可能導致雙因素設計空間（圖2.8b）。

使用DOE對生物技術產品進行色譜分析并不是一種新方法。DOE已用于證明經驗色譜參數內的穩定性。DOE也可用于優化色譜參數。對于QbD，DOE可用于建立超出用于中試和全尺寸批次的經驗范圍的初始設計空間。為了支持更大的設計空間，可以設置更大的變量范圍。但是，如果范圍太寬以至于多個實驗失敗，則可能需要使用更窄范圍的額外實驗。

圖2.8.根據三個響應等值線圖生成初始設計空間。（a）陰離子交換柱步驟旨在控制電荷變體和雜質。假設等高線圖模型來自DOE對三種重要反應進行了研究.每個圖上方顯示了基于臨床經驗和適當研究的這些響應的局限性。（(b)三個響應圖的可接受區域的疊加可以用來定義一個初始設計空間。如上所述，用于構建設計空間的數據是假設的，可能無法反映任何產品在實際色譜中的行為。

在開發設計空間時，可能需要兩個以上的變量。在設計空間中添加的電導率如圖2.9a所示。圖2.9b顯示了三個變量的CCC設計。在圖2.9c中，使用帕累托圖對每個變量的影響和所有可能的交互作用進行排序。方差分析（ANOVA）可用于為變量和交互作用的影響分配顯著性。在這個假設的情況下，所探索范圍的電導率具有臨界意義。然而，pH值和電導率的相互作用對雜質水平有重大影響。

圖2.9.DOE通常涉及許多變量，應對每個變量和交互作用的重要性進行排序。（a）流通色譜步驟的設計空間可能還需要考慮電導率。（b）顯示了三個變量的中心復合外接設計。(c)可使用帕累托圖來評估主要影響和相互作用的相對重要性。對于其中的每一個，響應（例如，雜質水平）可以在重復的可變性和建模殘差（與模型的偏差）的基礎上進行規范化并賦予顯著性。所描述的效果是假設的，可能不能反映任何產品在實際色譜中的行為。

可接受的DOE的考慮因素可能包括與實驗范圍的重復變異性、數據和/或結果的適當轉換、模型的適當選擇（例如，主效應、交互作用、二次）、回歸的選擇（例如，偏最小二乘法、多元線性回歸）、擬合優度（R2、調整后的R2、Q2）和方差分析（回歸擬合、失擬檢驗）。

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