疫苗利用人体的自然防御机制“教导”免疫系统建立针对特定外来病原体（主要是细菌和病毒）的保护。它们传统上用于预防或减少传染病，而一些新兴疫苗可能有助于消除现有的癌性或患病组织。
疫苗配方是开发与生产疫苗的过程。疫苗通常将主要与次要疫苗组分组合在一起，以实现目标物质的高生物药效率和生物活性，同时表现出适当的免疫刺激类型和程度。添加辅助成分以确保运输稳定性和保质期。需要高效的制造过程来满足严格的监管标准。
什么是疫苗配方？
疫苗配方开发 — 主要配方组分
疫苗配方通常包含一种抗原（可等同于活性药物成分（API））以及一种或多种佐剂，旨在增强抗原的免疫原性作用。然后添加赋形剂以帮助提高配方稳定性与储存能力。
当前的疫苗抗原类型
疫苗种类繁多，通常分为减毒活疫苗或灭活疫苗，以区分含有病原体减毒复制菌株的疫苗与仅含有病原体组分或生物灭活疫苗。
- 病毒疫苗。获得病毒疫苗的两种主要方法是：
- 减毒活疫苗，使用的是不会造成疾病，但依然可以复制的减毒状态病毒。
- “灭活”疫苗，使用的是无法复制，但仍会触发免疫反应的病毒，因为病毒结构中存在的抗原得以保留。
- 重组病毒载体疫苗。病毒载体疫苗利用不相关的减毒病毒（腺病毒）劫持细胞机器，并指示宿主细胞产生触发免疫反应的抗原。
- 亚单位/重组蛋白疫苗。重组蛋白质疫苗或蛋白质亚单位疫苗使用通过重组DNA技术产生的病原体片段。
- 类毒素疫苗。类毒素疫苗由细菌分泌的减毒毒素制备而成。该技术已经成熟，这种类型的疫苗在世界范围内用于治疗破伤风和白喉等疾病。
- 生物结合疫苗。生物结合疫苗通过机械、化学或生物催化（酶促）过程改变或组合两种或多种不同的疫苗组分。
- mRNA疫苗与pDNA疫苗。核酸疫苗包括mRNA与pDNA（环状质粒DNA）疫苗。这些疫苗使用遗传物质（RNA或DNA）为细胞提供制造抗原的指令。mRNA或pDNA疫苗一旦进入人体细胞，就会利用细胞的蛋白质机制制造抗原，从而触发免疫反应。
| 疫苗类型 | 使用该技术的疫苗 |
| 减毒活疫苗 | 天花、麻疹、腮腺炎、风疹、口服脊髓灰质炎疫苗、卡介苗（结核病）、流感 |
消灭整个有机体
|
脊髓灰质炎 |
亚单位
|
无细胞百日咳 肺炎球菌 |
| 类毒素 | 白喉 破伤风 |
| 病毒载体 | 埃博拉病毒 |
| 核酸（mRNA） | SARS-CoV-2（Comirnaty与Spikevax） |
表1：不同类型的疫苗及其使用方法
可用的疫苗佐剂
除了被认为是API，可诱导适应性免疫反应的抗原外，大多数疫苗还含有佐剂，该物质有助于刺激更强的免疫反应。
佐剂主要分为六类：
- 铝盐佐剂：铝盐通常会沉淀，需要进行颗粒工程控制。
- 油类或其他乳液物质：这些物质可能有多种来源，需要在萃取和纯化后进行杂质表征和粒度工程。
- 脂质体或其他脂质纳米颗粒：这些颗粒可通过对核心脂质成分进行化学合成，或者通过生物催化或细菌发酵产生。
- 细菌佐剂产品：这些佐剂由半粗制或纯化的重组组分制成。
- 免疫刺激复合物（ISCOMS）：这些疫苗佐剂基本上为完全结构化或片段化的细胞因子蛋白、其他蛋白质或肽，通过传统的上游和下游生物工艺方法制造，然后与主要疫苗抗原相结合。
- 寡核苷酸：这些特定核苷酸通过固相寡核苷酸合成在单独的工作流程中制成，然后与主要疫苗佐剂一起制剂。
通常在临床疗效试验期间评估佐剂的有效性。因此，在临床开发阶段的早期确定疫苗佐剂配方的质量属性非常重要。
疫苗稳定剂与赋形剂
疫苗可能并不稳定。不同的配方通常在相应的温度条件下表现出不同的稳定性。
液体溶液中的减毒活疫苗对低温敏感，而灭活病毒、亚单位或类毒素对高温更敏感。将稳定剂或赋形剂添加到配方中，以最大程度地减少因冷冻或高温造成的损害，或防止抗原在干燥过程中发生剪切与脱水。
甘露醇、葡聚糖、乳糖、L-亮氨酸和海藻糖通常用作保护性添加剂剂。稳定剂的选择取决于疫苗配方的类型，需要在产品开发的第一阶段仔细优化配方参数，以评估哪种赋形剂或赋形剂组合最能够稳定玻璃化状态下的抗原。
组合疫苗组分
疫苗配方中的两个关键点是添加佐剂以提高抗原的免疫原性，以及添加赋形剂以提高最终产品的稳定性，这会影响到储存条件。
通常，减毒活疫苗是唯一不需要在配方中添加额外佐剂来增强免疫反应的疫苗。然而，它们的存储条件需要保持良好的冷链。
不同的表征与筛选步骤与过程有助于确保最终疫苗配方组合后具有所需性能。选择佐剂与制备配方的步骤如下所述。
1. 筛查并选择佐剂
佐剂的筛查与选择通常必须平衡相互矛盾的临床与生产需求。例如，当使用通常与铝佐剂搭配的重组亚单位抗原时，关键质量属性（CQA）（例如：小型佐剂微粒、高表面积体积比与抗原吸附能力）会提高生物活性。然而，众所周知，小颗粒对最终药品产品收获控制、过滤效率以及小瓶灌装具有挑战性。
选择助剂时，需要考虑化学与物理属性以及温度、混合动力学、浓度控制、试剂加样速率、传质、颗粒与反应动力学等过程参数。对过程参数以及产生的转化进行高效且可重复的表征，可以定义和控制所需属性。自动化实验室反应器对于研究化学和物理参数对佐剂制备的影响非常有用。
3. 优化疫苗稳定性
如前所述，疫苗可能并不稳固。添加稳定剂或赋形剂，从而：
- 大幅减少生产过程中药品的聚集或降解；
- 提高活性药品的溶解度；
- 保持适当的pH值；
- 保持稳定的构象或二级结构；
- 保持较高的抗原-佐剂吸附性，以及
- 长期储存期间延长保质期。
选择添加剂与稳定剂时通常会考虑通过离线分析方法确定的最终疫苗结果，但这有可能无法充分解决或表征工艺或过程本身。了解动力学、路径机理或原位分子相互作用对于建立可靠的过程控制至关重要。
4. 用于最终浓度的滤液
在配制疫苗时，通常利用切向流过滤（TFF）、中空纤维过滤器或其他方法，并通过超滤完成上浓缩过程。上浓缩可以单独进行，也可以与渗滤一起进行，同样使用类似的过滤方法。
对更高通量、过程表征与控制的需求是缓冲液交换装置操作中实时分析技术应用的驱动力。分析较高浓度的蛋白质、病毒或多糖抗原溶液对于使用振动光谱PAT工具测量的生物过程而言是一种优势，有助于实时、同时分析水溶液中的蛋白质与赋形剂。
5. 冷冻干燥最终配方
疫苗通常通过冷冻干燥以粉末形式稳定。在疫苗配方中添加低温保护剂对于开发稳定的粉末配方起着重要作用。
冷冻保护剂通过玻璃化作用稳定疫苗分子，并减缓蛋白质或脂质膜的聚集。添加剂的结晶行为以及冷冻浓缩溶液的塌陷温度（Tc）与玻璃化转变温度（Tg）是影响配方稳定性的重要变量。在冷冻前使用差示扫描量热法（DSC）测定这些值，可以指示配方的稳定性，并有可能确定整个冷冻干燥过程成功与否。
疫苗配方开发的挑战
疫苗配方开发涉及多种职责与责任。因此，配方开发面临的挑战是多种多样的，并且与手头的任务相关。
配方步骤中共同的核心挑战包括：
- 特定于配方的设计与处理。每种反应和疫苗配制方法都需要特定的设计与处理，包括每种反应方案可能特有并且需要独特表征的条件。
- 取样成为瓶颈。取样通常会成为一个关键瓶颈。HPLC与离线颗粒表征是在整个配方开发过程中广泛使用的标准分析方法。采集数千个样品，其中大部分通过手动方式采集，然后以手动方式制备这些样品，用于离线HPLC或离线颗粒表征技术。
- 缺乏原位测量。如果不进行原位测量，则很难表征反应动力学与抗原吸附机理。
- 间歇取样提供的信息有限。同样，间歇性取样会很容易忽视中间体或过程事件，并且可能无法真正了解工艺机制。
- 选择正确的载体囊泡保护有效载荷，使其不仅可以承受生产与输送条件，而且适用于现场情况
原位颗粒表征（PAT）与光谱等表征技术相结合，有助于应对这些挑战，以及简化有效疫苗配方的开发过程，当危及生命的疾病大规模爆发时，这一点至关重要。
优化疫苗配方开发
优化疫苗开发需要深入了解免疫学、生物过程、生物偶联、佐剂合成、抗原-佐剂吸附、赋形剂/稳定剂、提高浓度、缓冲液更换和其他过程参数。不同技术有助于确保疫苗的成功开发。
通过PAT进行原位颗粒表征
原位颗粒表征与光谱PAT通常与自动化实验室反应器结合使用。这不仅可以消除对耗费人力的重复性手动操作的需求，并且可加速过程表征。PAT可用于支持疫苗配方开发活动，例如：
- 稳定性研究。基于DoE（实验设计）的稳定性研究可通过在线表征方法得到改进，以评估温度、水解、氧化、脱酰胺或光降解，以及评估分析所产生的杂质或降解副产物。
- 定义关键过程参数（CPP）。利用PAT定义CPP有助于准确评估关键性转化、微粒形成动力学、原料药化学计量、不受控制的转化、分子吸附、抗原结合或者不应出现的二级结构变化。
- 分析与数据评估。PAT与自动化反应器可减少取样的必要性，有助于提供结构化与可搜索数据，以及改进数据分析与处理。
- 测量过程参数与质量属性。可轻松评估与表征包括粒度、聚集、抗原结构、抗原-佐剂相互作用与溶解度在内的属性。
差示扫描量热法（DSC）与温度
为帮助确保粉末状疫苗配方的质量，在升温过程与储存期间，配方的温度不得高于其玻璃化转变温度。
在升温步骤之前对配方进行DSC分析，可以确定冷冻浓缩溶液以及最终粉末的玻璃化转变温度，有助于优化升温参数与储存条件。
卡尔费休（KF）滴定与水分含量
升温过程永远不会完全去除样品中的水分。残留的水分会影响疫苗的保质期、物理与化学稳定性以及整体质量。水份含量过低会造成加工问题或聚集，而水份含量过高则会导致产品由于保质期与储存不稳定而发生降解。
用于测量冻干药品中残留水份的参考方法为卡尔费休滴定库伦法，可确保其保持稳定和有效。
疫苗质量控制的难题
据疫苗生产商介绍，质量控制与测试会占用疫苗生产时间的一半以上。在生产的每个阶段保持产品有效性的法律责任通常由制造商承担。因此，疫苗原材料与成品分析变得至关重要。以下技术有助于解决疫苗开发和生产中的质量控制难题。
紫外可见光谱
在目前可用的分析技术中，紫外可见分光光度法被认为是测量蛋白质与核酸含量浓度的标准方法。此方法很重要，因为mRNA疫苗等需要高度纯化的DNA/RNA来保持效力。
紫外可见分光光度法还可用于酶、核苷酸与质粒分析，以及乙醇与蔗糖等原材料的纯度/杂质分析。这种灵活性以及易于分析性使紫外可见分光光度法成为整个开发链中表征最终疫苗与不同疫苗组分的首选分析方法。
卡尔费休（KF）滴定法
许多药物成分要么是水合物，要么含有吸附水。水会影响赋形剂的性能以及疫苗的保质期与稳定性。分析水份含量和了解水份对产品的影响对于确定疫苗规格与限制至关重要。
卡尔费休滴定法是最常用的水分测定方法之一。水分含量测定对于证明符合药典标准非常重要。卡尔费休滴定法的用途之一是表征聚山梨醇酯80，这是疫苗配方中常用的一种常用赋形剂。
赋形剂与最终粉末配方的水份含量也可以使用快速水份测定仪进行测量，其中专论中提到了使用烘箱的热失重法。这些测量将会提供关于存储条件与保质期的信息。
符合疫苗开发法规要求
国际上的药物分析领域标准化程度很高。疫苗制造商必须提供有关活性药物成分（API）含量以及疫苗配方中存在的添加剂的信息，这需要进行严格的测试。
监管机构发布了具体的指南，其中包括评估佐剂与佐剂-抗原复合物稳定性的测定，以规范佐剂的选择与质量控制。单独的佐剂与最终配方中的佐剂也应接受临床前与临床评估，以确保其具有安全性与有效性，以及测量其刺激免疫系统对抗特定抗原的能力。
公司必须遵守对允许用于产品制造的物质的化学成分进行规定的当地和/或全球药典法规，此外国际测试方法中规定了质量控制中使用的分析技术与方法。管辖药典包括美国药典（USP）、欧洲药典、日本药典、中国药典、印度药典、国际药典（由世界卫生组织发布）或其他国家的药典。全球范围内不同药典之间的法规基本保持一致。
为确保疫苗的安全性、有效性和监管机构的认可，在开发的每个阶段评估质量非常重要。梅特勒托利多提供用于关键深入分析表征、质量保证（QA）与质量控制（QC）研究与开发的仪器。
疫苗配方开发与质量控制解决方案
疫苗配方开发需要对单个疫苗组分、佐剂-抗原复合物、过程动力学、分子相互作用和其他质量属性进行表征。差示扫描量热法（DSC）。梅特勒托利多的DSC3+测量样品由于其物理和化学性质随温度或时间而变化所发生的焓变化。了解疫苗配方的热特性有助于确定疫苗升温参数以及达到更高的稳定性。
- 卡尔费休（KF）滴定法。以可接受的准确度测定疫苗残留水份含量的能力对于确保安全性至关重要。随着要分析的样品数量不断增加，科学家们面临着提供结果同时保持准确性和安全性的巨大时间压力。梅特勒托利多库仑法卡尔费休水分仪可进行准确和精确的水分测定，可大幅提高处理量、确保高效的工作流程与可追溯的数据，从而提高安全性与生产效率。
使用传统的离线分析和表征方法，无法实时监测过程参数对赋形剂、稳定剂、佐剂以及抗原-佐剂相互作用的影响。相反，通过在原位实时测量过程的技术，可以最好地理解和优化DoE方法及其相互依赖的变量。
- 恒温系统。易于使用的恒温器可改进温度管理，消除冰浴和其他繁琐的操作，确保准确测量温度、pH、混合速率和加样等CPPS，实现可重现的偶联化学、助剂合成与吸附过程。梅特勒托利多EasyMax™、OptiMax™与RX-10™使这些过程更简单、更高效、更准确。
- 原位光谱。原位光谱法可同时实时跟踪与监测水性与有机溶剂/缓冲液中的关键原料药、赋形剂或反应物。ReactIR™与ReactRaman™ iReactIR可跟踪快速的化学与结构转化，并且不受悬浮颗粒的干扰，因此对于表征未知过程中间体、抗原二级结构变化、吸附率以及液体与固体疫苗组分之间的其他关系非常有用。
- 原位颗粒表征。原位颗粒测量系统可表征佐剂或抗原颗粒，这些颗粒在使用其他技术测量时可能不稳固或易发生变化。它们还可以表征、促进或防止可能影响疫苗颗粒质量的短期转化。ParticleTrack™与EasyViewer™可轻松监测非均相悬浮液中的微粒大小、数量与分布。
梅特勒托利多iC软件套件内置有整个PAT实验工作流程，方便轻松查看、解读与汇报结果。在每个iC产品中，强大的算法与图形表示同简单的用户界面相结合，使科学家能够以较少的工作量更深入了解工艺。iC软件套件可自动采集和准备实验数据，并在团队之间共享，从而建立机构知识以及为监管机构保存重要结果。
这些原位分析技术与自动化反应器结合使用，可以全面了解反应条件和变量对疫苗配方的影响，并为放大生产具有挑战性的工艺提供出色的平台。
现有各种设备与方法可帮助按照不同药典的指导对疫苗生产中的抗原、佐剂和赋形剂进行准确定量。常用技术包括液体处理、称量、滴定、密度、折光率、紫外可见分光光度法、熔点、pH、电导率与水份测定。
- 滴定通过有控制添加已知浓度的试剂（滴定剂），测定样品中所含特定物质（分析物）的数量。专论中通常推荐使用此方法，例如，用于表征稳定剂氨基丁三醇或者测定乙酸钠浓度。滴定还可以表征脂肪与油，以及提供赋形剂的酸化、羟基、过氧化物与皂化值。模块化超越系列滴定仪可确保您使用适用于各种应用的智能电极应对未来的分析挑战。
- pH对于评估最终疫苗配方的稳定性与安全性非常重要。它还可用于验证特定疫苗成分的质量。专用InLab®电极可用于特定的生物应用。
- 熔点、密度与折光率是用于表征有机与无机化合物以及确定疫苗成分纯度的物理参数。
- 使用梅特勒托利多的DSC 3+进行的热分析可以测量样品由于其物理和化学性质随温度或时间而变化所发生的焓变化。了解疫苗配方的热特性有助于确定疫苗升温参数以及达到更高的稳定性。使用DSC或TGA进行的热分析也可用于测定单独物质的纯度。这些方法还可以测定最终配方中不同物质的特性。
- 水份测定有助于确保赋形剂与最终产品的质量。以可接受的准确度测定疫苗残留水份含量的能力对于确保安全性至关重要。随着要分析的样品数量不断增加，科学家们面临着提供结果同时保持准确性和安全性的巨大时间压力。梅特勒托利多卡尔费休水分仪与卤素水份测定仪可以进行精准测定水分含量，可大幅提高处理量、确保高效的工作流程与可追溯的数据，从而提高安全性与生产效率。
- 紫外可见分光光度法测定被认为是测定蛋白质与核酸含量浓度的标准方法。UV5 Nano分光光度计是分析微量样品的生命科学应用的理想选择，而分光光度计UV7则是受监管环境的理想选择。
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常见问题解答
疫苗的工作原理是什么？
当致病微生物（病毒、细菌、真菌、寄生虫）进入人体时，免疫系统会将其识别为有害微生物，并触发应对措施将其消灭。病原体由若干特异部分组成，这些部分通常为特定病原体与疾病特有。免疫系统将这些部分识别为异物（抗原），并产生针对它们的抗体。
抗体对检测到的抗原具有特异性。因此，针对一种病原体的抗体无法检测和标记另一种病原体以进行破坏。对于每一种新抗原，我们的身体都需要构建一种新的特异性抗体。当再次遇到相同的疾病时，免疫系统会对该疾病产生记忆，并准备好在症状出现之前对其做出反应。
疫苗含有部分病原体，可作为抗原触发针对疾病的第一次免疫反应，从而产生对疾病的“记忆”。在理想情况下，如果接种疫苗的人后来遇到这种疾病，免疫系统会“记住”它并预防感染，疫苗接种的其他有利结果包括降低感染风险和限制传播。
什么是疫苗配方？
疫苗配方属于开发与生产过程，将主要与次要组分相结合，以实现高生物利用度与生物活性，同时表现出适当的免疫刺激类型与程度。它还力求实现出色的稳定性和保质期，以及符合高监管标准的高效制造过程。
主要组分（抗原或抗原前体）用作引发适应性免疫反应的预防或治疗方式。次要组分（佐剂与其他添加剂）通过免疫刺激、免疫调节或免疫增强剂作用提高疫苗的有效性。
疫苗传统上用于预防或减少传染病，而一些新兴疫苗可能有助于消除现有的癌组织或病变组织。
PAT对于疫苗开发的好处是什么？
通过在每次实验中定期收集高度可重复的分析数据，化学家与工程师可以在较短的时间内充分了解情况并进行全面调查。准确并且频繁地获取样品有助于掌握基本情况以及做出快速、明智的决策。
发酵过程中应监测哪些参数？为什么？
发酵过程中的过程分析有助于为悬浮细胞保持理想的生存条件。其中包括监测与控制pH、溶解氧与溶解二氧化碳等理化环境。通过保持完美的生长条件，可以保持较高的产品质量，提高产量以及缩短发酵时间。
对于用于在线监测发酵的电极的要求是什么？
为了适用于生物过程工程，在线电极必须是可灭菌的、漂移小，并且需要在数天甚至数周内可靠运行。电极最好只需简单、不频繁的维护，以免技术人员将宝贵的时间不必要地浪费在测量点维护上。
实验室自动化设备是否有助于确保合规性？
一句话，可以。接受审计的实验室通过严格控制其分析工作流程确保合规结果。使用自动化实验室仪器时，应谨慎选择和安装仪器。通常会详细跟踪其使用历史、日常测试与使用情况。
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