靶向功能蛋白质药物晶体的分子自组装及其连续化制备基础研究

Biological drug product and target drug used for precision medical treatment in medical field have been developing fast. Meanwhile, the continuous manufacturing process is the hotspot in current pharmaceutical industry, in which the preparation of protein drug using the crystallization method is the coming trend. However, the continuous crystallization of protein molecules is facing the challenges in slow nucleation and growth process and the easy degradation phenomenon. This project proposed a new method for continuous manufacturing of the protein crystalline drug with a target function for the first time. This method utilize the magnetic nanoparticles used in target drug system to induce the nucleation and self-assembly of protein crystals, and at the same time, the deposition and scaling problem could be solved in continuous crystallization. This project will build a compound library which have the dual function of adsorption and guidance for nucleation and self-assembly of protein molecules and its structure-function relationship, and verify the mechanism of self-assembly. The molecular simulation method and experimental method are utilized for the above investigation. This project will clarify the effect of continuous one dimentional flow field and magnetic field on the self-assembly of protein crystals with magnetic core, and the mechanism of the mass transfer in this process. Experimental method and process simulation method are utilized for the above investigation. The implementation of this project will increase the efficiency of the continuous protein crystallization process and the crystal quality dramatically, streamline the biopharmaceutical process, provide the fundamental data for the preparation of the protein target drug in a continuous mode, and finally promote the process of protein drug being used in precision medical treatment effectively.

医药领域用于精准医疗的生物医药产品和靶向药物发展迅速，同时连续化制造过程是当前制药业关注的热点，其中蛋白质药物的晶体化制备是大势所趋。然而蛋白质大分子的连续化结晶面临着成核难、生长慢、易变性等挑战。本项目创新性地提出了具有靶向功能的蛋白质晶体药物的连续化制备方法，将靶向制剂中的磁性纳米颗粒用于引导蛋白质分子的成核自组装过程，同时解决连续结晶过程中的沉积和结垢问题。项目将采用分子模拟和实验相结合的手段，建立可在磁性纳米颗粒表面对蛋白质分子兼具吸附和自组装导向功能的化合物及构效关系基础数据库，探明磁核结构蛋白质晶体的自组装机理；采用实验和过程模拟手段，阐明限域空间内的连续一维流场、磁场对磁核结构蛋白质晶体自组装过程的影响和传质机理。项目的实施将为蛋白质靶向药物的连续化制备提供基础数据，显著提高蛋白质连续结晶过程的效率和产品质量，使生物制药过程更加集成化，从而有效推动蛋白质类药物用于精准医疗。

全球生物医药产业正呈现出新需求和新技术驱动的创新态势，尤其在疫情后世界对生物医药用品的需求急剧增加，生物医药产业蓬勃发展。全球范围内生物制药过程目前下游提纯占总成本的50%以上，主流的纯化方法需要经过亲和色谱、精制色谱、超滤等步骤，为下游制造成本的主要部分。如何更廉价、高效地得到药物蛋白成为重要的关注点，针对该问题，本项目采用结晶技术提纯大分子生物药。.设计了新型蛋白质大分子结晶方法，在对磁性纳米粒子进行聚合物改性和优化的基础上，成功制备了具有磁靶向功能的溶菌酶蛋白晶体，具有成核时间短、晶体形貌规则、顺磁性等产品特征，同时具有容易分离的过程优点，为蛋白质大分子的提纯和制备技术开创了新思路。结合分子模拟手段获得了蛋白质@纳米粒子型复合结构大分子晶体的自组装过程构效关系规律，为制备磁性晶体的设计和选择提供了理论依据；对制备具有磁靶向功能的蛋白晶体的结晶过程规律进行了研究和系统优化，为实现生物制药过程的连续化和升级换代提供了有效的借鉴，并激发更多的工艺和设备的创新；；获得了蛋白质@纳米粒子型复合结构大分子晶体在连续管式流动模式下的结晶过程规律，获得了优化的连续结晶方式、流速、气液比等过程控制条件，收率在80%以上；基于磁场下的管式结晶器，对纳米粒子与溶液中的蛋白质分子之间的相互作用、分子组装规律、过程规律进行了系统研究，建立了磁式管式结晶器雏形；对已商业化的实际药物胰岛素和几种单抗进行试验，成功制备了具有磁靶向功能的激素晶体和几种药用单抗晶体，如在试验条件下最短可在0.5小时内获得胰岛素晶体。该技术明显加快了大分子晶体的成核过程，提高生产的效率，便于产品生产过程的分离程及纳米粒子的回收，在实际药物生产过程中具有应用价值和前景，同时在医疗应用中可实现药物的磁靶向功能，多方位满足精准化医疗时代对蛋白质药物的巨大需求。