高浓度皮下注射生物制品（high concentration subcutaneous biological drug products）的挑战与进展

本文是一篇综述性论文（类型b），由Guangli Hu、Mikolaj Milewski、Yogita Krishnamachari等多位来自默克公司（Merck & Co., Inc.）制药科学与临床供应部、生物制品科学与技术部、分析研发部的研究人员共同撰写，发表于*Advanced Drug Delivery Reviews*第232卷（2026年），文章编号115793。该文系统阐述了高剂量皮下注射制剂（hisubq）在配方设计、生产工艺、装置开发、生物药剂学及分析表征等关键领域所面临的挑战与最新进展。

第一个主要观点：皮下注射（subcutaneous, sc）给药因其便利性和患者依从性优势，已成为生物制品递送的重要方向，但高浓度配方的开发面临诸多技术障碍。 文章指出，与静脉注射（intravenous, iv）相比，皮下注射可将给药时间从数十分钟甚至数小时缩短至几分钟，且患者可自行给药，减少前往输液中心的不便。然而，皮下注射的单次注射体积通常限制在2毫升以内，这意味着必须将蛋白浓度提高至100–150 mg/ml甚至200–250 mg/ml以上的超高浓度水平。这种浓度提升会显著增加溶液黏度，加剧分子拥挤效应和蛋白间短程相互作用，从而引发蛋白聚集、变性及化学修饰等稳定性问题。此外，皮下注射的生物利用度通常比静脉注射低20%–40%，且皮下给药可能带来额外的免疫原性风险。这些因素共同构成了hisubq开发中的核心矛盾：患者便利性需求与制剂技术可行性之间的张力。

第二个主要观点：配方与生产工艺的优化是hisubq产品成功的基石，尤其需要解决高黏度和蛋白稳定性两大难题。 文章详细讨论了黏度控制的策略。随着单克隆抗体（monoclonal antibodies, mabs）浓度超过100 mg/ml，溶液黏度因蛋白间短程吸引作用而呈指数上升，往往超过药学上通常可接受的20厘泊（cp）上限。为降低黏度，研究人员可采用精氨酸盐酸盐（arginine HCl）、赖氨酸盐酸盐、脯氨酸等黏度降低辅料，这些辅料通过削弱蛋白-蛋白相互作用或调节蛋白表面电荷来改善流动性。其中脯氨酸在超过225 mg/ml的mab配方中表现出优于甘氨酸和海藻糖组合的降黏效果。在稳定性方面，蔗糖是最常用的稳定剂，通过优先排阻机制保护蛋白免受聚集和变性；海藻糖、山梨醇和甘露醇具有类似功能，但需注意避免加工过程中的结晶问题。蛋氨酸可提供抗氧化保护，组氨酸缓冲体系在pH 5.5–7.0范围内表现优异。生产工艺方面，高黏度溶液在超滤渗滤（ultrafiltration diafiltration, ufdf）和灌装过程中面临过滤堵塞、灌装针头堵塞和冷冻浓缩等挑战，需要通过过程表征、缩小模型和计算模型来定义稳健的设计空间。

第三个主要观点：预灌封注射器（prefilled syringes, pfs）等装置是组合产品中不可分割的组成部分，其与制剂的相互作用直接影响产品稳定性和功能性。 文章从装置角度系统分析了多个风险因素。首先是硅油（silicone oil）问题：硅油作为润滑剂涂覆在玻璃注射器内壁，但随时间推移会浸出进入药液，形成亚可见颗粒（subvisible particles），并可能通过界面应力促进蛋白聚集。作者团队的研究表明，硅油浸出受注射器品牌、硅化方法和表面活性剂浓度的强烈影响；新涂覆的注射器比长期储存的注射器更容易发生硅油迁移，导致挤出阻力（extrusion force）上升。为此，作者开发了一种基于离心法的硅化工艺，可获得更均匀的硅油涂层（相对标准偏差11%，而传统喷涂法为24%），且涂层厚度可在400–1800 nm范围内精确调控。此外，无硅油玻璃注射器（silicone-oil-free, sof）虽然初始滑动力和挤出力较高，但在长期稳定性试验中不会因硅油迁移而出现功能漂移，且颗粒计数显著降低。其次是针头堵塞问题：高浓度制剂的黏度升高增加了针头堵塞风险。作者利用中子成像和同步辐射X射线相衬计算机断层扫描（sr-xpct）观察到压力循环驱动液体进入针头，而刚性针头护套（rigid needle shield, rns）中的锌离子迁移进入药液，可能通过诱导蛋白凝胶化而加剧堵塞。第三是胶塞与针筒的几何匹配：作者建议采用有限元分析预测胶塞主密封肋的接触应力，并评估弹性体材料的力学性能以降低针尖取芯（coring）风险。在装置创新方面，作者介绍了一种多孔针头技术，可增加皮下分散面积并降低注射压力，以及一种改进的注射器-针座设计，可显著改善悬浮液制剂的注射性能。

第四个主要观点：皮下给药后大分子的吸收过程受解剖生理和制剂因素的共同影响，预测生物利用度需要综合考虑多种机制。 大分子药物注射到皮下组织后，主要被限制在间质空间中，通过血液毛细血管或淋巴毛细血管进入体循环。分子量越大，通过淋巴系统吸收的比例越高；在羊、猪和狗等大型动物中，大分子的淋巴摄取显著，而在小鼠、大鼠和兔中则以直接血液吸收为主。生物利用度降低的机制包括不可逆的组织结合和皮下组织或引流淋巴中的系统前降解（presystemic degradation）。作者指出，目前尚无明确证据表明高浓度皮下制剂与低浓度制剂的吸收曲线存在本质差异；在常规辅料浓度范围内调整配方组成通常不会显著影响单克隆抗体和融合蛋白的吸收程度。注射部位和深度对药代动力学有一定影响，大腿部位的吸收通常高于上臂和腹部，但差异往往无统计学意义。需要注意的是，使用针头长度超过8毫米的自动注射器（autoinjector）以90°角注射时，可能导致意外的肌肉注射，从而引起更快的吸收和更高的峰浓度（cmax）及药时曲线下面积（auc），可能导致生物不等效。

第五个主要观点：高浓度制剂的免疫原性风险需要综合考量蛋白性质、配方特征和皮下组织免疫环境的多重交互。 皮下给药使蛋白在注射部位停留时间更长，与树突状细胞（dendritic cells, dcs）和朗格汉斯细胞等抗原呈递细胞（antigen-presenting cells, apcs）的接触机会增加，从而可能增强抗药抗体（anti-drug antibody, ada）的产生。蛋白聚集是免疫原性的关键驱动因素，而高浓度、辅料相互作用和注射剪切应力都可能促进聚集。临床数据显示，曲妥珠单抗（trastuzumab）皮下给药的ada发生率（15.9%）高于静脉给药（10.1%），但由于ada为非中和性且药代动力学未受显著影响，临床意义有限。因此，评价免疫原性风险时需关注ada的滴度、持续性和中和能力，而非单纯的阳性率。

第六个主要观点：分析表征技术的进步为深入理解高浓度生物制品的分子行为提供了关键工具。 传统分析方法如尺寸排阻色谱（sec）、差示扫描量热法（dsc）和动态光散射（dls）通常需要对样品进行稀释，可能破坏高浓度环境下的真实分子状态。近年来，小角X射线散射（saxs）、核磁共振（nmr）、氢/氘交换质谱（hdx-ms）和固态核磁共振（solid-state nmr）等非稀释或低扰动技术得到越来越多的应用。例如，saxs结合建模可揭示辅料如何调节蛋白间净相互作用及其对黏度的影响；hdx-ms可在不稀释的情况下直接分析相分离（liquid-liquid phase separation, llps）样品中蛋白的构象差异；固态nmr可定量蛋白与辅料在亚200纳米尺度的分子混溶性（miscibility），对评估冻干或喷雾干燥制剂的长期稳定性具有独特价值。此外，微流成像（mfi）、共振质量测量（rmm）和受激拉曼散射（srs）等技术提高了亚可见颗粒的定量和化学鉴定能力。

本文的学术与应用价值。 该综述系统整合了hisubq开发中从分子层面到产品层面的多学科知识，提出了以患者为中心的整合开发路线图，强调配方、工艺、装置、生物药剂学和分析之间的协同设计。文章所述的无硅油注射器评估、离心硅化工艺、蒙特卡洛模拟优化灌装参数以及多孔针头设计等案例，为业界提供了可借鉴的实践策略。同时，文章对高浓度制剂分析技术的评述，为建立更可靠的质量控制策略和监管申报提供了科学依据。默克公司研究团队在组合产品开发中形成的系统方法和风险管控框架，对推动皮下注射生物制品的创新和转化具有切实的指导意义。