生物制药分析
生物治疗药物，也被称为生物制剂或生物制药，来源于植物、微生物和转基因细胞等生物体。它们包括由核苷酸聚合物（即RNA或DNA）或氨基酸(多肽和蛋白质)组成的高分子药物。
基于核酸的生物治疗药物，如小干扰RNA（siRNA）和DNA，由于其持久和潜在的疗效而受到越来越多的关注，但目前很少有基于核酸的药物被批准用于治疗用途。肽和蛋白质代表了主要的一类生物治疗药物，因为它们具有多种生理功能。
“各种分析技术，例如色谱和质谱，以及各种工具，例如克隆、CRISPR/Cas、一次性设备、机器学习和使用先进的传感器和自动化，有助于推进生物制药研究，”弗劳恩霍夫研究所生物工艺工程系主任、亚琛工业大学副教授Johannes Buyel博士说。Buyel的工作重点是重组蛋白表达、整体生物过程集成、制造过程建模及其数字化。
在整个开发过程中，各种生物药物分析技术被用来获得对复杂生物疗法的组成、质量、稳定性和安全性的重要见解。在这篇文章中，我们将仔细研究科学家在该领域所采用的一些策略。
生物制药的兴起
基因组挖掘
基因组挖掘涉及识别与微生物中新的生物合成途径相关的基因。识别这种途径的一个常见瓶颈是重新发现以前已经发现的化合物。基因簇分析以及光谱技术可以加速未知天然产物的鉴定，并确定代谢物的立体化学。
帮助从单个基因组到整个属的基因组挖掘的平台的例子是BiG-SCAPE和CORASON。BiG-SCAPE 提供生物合成基因簇的序列相似性分析，而CORASON通过系统基因组方法帮助阐明基因簇之间的进化关系。CRISPR-Cas9是一种非常重要的技术，可以有效地激活多个链霉菌中的生物合成基因簇而产生独特的代谢物，例如链霉菌中的新聚酮。这项技术导致了罕见和未知的抗生素变种的产生，如别霉素、乳霉素、phenanthroviridin和5-氯-3-甲酰基吲哚。
METLIN是一个重要的代谢物鉴定平台，包括具有片段相似性搜索功能的高分辨率MS/MS数据库。它极大地帮助了未知化合物的快速鉴定。生物制药研究中使用的其他计算机工具是化合物结构识别（CSI）：FingerID 和输入-输出内核回归（IOKR）。科学家们正在开发先进的基于分子网络的数据库，其中包含来自生物活性化合物的分类信息，以提高注释的可信度。
基于代谢组学的方法
色谱和光谱等分析工具的最新进展与计算方法相结合，使代谢组学能够在基于天然产物的药物发现中得到应用。
基于代谢组学的方法允许同时分析生物样品中的许多代谢物，从而提供有关粗提物中代谢物组成的准确信息。这使得未知化合物的快速解释和鉴定成为可能。 基于代谢组学的方法还可以检测细胞和生物体不同生理状态的代谢物组成之间的差异，生成详细的代谢物谱，以提供分子水平的表型表征。这些概况对于了解生物活性化合物的分子作用机制很重要。
生物制药过程中使用的分析工具
生物疗法的开发和制造过程离不开广泛的分析技术。这些方法对于生物治疗产品的持续评估是必要的，有助于识别和表征翻译后修饰（例如糖基化）、结构异质性、稳定性和构象等。通过此类评估，开发人员能够评估和调整生物制造中涉及的上游和下游生物工艺，并根据需要实施变更，以确保工艺效率和最终产品的纯度。
生物活性化合物可以使用各种方法分析，例如NMR光谱法和高分辨率质谱法（HRMS）。NMR分析可对产品进行定量和结构表征。但是它的灵敏度相对较低，因此通常用于分析主要成分。离子交换与亲和凝胶过滤色谱等多种色谱工具可用于纯化基于重组蛋白的生物制药产品。
生物制药中的质谱成像
质谱成像（MSI）用于确定生物体内生物活性化合物的空间分布。不同类型的MSI以用于药物发现研究，如基质辅助激光解吸/电离（MALDI、解吸电喷雾电离（DESI）、纳米粒子激光解吸/电离（nano-PALDI）和二次离子质谱（SIMS）。这些工具在空间分辨率和分子信息方面有所不同。与化合物分布相关的研究对于临床前安全性评估、临床研究和机理理解尤为重要。
Theodore Alexandrov是德国海德堡欧洲分子生物学实验室（EMBL）结构和计算生物学部门的团队负责人，他参与了用于空间和单细胞代谢组学等新领域的实验和计算工具的开发。他说：“在过去十年中，MSI已成为在组织切片中定位药物和药物代谢物的首选工具。”根据 Alexadrov的说法，这是因为MSI比FDA批准的原始药物定位方法—全身放射自显影 (WBAR) 更快、更敏感。
Alexandrov指出：“MSI 可以检测WBAR可能遗漏但具有生物活性的药物代谢物。”他进一步解释说，这种分析工具有助于加快生物治疗开发的临床前和临床阶段。
生物制药中的液相色谱
液相色谱（LC）是一种基于液体流动相的分离技术，在液体流动相中，样品中的分子和离子被溶解。含有溶解样品的液相通过填充有吸收性颗粒的色谱柱，称为固定相。分离基于每个组分对流动相的亲和力—亲和力会影响组分通过色谱柱的迁移速度。LC可与各种检测器相结合，例如荧光、紫外-可见 (UV-Vis) 和光散射检测器，用于在开发过程中对生物治疗药物进行表征。它可用于识别特定蛋白质并有助于确定其结构。离子交换色谱与紫外检测器结合可用于确定天然状态下的蛋白质-蛋白质相互作用。为了对粗提物中大量存在的异构体进行分离以及定性和定量分析，科学家们通常使用LC结合HRMS的方法。
在过去的十年中，高效液相色谱和质谱仪的结合已被证明是发现生物制品的一种宝贵的分析工具。这些技术用于识别活性化合物以及确定药物的纯度。此外，液相色谱与质谱联用 （LC-MS）在确定药物纯度方面表现出广泛的适用性。该技术通常用于蛋白质生物药物的表征，并应用于肽图分析。
LC-MS有助于提高分析的可信度，并最大限度地减少与数据解释相关的歧义。最近，科学家们通过规范实验程序、优化仪器参数和升级质谱仪，成功地提高了此类实验的数据质量。在蛋白质生物治疗中，将LC-MS与紫外线（UV）检测工具结合可提供紫外线指纹，该指纹可用于质量控制（QC）和研究药物释放。
提高生物制药生产的战略
传统上的生物治疗研究从“粗”提取物的生物筛选开始，最终分离出具有生物活性的有前景的化合物。由于这一过程既耗时又费力，研究人员现在已经采用了各种策略来克服这些缺点。
其中一种方法是创建与高通量筛选相协调的库。这一过程加速了为生物靶点（如病毒蛋白、酶等）寻找特定药物的过程。
生产过程的优化较复杂，即从粗提物中分离生物活性代谢物到纯化的过程。为了克服这种复杂性，科学家们将该过程微型化（例如，微型净化技术、微型生物反应器等）。这样他们就可以更仔细地观察整个过程，并进行必要的调整，以开发优化的生产方法。
生物制药分析的挑战和展望
一般来说，药物开发是一个极其复杂和昂贵的过程。根据塔夫茨药物开发研究中心的数据，一种药物的开发需要近12-15年的广泛研究，生产成本可能超过20亿美元。未来的目标之一是开发可缩短此时间范围和相关成本的方法。
然而，生物制药分析方面的挑战仍然存在。重组蛋白是通过基因工程细胞开发的，维持这些细胞的最佳生长条件对于获得高质量的产品很重要。此外，重组蛋白的工业规模生产非常昂贵。与生物制药相关的另一个挑战是生物分子在生产、储存和运输过程中受到多重压力时会发生变性和聚集。降解或聚集的蛋白质成分可能会失去功效，也可能变得有毒。蛋白质结构的这些变化可能非常小，可用的分析工具可能不够灵敏，无法检测到它们。因此，需要不断开发高精度的分析工具，以确保卓越的质量并降低生产成本。
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