耿潔,張磊,王斌,韓忠朝
近年來(lái)隨著干細(xì)胞研究的快速發(fā)展,干細(xì)胞逐漸在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。為適應(yīng)臨床使用的需要,各種干細(xì)胞制品制劑諸如新鮮制劑、凍存制劑、凝膠劑、組織工程細(xì)胞裝置相繼被開(kāi)發(fā)。美國(guó)、加拿大、韓國(guó)的一些干細(xì)胞藥物相繼完成臨床前研究進(jìn)入臨床試驗(yàn)階段,這些都標(biāo)志著干細(xì)胞從實(shí)驗(yàn)室技術(shù)向著藥物的方向發(fā)展。干細(xì)胞向藥物轉(zhuǎn)化過(guò)程中的藥學(xué)研究是藥物安全性和有效性的基礎(chǔ),參照藥物研發(fā)技術(shù)規(guī)范進(jìn)行干細(xì)胞藥物制劑穩(wěn)定性的研究是非常重要的一部分[1]。
藥物穩(wěn)定性是指藥物在生產(chǎn)制備后,經(jīng)過(guò)運(yùn)輸、儲(chǔ)藏、周轉(zhuǎn)直至臨床應(yīng)用前一系列過(guò)程中質(zhì)量變化的程度。穩(wěn)定性研究的目的在于查明一種藥品是怎樣作為時(shí)間函數(shù)和在各種不同環(huán)境因素影響下的不同表現(xiàn),為藥品輔料的篩選,生產(chǎn)工藝、生產(chǎn)條件、包裝材料的選擇和有效期的確定提供必不可少的科學(xué)依據(jù)。干細(xì)胞凍存制劑,是將一定濃度的干細(xì)胞懸液與細(xì)胞凍存保護(hù)液按比例混合配制,分裝于適宜冷凍的內(nèi)包裝材料中,放于液氮中保存的制劑。作為一種不同于傳統(tǒng)藥物制劑的全新藥物制劑形式,具有非常強(qiáng)的特殊性,更需要通過(guò)全面的穩(wěn)定性研究來(lái)指導(dǎo)制劑的開(kāi)發(fā)、制備、儲(chǔ)存、運(yùn)輸、使用等[2]。
我們開(kāi)發(fā)的新藥“注射用間充質(zhì)干細(xì)胞(臍帶)”已完成了臨床前研究,進(jìn)入臨床試驗(yàn)審批階段。在藥學(xué)研究過(guò)程中,我們開(kāi)發(fā)建立了一整套適用于間充質(zhì)干細(xì)胞凍存制劑的質(zhì)量檢測(cè)方法及標(biāo)準(zhǔn)。
本研究的目的是考察干細(xì)胞制劑在液氮凍存條件下物理、化學(xué)、生物學(xué)功能、微生物學(xué)等性質(zhì)隨時(shí)間變化的規(guī)律,為干細(xì)胞藥品的生產(chǎn)、包裝、貯存、運(yùn)輸條件和有效期的確定提供科學(xué)依據(jù),以保障臨床用藥安全有效[3]。與傳統(tǒng)藥物制劑相比,干細(xì)胞藥品有一個(gè)突出特點(diǎn)即制劑的有效成分是活細(xì)胞。因此在穩(wěn)定性考察的過(guò)程中將重點(diǎn)考察保存環(huán)境對(duì)活細(xì)胞的生物學(xué)活性的影響,為保證制劑中活細(xì)胞的生物學(xué)活性長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定,制劑的保存溫度被設(shè)定在–196 ℃。這一保存溫度也是首次應(yīng)用于藥物制劑開(kāi)發(fā)中。
1.1.1 細(xì)胞與培養(yǎng)基、試劑 細(xì)胞制劑由本公司制備,含有 2×107個(gè)/袋的細(xì)胞懸液(含凍存保護(hù)劑)經(jīng)超低溫凍存制備得到的;胎牛血清購(gòu)自蘭州民海生物工程有限公司;DF12 培養(yǎng)基購(gòu)自美國(guó) Gibco公司;Human TNFRI Immuno Assay Kit 購(gòu)自R & D公司;定量檢測(cè)牛血清白蛋白(BSA)酶聯(lián)免疫試劑盒購(gòu)自無(wú)錫博生醫(yī)用生物技術(shù)開(kāi)發(fā)有限公司。
1.1.2 儀器 FACS Calibur 型流式細(xì)胞儀購(gòu)自美國(guó) BD公司;SevenEasy 型 pH 計(jì)購(gòu)自梅特勒-托利多公司;Model 680 酶標(biāo)儀購(gòu)自美國(guó) Bio-Rad公司。
選擇研發(fā)過(guò)程中中試規(guī)模制備的3 批制劑,定期取樣進(jìn)行物理、化學(xué)、生物學(xué)功能、微生物學(xué)、外源添加物殘留量分析,以考察其穩(wěn)定性變化趨勢(shì)。
1.2.1 外觀 在燈檢箱中采用目檢法進(jìn)行外觀檢查。雙手持袋,輕輕旋轉(zhuǎn)或翻轉(zhuǎn)容器,注意不使液體產(chǎn)生氣泡。判定標(biāo)準(zhǔn)為均勻白色或略帶黃色半透明細(xì)胞混懸液,不應(yīng)有搖不散的絮狀物,無(wú)異物。
1.2.2 pH 值 將待檢樣品復(fù)蘇后取出,平衡至室溫后按《中華人民共和國(guó)藥典》2010年版第三部附錄 VA 進(jìn)行,判定標(biāo)準(zhǔn)為6.5~8.0。
1.2.3 細(xì)胞活率 使用 37~40 ℃ 溫水迅速?gòu)?fù)蘇融化待檢制劑,采用臺(tái)盼藍(lán)拒染法進(jìn)行細(xì)胞存活率測(cè)定。判定標(biāo)準(zhǔn)為不低于80%。
1.2.4 細(xì)胞表型純度 將制劑中復(fù)蘇得到的細(xì)胞接種至T-75培養(yǎng)瓶中,并使用含有 10% 胎牛血清的DF12 進(jìn)行培養(yǎng),待細(xì)胞生長(zhǎng)至 90% 融合后,消化獲取細(xì)胞懸液,使用熒光抗體對(duì)細(xì)胞進(jìn)行表面標(biāo)記,而后采用流式細(xì)胞儀測(cè)定細(xì)胞表型。判定標(biāo)準(zhǔn)為CD73、CD90和CD105 陽(yáng)性率不低于95%;CD45、CD34、CD14/CD11b、CD79α/CD19和HLA-DR 陽(yáng)性率不高于2%[4]。
1.2.5 生物學(xué)效力 將制劑中復(fù)蘇得到的細(xì)胞接種至T75培養(yǎng)瓶中,并使用含有 10% 胎牛血清的DF12 進(jìn)行培養(yǎng),待細(xì)胞生長(zhǎng)至 90% 融合后,消化獲取細(xì)胞懸液,計(jì)數(shù)細(xì)胞總數(shù),500×g 離心 10 min,棄上清獲取細(xì)胞,加入 RIPA 裂解液,制備得到濃度為1×107個(gè)/ml的細(xì)胞裂解液。而后使用 TNFRI ELISA Kit 對(duì)裂解物中 TNFRI進(jìn)行檢測(cè)。該方法采用 ELISA 法檢查細(xì)胞中 TNFRI 表達(dá)水平,判定標(biāo)準(zhǔn)為間充質(zhì)干細(xì)胞生物學(xué)效力應(yīng)不小于13 pg/百萬(wàn)細(xì)胞。
1.2.6 內(nèi)毒素 按《中華人民共和國(guó)藥典》2010年版第三部附錄 XIIE 進(jìn)行,判定標(biāo)準(zhǔn)為細(xì)菌內(nèi)毒素的含量應(yīng)不高于2 EU/ml。
1.2.7 無(wú)菌 按《中華人民共和國(guó)藥典》2010年版第三部附錄 XIIA 進(jìn)行,結(jié)果應(yīng)為陰性。
1.2.8 牛血清殘留量 將細(xì)胞制劑復(fù)蘇后取樣,使用“定量檢測(cè)牛血清白蛋白(BSA)酶聯(lián)免疫試劑盒”,對(duì)細(xì)胞懸液的牛血清殘留量進(jìn)行檢測(cè)。每次檢測(cè)同時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)有效性確認(rèn)。判定標(biāo)準(zhǔn)為每個(gè)制劑牛血清殘留量不高于50 ng。
結(jié)果表明,樣品在12、24、36個(gè)月的時(shí)間內(nèi)制劑外觀始終保持穩(wěn)定,未出現(xiàn)結(jié)團(tuán)、絮狀物等現(xiàn)象。
結(jié)果(表1)表明,樣品的pH 值在12、24、36個(gè)月時(shí)間內(nèi),保持穩(wěn)定。
表1 pH的穩(wěn)定性
使用配對(duì) t 檢驗(yàn)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析,分析保存時(shí)間對(duì)細(xì)胞活率所產(chǎn)生的影響是否具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。結(jié)果(圖 1)顯示各個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)與0 月相比,均 P >0.05。表明截至 36個(gè)月,在超低溫環(huán)境下的長(zhǎng)期保存對(duì)制劑的細(xì)胞活率產(chǎn)生的影響均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。
圖1 細(xì)胞活率變化趨勢(shì)
圖2 流式細(xì)胞檢測(cè)結(jié)果(A:R200910C001,0個(gè)月數(shù)據(jù);B:R200910C001,36個(gè)月數(shù)據(jù))
結(jié)果(圖 2)表明,同一批次細(xì)胞經(jīng)過(guò) 36個(gè)月凍存,復(fù)蘇后其特征表型未發(fā)生變化。
樣品在12、24、36個(gè)月的時(shí)間內(nèi)制劑的生物學(xué)效力檢測(cè)結(jié)果均在檢測(cè)限度內(nèi)。
樣品在12、24、36個(gè)月的時(shí)間內(nèi)制劑的內(nèi)毒素情況始終保持穩(wěn)定,各時(shí)間樣品均小于2 EU/ml,在限度檢測(cè)中未出現(xiàn)結(jié)果的變化。
樣品在12、24、36個(gè)月的時(shí)間內(nèi)制劑的無(wú)菌檢查結(jié)果始終保持穩(wěn)定。
在36個(gè)月時(shí)間內(nèi),制劑中牛血清殘留量均不大于50 ng/劑量,保持穩(wěn)定,如表 2 所示。
表2 牛血清殘留量(ng/劑量)
本研究所檢測(cè)的樣品為具有生物學(xué)活性的干細(xì)胞,干細(xì)胞發(fā)揮疾病治療功效依賴于具有生物學(xué)活性的活細(xì)胞。在臨床應(yīng)用過(guò)程中,常規(guī)條件保存新鮮制備的細(xì)胞制劑有效期短,無(wú)法長(zhǎng)時(shí)間保存,即使是在4 ℃ 環(huán)境下儲(chǔ)運(yùn)的干細(xì)胞制劑也無(wú)法長(zhǎng)時(shí)間保持細(xì)胞活率的穩(wěn)定。細(xì)胞活率在制備后幾十個(gè)小時(shí)內(nèi)會(huì)隨著儲(chǔ)存時(shí)間的延長(zhǎng)而顯著下降,導(dǎo)致制劑中活細(xì)胞的不斷減少,而細(xì)胞的死亡就意味著治療功效的喪失。這一問(wèn)題嚴(yán)重制約了干細(xì)胞的臨床應(yīng)用。一種無(wú)法長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定保存的制劑是無(wú)法實(shí)現(xiàn)大規(guī)模標(biāo)準(zhǔn)化制備,往往在應(yīng)用時(shí)無(wú)法準(zhǔn)確獲得檢測(cè)結(jié)果,這將極大地降低其質(zhì)量的可控性,進(jìn)而增加安全性風(fēng)險(xiǎn)。細(xì)胞的超低溫凍存技術(shù)是一項(xiàng)已被醫(yī)學(xué)生物學(xué)研究領(lǐng)域應(yīng)用多年且成熟的細(xì)胞保存技術(shù)。如今隨著干細(xì)胞引領(lǐng)的再生醫(yī)學(xué)的發(fā)展,這項(xiàng)技術(shù)將被應(yīng)用于干細(xì)胞藥物的開(kāi)發(fā)中。
要使干細(xì)胞制劑得以長(zhǎng)時(shí)間保存,必須提供一個(gè)穩(wěn)定的適宜的溫度環(huán)境。冷凍保存溫度的選擇成為了關(guān)鍵。冷凍保存溫度指能長(zhǎng)期保存細(xì)胞的超低溫度,在此溫度下,細(xì)胞生化反應(yīng)極其緩慢甚至停止,但經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期保存,在復(fù)蘇后仍能保持正常的結(jié)構(gòu)和功能。不同的細(xì)胞和生物體以及使用不同的冷凍保存方法要取得同樣的冷凍保存效果,冷凍保存溫度可以不同。但從實(shí)際和效益的觀點(diǎn)出發(fā),液氮溫度(–196 ℃)是目前最佳的冷凍保存溫度。在–196 ℃ 時(shí),細(xì)胞的生命活動(dòng)幾乎完全停止,但復(fù)蘇后細(xì)胞的結(jié)構(gòu)和功能完好。如果冷凍過(guò)程得當(dāng),一般生物樣品在–196 ℃ 下均可保存十年以上。干細(xì)胞凍存制劑是儲(chǔ)存在超低溫環(huán)境下的特殊生物制劑。液氮提供的–196 ℃的超低溫環(huán)境對(duì)于干細(xì)胞凍存制劑的儲(chǔ)存是十分關(guān)鍵而且必需的。只有在超低溫環(huán)境下細(xì)胞才能被有活性的長(zhǎng)期保存,并可以通過(guò)適宜的方法復(fù)蘇得到完整的活細(xì)胞并用于治療。
在檢測(cè)數(shù)據(jù)中 pH 值和外觀這兩項(xiàng)理化指標(biāo)在為期36個(gè)月的觀察中沒(méi)有出現(xiàn)異常。外觀并沒(méi)有隨著儲(chǔ)存時(shí)間的延長(zhǎng)出現(xiàn)變化也沒(méi)有表現(xiàn)出某種變化的趨勢(shì)。由此證明在36個(gè)月的儲(chǔ)存過(guò)程中,現(xiàn)有的保存條件下保持制劑外觀具有很好的穩(wěn)定性。pH 作為一個(gè)可以量化的指標(biāo),通過(guò)統(tǒng)計(jì)學(xué)分析表明制劑的pH 值未出現(xiàn)隨時(shí)間而變化的趨勢(shì)。從檢測(cè)數(shù)據(jù)本身來(lái)看,同一批號(hào)制劑前后多次檢驗(yàn)時(shí) pH 值表現(xiàn)出的差異為檢測(cè)隨機(jī)誤差造成,這種差異無(wú)明顯趨勢(shì)。
間充質(zhì)干細(xì)胞表面表達(dá)多種特征分子,這些分子可以作為干細(xì)胞的特征,通過(guò)基于熒光抗體檢測(cè)技術(shù)的流式細(xì)胞術(shù)進(jìn)行定量測(cè)定以獲取細(xì)胞純度的數(shù)據(jù)。但目前尚無(wú)一種特異性細(xì)胞表面分子可以單獨(dú)用于干細(xì)胞的鑒定及純度的測(cè)定,因此目前世界公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)為使用 8 種細(xì)胞表面分子組合用于干細(xì)胞的純度測(cè)定,純化后的間充質(zhì)干細(xì)胞應(yīng)同時(shí)滿足8個(gè)表面分子的純度指標(biāo):CD73、CD90和CD105 陽(yáng)性率不低于95%;CD45、CD34、CD14/CD11b、CD79α/CD19和HLA-DR 陽(yáng)性率不高于2%。本文選取 CD73、CD45和HLA-DR的結(jié)果。
微生物學(xué)指標(biāo)為無(wú)菌檢查和細(xì)菌內(nèi)毒素檢查。通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)每一批次制劑的無(wú)菌、內(nèi)毒素檢測(cè)結(jié)果在跨越 36個(gè)月的4 次檢測(cè)中結(jié)果前后一致??梢?jiàn)制劑的無(wú)菌、內(nèi)毒素在此次穩(wěn)定性考查期間其限度檢測(cè)結(jié)果是穩(wěn)定的,同時(shí)表明內(nèi)包裝材料在–196 ℃ 環(huán)境下,能夠保持足夠的機(jī)械強(qiáng)度和密閉性。
首先是細(xì)胞活率,需要指出的是作為目前生物學(xué)研究領(lǐng)域內(nèi)公認(rèn)的細(xì)胞活率檢測(cè)方法——臺(tái)盼藍(lán)拒染法是有一定的檢測(cè)誤差的。在《生物制品質(zhì)量控制分析方法驗(yàn)證技術(shù)評(píng)審一般原則》[5]中指出,生物學(xué)檢測(cè)方法的標(biāo)準(zhǔn)差通常在±20% 之間,臺(tái)盼藍(lán)拒染法也存在同樣的特點(diǎn),這一點(diǎn)和很多物理化學(xué)檢測(cè)方法有很大的不同,因此可以看到同一批制劑基于臺(tái)盼藍(lán)拒染法檢測(cè)得到的細(xì)胞活率數(shù)據(jù)前后有一些變化,這種變化是由于方法學(xué)本身特點(diǎn)造成的,因此我們?cè)诒敬窝芯恐羞x用了初始細(xì)胞活率不同的3 批樣品進(jìn)行研究,以求通過(guò)增加樣本量獲取更為準(zhǔn)確的檢測(cè)結(jié)論。通過(guò)統(tǒng)計(jì)學(xué)方法對(duì)細(xì)胞活率數(shù)據(jù)的分析,可以得出如下結(jié)論:在時(shí)間跨度 36個(gè)月的檢測(cè)中,3 批制劑總體上未表現(xiàn)出細(xì)胞活率隨著時(shí)間而降低的趨勢(shì),也就是說(shuō)制劑超低溫保存過(guò)程中的細(xì)胞活率是穩(wěn)定的。
其次是細(xì)胞純度。臍帶間充質(zhì)干細(xì)胞是一種從臍帶組織中通過(guò)分離并在體外培養(yǎng)過(guò)程中純化得到的干細(xì)胞。但在純化的過(guò)程中依靠現(xiàn)有的技術(shù)方法尚無(wú)法完全清除非干細(xì)胞的其他細(xì)胞,因此制劑中干細(xì)胞純度檢測(cè)也成為了衡量制劑生物學(xué)活性的重要指標(biāo)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),在經(jīng)過(guò)了 36個(gè)月的儲(chǔ)存后,全部 3 批制劑中的干細(xì)胞純度仍然是合格的。
本研究中的生物學(xué)效力是根據(jù)臨床適應(yīng)證的需要而進(jìn)行的。由于干細(xì)胞的多向分化能力,在臨床應(yīng)用時(shí)表現(xiàn)出針對(duì)不同的適應(yīng)證的療效。本研究通過(guò)檢測(cè)腫瘤壞死因子受體 1(TNFRI)來(lái)評(píng)估其免疫調(diào)節(jié)的作用。同樣的,根據(jù)其他適應(yīng)證例如促進(jìn)血管新生、支持造血、促進(jìn)皮膚修復(fù)等功能,應(yīng)更新生物學(xué)效力的檢測(cè)方法。
大量的研究已經(jīng)證明 MSC 具有免疫抑制活性,MSC可以遷移至損傷或炎癥部位,抑制 T 淋巴細(xì)胞的活性,同時(shí)抑制炎癥預(yù)激因子(如 TNF-α、IFN-γ),發(fā)揮組織修復(fù)作用[6]。
依據(jù) MSC的免疫抑制作用,我們進(jìn)行了淋巴細(xì)胞增殖抑制試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)共培養(yǎng)體系中 MSC的數(shù)量與所產(chǎn)生的T 細(xì)胞增殖抑制作用之間存在明確的量效關(guān)系[7]。但是該檢測(cè)方法存在著操作環(huán)節(jié)多、具有放射性污染、技術(shù)難度大、實(shí)驗(yàn)周期長(zhǎng)、外周血細(xì)胞和MSC 消耗量大、所用新鮮人外周血批次差異大等缺點(diǎn),造成檢測(cè)結(jié)果不穩(wěn)定,重復(fù)性差,無(wú)法有效測(cè)定 MSC的生物學(xué)效力。由于MSC 表達(dá)的腫瘤壞死因子受體 1(TNFRI)可接受 TNF-α的刺激信號(hào)進(jìn)而誘導(dǎo) MSC 分泌 PGE2等免疫抑制因子,最終抑制 T 細(xì)胞增殖[8],用 ELISA 法檢測(cè) MSC的TNFRI 表達(dá)水平理論上可以間接地代表 MSC的免疫抑制效果。經(jīng)驗(yàn)證,ELISA 法檢測(cè)干細(xì)胞表面 TNFRI 表達(dá)量與間充質(zhì)干細(xì)胞免疫調(diào)節(jié)的能力強(qiáng)弱具有一定的相關(guān)性,作為MSC 生物學(xué)效力測(cè)定方法,其線性、范圍、精密度、準(zhǔn)確度、專屬性、耐用性均滿足接受標(biāo)準(zhǔn)。
牛血清是間充質(zhì)干細(xì)胞培養(yǎng)過(guò)程中培養(yǎng)基的添加物質(zhì),在研究中堅(jiān)持少加甚至不加的原則,但是目前階段本研究采用逐步減量的工藝。雖然在傳代的后期不使用牛血清,但是傳代前期使用的血清不可避免地殘留在制備細(xì)胞懸液中,因此在制備細(xì)胞制劑時(shí),要嚴(yán)格控制牛血清的殘留量。
添加物質(zhì)的殘留量分析是考察制劑穩(wěn)定性的關(guān)鍵指標(biāo),隨著保存時(shí)間的延長(zhǎng),添加物質(zhì)應(yīng)保持一定的水平。本研究中,經(jīng)過(guò) 36個(gè)月的保存,牛血清的殘留量仍然控制在一定范圍內(nèi),較為穩(wěn)定。
綜上所述,我們所制備并用于本研究的間充質(zhì)干細(xì)胞凍存制劑在–196 ℃的儲(chǔ)存環(huán)境下,包括理化、微生物學(xué)、生物學(xué)活性、添加物質(zhì)殘留量的各項(xiàng)檢測(cè)指標(biāo)均保持穩(wěn)定,未出現(xiàn)明顯異常,也未表現(xiàn)出顯著的變化趨勢(shì),可見(jiàn)此干細(xì)胞凍存制劑在超低溫環(huán)境下可以獲得非常穩(wěn)定的保存而不出現(xiàn)任何影響到制劑質(zhì)量的明顯變化。這為干細(xì)胞凍存制劑有效期的制訂提供了重要的依據(jù),也提示我們此項(xiàng)穩(wěn)定性研究可以繼續(xù)進(jìn)行并積累更多的數(shù)據(jù),以證明此制劑在超低溫環(huán)境下可以獲得更長(zhǎng)的保存期。
目前已完成制劑保存 36個(gè)月的研究,更長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定性研究后續(xù)正在進(jìn)行。
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