分子の多様化が進む中での
クロマトグラフィープロセスのシミュレーション

モノクローナル抗体作製におけるメカニスティックモデルの活用

現在、バイオ医薬品市場の主流は依然として、モノクローナル抗体（mAb）です。mAb製剤間には構造的類似性があることから、プラットフォームプロセスが開発されました。プラットフォームプロセスとは、関連製品群の製造に適した製造プロセスで、迅速かつ費用対効果の高いプロセス開発を可能にします。多くの製品が同じプラットフォームプロセスを使用するため、プロセスに対する理解が迅速に得られます。1つの製品についてプロセス理解が得られれば、これを類似製品に使用できます。また、全く新しいプロセスを開発する際のリスクも軽減されます。

メカニスティックプロセスモデルは、あらゆるスケール規模に適用できるため、プロセス移管転作業をサポートできます。このモデルは、システムパラメーター（例えば、クロマトグラフィーカラムのサイズや充填品質）の関数として、プロセスの挙動を記述します。したがって、スケールの違いをメカニスティックモデルを用いて模倣し、この差異がプロセスの挙動にどのように影響するかを調べることができます。そうすることで、あるプロセスが既存の生産設備に適合するかどうかを早期に調査するために使用することもできます。この点は、柔軟な生産、多品種設備や、連続生産への円滑な移行を行う上で重要になります。

しかし、それぞれの分子には、凝集体や電荷変異体などの製品に関連する不純物や、宿主細胞タンパク質（HCP）やDNAなどの製造プロセスに由来する不純物が含まれます。したがって、プラットフォームプロセスは完全に固定されたものではありません。プラットフォームプロセスのパラメーターを個々の目的物質についてさらに最適化する必要があり、プロセス条件の堅牢性を検証する必要があります。このようなプロセスは実験を多用することから、プロセス開発には時間と費用がかかります。

さらに、近年、天然型mAbに代わる新しいモダリティが次々と開発されています。これらの新しいモダリティの多くは、従来のプラットフォームプロセスでは扱えないノンプラットフォーム分子であり、追加の開発労力を必要とします。

モノクローナル抗体のダウンストリームシミュレーション

プロテインA、イオン交換、ミックスモードおよび疎水性相互作用クロマトグラフィーなど、一般に使用されているmAbプラットフォームでダウンストリームプロセスをシミュレーションすることは大いに可能です。HCP、DNA、浸出プロテインAのシミュレーションのほか、目的物質サイズや電荷不均一性のシミュレーションでも、その精度を制限するものは各企業が使用する分析法のデータ品質のみです。

モノクロナール抗体の可視化

メカニスティックモデルを用いたバイスペシフィック抗体のプロセス理解

現在のバイオ医薬品市場は抗体プラットフォームが主流であり、多特異性抗体、特に二重特異性抗体（bsAb）が次世代抗体療法の重要な構成要素となっています。自然抗体とは対照的にbsAbは2つの異なる抗原を同時に標的とすることが可能であるため、より個別化された免疫原性標的化が可能になります。しかし、従来のモノクローナル抗体とは異なり、製品の品質に関して、より大きな課題があります。

mAbの精製はプラットフォームプロセスを用いて効率化できますが、bsAbのダウンストリームプロセスは必ずしも単純ではありません。このクラスの分子には本来、多様性があるため、bsAbごとに異なる精製ソリューションが必要となり、これがプラットフォームプロセスの開発を妨げています。

bsAbでは、プラットフォームプロセスとは別に、目的物質由来の不純物が天然型mAbの場合よりも大きな問題となります。目的物質の発現中に、目的とする重鎖のヘテロ二量体の形成のほかに、ホモ二量体のような複数の目的物質由来不純物が形成される可能性があります。この結果、目的の分子の収量が低下し、必要な製品品質を達成するための作業が増えます。

メカニスティックモデリングを利用することで、bsAbのプロセス開発における実験数を減らし、要求される製品品質を一貫して達成できる堅牢なプロセス条件を見出すのに役立ちます。天然型mAbについてモデル化された分子種に加えて、さまざまなホモ二量体、ヘテロ二量体およびその他の多量体を明確にモデル化できます。メカニスティックモデルによってもたらされるプロセス理解の向上は、bsAbs間の相乗効果の発見にも役立ち、この種の新しいモダリティのためのプラットフォームプロセスの開発につながる可能性があります。

バイスペシフィック抗体の可視化

抗体薬物複合体（ADC）のin silicoプロセス開発

ADCは、mAbの選択性という利点と低分子細胞毒性分子の強力な殺細胞活性を併せ持っています。ADCにより高い選択性、安全性、有効性が得られます。ADCの重要な特性の1つは薬物抗体比（DAR）、すなわちmAbに結合する薬物分子の平均数です。DARは薬物動態、有効性および安全性に影響を及ぼす重要な品質特性です

まず、DARは分子操作と抱合反応、すなわち薬物分子が疎水性リンカーを介してmAbを共有結合する反応の結果です。抱合の方法により、薬物負荷が異なる各成分の分布が広くなったり狭くなったりします。最終原薬のDAR分布をあらかじめ定義されたように狭いものとするためには、分子操作、抱合およびその後の精製の組み合わせが堅牢でなければなりません。

一般に、ダウンストリームプロセス（DSP）は好ましくないDARを有するADCおよび非抱合ペイロードを除去するために使用されます。ペイロードとリンカーの抱合体は疎水性であるため、多くの場合、疎水性相互作用クロマトグラフィー（HIC）が使用されます。このため、抱合後のDARの変動はDSPで修正できます。

しかし、この目標を達成するためには、ダウンストリームプロセスを十分に理解する必要があります。DSP開発において堅牢な操作条件を見出すことは困難であり、実験に多大な労力を要します。ADCを取り扱うことで作業員のリスクが高まることから、実際の実験をコンピューターシミュレーションに置き換えることで作業時の安全性を高めることができます。

ADCプロセスのメカニスティックモデルを確立することで、プロセス開発の効率化と最適化が促進され、プロセスの堅牢性が高まります。モデル化されたmAbの分子種に加えて、DARが異なるADC分子種や非抱合ペイロードも明確にモデル化できます。

抗体薬物複合体（ADC）の可視化

ペプチド、タンパク質および酵素のメカニスティックプロセスモデル

治療用のペプチド、タンパク質および酵素は、低分子のペプチドやホルモンから、補充療法に用いられるインスリン、エリスロポエチン、血液凝固因子や酵素などのタンパク質まで多岐にわたります。このようなクラスの分子の主な欠点は、抗体などと比較して分子の多様性が大きいことです。そのため創薬、設計、製造工程をケースバイケースで開発する必要があり、失敗するリスクが非常に高くなります。ダウンストリームプロセスにおける抗体工程との主な違いは、プラットフォームに関する知見の欠如、アフィニティーキャプチャーの不在、目的物質濃度が比較的低いこと、そして分子の不安定性が増大することなどです。

ダウンストリームプロセスにメカニスティックモデルを使用することで、これらの欠点の多くが補われ、抗体について構築されたモデルベースのプロセス開発ワークフローを適用できるようになります。もちろん、メカニスティックプロセスシミュレーションでは供給原料中のタンパク質の存在量が少ないことが考慮されており、このシミュレーションを制限するものは各企業の分析法のみです。

非アフィニティークロマトグラフィーの開発はDSP業務の中でおそらく最も複雑なものの1つです。また、この数十年間は抗体を中心に開発が行われてきたため、このクロマトグラフィーに関連するスキルが広く実践されてきませんでした。メカニスティックモデルを使用することで、非アフィニティープロセスをきわめて効率的に開発できるとともに、バイオリアクターで形成されるさまざまな原料を取り扱えるようにプロセスを最適化できます。もともとmAbのために開発されたろ過モデルは、これらのタンパク質のろ過プロセスの開発をサポートするためにも使用できます。

タンパク質の視覚化

in silicoモデルによるバイオシミラー開発の迅速化

特許が切れた後、小規模の製薬会社のジェネリック品が低価格で市場に参入することは、よく知られています。完全に同一な生体分子を他社が開発・製造することは不可能であるため、バイオ医薬品のジェネリック品はバイオシミラーまたはバイオベターと呼ばれます。バイオシミラーは既に承認されているバイオ医薬品ときわめて類似しており、純度、力価および安全性について先行バイオ医薬品との有意味な差は認められません。

バイオシミラーの開発には、先行品の製造工程の専有性や製品の類似性を実証する必要性など、多くの課題が伴います。バイオシミラーの目標は革新的な先行品よりも安価な代替品を提供することであるため、製薬会社にかかるコスト圧も高くなり、したがってバイオシミラーについては製造コストがさらに重要になります。バイオシミラーのプロセス開発は、通常、先行品と類似した製品品質特性を実現できるプロセス構成を選択する反復的作業です。

バイオ医薬品には一般に多数のプロセスパラメーターおよび原料特性の影響を受ける品質特性、たとえば電荷変異体や糖鎖付加変異体などが存在するため、ジェネリック品のプロセス開発は簡単ではなくなります。

バイオシミラーを実現するためには、分子および細胞株の操作とアップストリームのプロセスが重要です。目的物質由来の不純物および目的物質変異体のパターンがダウンストリームプロセスで調節できることはよく知られていますが、実験的に再現するには複雑すぎるという理由のみで、一般に軽視されています。

メカニスティックプロセスモデルを使用すると、このような高度なダウンストリームプロセスの開発も、他のプロセス開発（PD）作業と難易度は変わらなくなります。このモデルは製品品質特性、プロセスパラメーターおよび材料特性の関係を記述するため、バイオシミラーのプロセス開発を簡素化し、合理化することが可能です。このようなモデルは先行品の望ましい製品品質プロファイルを一貫して達成する工程条件を特定するために使用でき、複雑な実験研究は必要としません。

抗体バイオシミラーの可視化

ワクチンおよびウイルス様粒子のダウンストリームシミュレーション

ウイルス様粒子（VLP）は、感染性病原体に対する従来のワクチンの有効な補体です。さらに、VLPは最も有望な遺伝子治療およびCAR-T細胞治療において重要な要素です。カプシドタンパク質から構築されたVLPは、遺伝子治療や他の療法で送達ベクターとして機能できます。

VLPは治療薬としての可能性を秘めていますが、製造、特に製品の精製の面で技術的課題が残っています。VLPには宿主細胞由来の膜が存在するため抗原やアジュバントを組み込めますが、それと同時にこの膜の存在は、多くの望ましくないプロセス関連の汚染物質の存在により、ダウンストリームのプロセス開発にとって課題となります。それらは主に細胞残屑、宿主細胞タンパク質、DNA、脂質などの宿主細胞不純物に起因します。製造工程由来の不純物を安全に除去する精製プロセスの開発はきわめて複雑になることがあります。アプリケーションによっては、空VLPと全VLPの分離が下流処理の重要な要素となります。

メカニスティッククロマトグラフィーシミュレーションの基礎理論は、もともとタンパク質分離のために開発されたものですが、産業用VLPおよびワクチンの精製にも適用できることに成功しています。治療用のタンパク質および抗体の製品不均一性に関するモデリングワークフローと同様に、異なるVLP変異体を別個の種としてシミュレーションします。たとえば、被包性DNAはVLPの表面電荷を変化させるため、空VLP／全VLP分離が可能です。

また、他の生体分子と同じように、メカニスティックモデリングを使用することでプロセス開発における実験数を減らし、製品の純度と収率を最大化する頑健なプロセス条件を見出すことができます。

ウイルス様粒子の可視化

核酸のダウンストリームプロセスシミュレーション

DNAやRNAなどの核酸は、医薬品として使用される物質の中でも最も革新的な生体分子クラスです。患者の立場から見れば、核酸ベースの遺伝子治療に期待することは、一時的に健康状態を回復させることではなく、重篤な疾患を治癒させることです。産業的観点からは、核酸をベースとした治療法は速やかに設計・製造が可能であり、迅速なプロトタイピングなどの産業的コンセプトを実現できます。核酸合成はスケールダウンが容易であり、個別化治療が実現可能となります。

研究目的でのDNAやRNAを生産する技術が確立されてから、数十年が経過しましたが、産業規模での生産に関しては安全かつ効率的なプロセスの開発が現在も課題として残っています。核酸は患者のゲノムに組み込まれる可能性があり、有害な副作用が患者の生涯を通じて持続する可能性があるため、安全性対策（たとえば、均質で明確な製品を保証すること）はタンパク質製剤よりもさらに重要です。

クロマトグラフィーのメカニスティックシミュレーションの基礎理論は、もともとはタンパク質分離のために開発されたもので、核酸を微量の不純物としてシミュレーションするために使用されることが多いものの、プラスミドDNAまたはプラスミドRNAをバルク成分として考慮することも可能です。核酸の典型的なモデルアプリケーションは、異なるプラスミドの構成や配列の違いを分離することです。

核酸／DNAの可視化