疫苗技术发展趋势及项目建设探讨

作者:李树德 文章来源:Lohmann罗曼台湾生产厂 发布时间:2014-08-11

全球疫苗产业规模正在不断扩大,面对需求量的持续上升,细胞培养工艺已被广泛建议为一种可以代替传统胚胎蛋工艺的生产方式,使疫苗生产时程大为缩短。本文介绍了全球疫苗产业的现状和细胞培养工艺的优势,并结合具体案例,探讨了疫苗工程项目建设中需要考虑的关键要素。

人类繁衍生息的历史, 是人类不断同疾病和自然灾害斗争的历史。控制传染性疾病最主要的手段就是预防,而接种疫苗被认为是最行之有效的措施。疫苗是将病原微生物(如细菌、立克次氏体、病毒等)及其代谢产物,经过人工减毒、灭活或利用基因工程等方法制成的用于预防传染病的自动免疫制剂。

随着医学模式从以治疗疾病为主转向以预防疾病为主,接种疫苗成为最经济、有效、安全和方便的疾病预防方式,世界疫苗行业发展迅猛。根据WHO 的研究,疫苗的使用可以有效降低公共医疗保险的负担,平均在疫苗接种上每花费1美元,约可节省医疗费用达7~20美元,大力推广疫苗接种能够有效降低节节升高的医疗成本。

全球疫苗生产现状

在国家产业政策的支持下,我国疫苗行业取得了快速发展。国内疫苗企业在技术、设备、产品质量、生产工艺等方面与国外差距逐渐缩小,涌现出一批技术实力强、销售规模大的企业。在行业快速发展的背景下,我国疫苗行业的业务规模不断扩大,整体竞争力持续增强。

迄今,世界卫生组织(WHO)在全球认定的疫苗生产厂商有近20家。主要疫苗品种集中在英国葛兰素史克、美国默沙东和辉瑞、法国赛诺菲巴斯德、瑞士诺华五大疫苗产业巨头手中。上述五大疫苗公司2013年年报数据显示,疫苗销售额为226亿美元,比上一年增长1.45%;全球疫苗已达到350亿美元的市场规模。国外分析家预测:2016年全球疫苗市场,规模将超过520亿美元。

随着我国疫苗产业的快速发展以及新品开发,国内疫苗市场产品结构逐渐完善,中国疫苗监管体系顺利通过WHO认证。我国近年颁布了《预防接种工作规范》、《扩大国家免疫规划实施方案》和《卫生事业发展“十二五”规划》,从而推动了国内疫苗市场的良性快速发展。近两年,国内疫苗产业进一步调整,疫苗产品更新换代,至2014年4月,国家食品药品监督管理总局批准进口16个品种、27个商品名的疫苗;批准国产疫苗生产批文320张,约50多个品种。

国内疫苗生产企业主要是中国医学科学院医学生物学研究所、长春生物制品研究所、上海生物制品研究所、武汉生物制品研究所、成都生物制品研究所、兰州生物制品研究所等6家研究所,此外还有北京天坛生物制品股份、北京科兴生物制品、北京华尔盾生物技术等40家生物制药企业,年产能10多万亿剂。2008年,中国疫苗市场规模超过80亿元,2009年则达到90.20亿元,比上一年增长12.18%。到2012年,这一市场容量达到130亿元的规模,平均增长率为15%左右。我国是世界疫苗产品的最大生产国和最大使用国。

细胞培养生产技术

流感疫苗的全球需求量为120亿剂,这是全球疫苗制造商无法达到的目标。由于全球免疫抗原疫苗产能有限以及为对付变种病毒株(drifted strains) 的可能需要,疫苗接种策略专家咨询委员会(SAGE) 建议使用油—水相佐剂以及活性减毒流感疫苗,来增加疫苗的产能。以2009 年爆发的新型流感为例,美国本土药厂实际只能供应所需的20% (1.2亿剂),当时美国卫生部公布一个耗费10亿美金的疫苗采购计划,以确保有足够的疫苗让美国民众来施打。其他各国也相继采用类似的方法收购疫苗。由于2009~2010年北半球大部分季节流感疫苗的生产已近完成,当时全球各大药厂6个月中只能生产2.5亿剂疫苗,供应欧美国家为优先考虑;而且因为各国积极抢购疫苗,造成全球疫苗市场明显出现卖方市场之情势,价格亦明显扬升,隐然有疫苗战争(Vaccine War) 之态势。

WHO建议:高危险群接种率需达75%,以全世界高危险群人口12亿人论,总计需求量将达9亿剂,远超过目前所能供给的生产量,加上新型流感扩散的趋势,造成流感疫苗的需求量扩大,专家预估新型流感还会持续肆掠,如无有效的防疫政策,恐将造成大流行。所以预计整体疫苗的施打率,将会随着新型流感的威胁而逐年增加。

目前市面上销售的季节性流感疫苗(seasonal influenza vaccine) 可分为灭活的3价流感疫苗(inactivated trivalent influenza vaccines, TIV) 及活性减毒流感疫苗(live-attenuated influenza vaccine, LAIV) 两种。由于流感病毒的变异性极大,几乎每年均会发生变异,因此原施打之疫苗对于不同抗原型病毒不一定能具有免疫力,以致保护效果降低。即使病毒未发生变异且疫苗成份相同,其保护效果亦约只能维持1年,因此建议每年均需接种1次。早期疫苗生产方式都是利用鸡胚胎蛋方式培养病毒后再加以去活化或减毒制成。目前在流感疫苗生产技术方面,世界各国主要采用两种方式:胚胎蛋工艺与细胞培养工艺。

传统的流感疫苗是在鸡胚胎蛋中繁殖和培育的。然而由于鸡胚胎蛋的局限性:例如等待胚胎蛋生产和供应的时间过长,繁琐的操作;使病毒的培育以及疫苗的制作过程变得复杂。因此,另一种培育方式:在可连续传代的细胞系中繁殖流感病毒,从而制作流感疫苗,已经被建议作为一种可以代替传统工艺的方式。相比于鸡胚胎蛋,细胞培养更易于操作,并且细胞培养的工艺条件可以被优化,从而提高病毒的产量和产品的质量。

犬肾传代细胞(MDCK,Madin-Darby canine kidney cells)和非洲绿猴肾细胞(Vero细胞)是当前主要用于流感病毒复制的细胞系列。然而,这两种细胞株生长的局限性和依赖性使病毒的生产过程复过于复杂。在生产病毒的过程中,细胞对于微载体的附属和分离要在不同的步骤之间转换。而相对于细胞自身来讲,这两种细胞在繁殖的过程中都需要在培养基中额外添加血清。血清具有成本高,生产批量存在差异的缺点,并且血清极易被外界因素污染。以上种种都为成功生产病毒从而制作疫苗带来不可预知的风险。此外,众所周知,血清有抑制胰蛋白酶的作用。而胰蛋白酶却是病毒有效复制的关键因素之一,因此在病毒感染细胞前加入血清会在一定程度上影响病毒的复制和繁殖。为了有效解决这个问题,采用培养适应无血清培养基、并且能够在悬浮状态中繁殖的细胞。使用特殊的培养基,得到可以在无血清培养基的悬浮介质中有效增长的MDCK细胞。虽然Vero细胞也可以适应无血清培养基,但是Vero细胞无法在悬浮介质中增长。

细胞培养的流感疫苗在经济效益上比鸡胚胎卵生产的疫苗更有竞争力。因此基于细胞培养的流感病毒在降低成本上体现出来了更多的优势。用细胞培养流感病毒可以方便的提升每升培养基中病毒的产量。为了优化病毒产量,可以进行疫苗病毒工程和基底细胞工程。

鉴于禽流感一旦造成大流行,可能侵袭鸡只,将减少鸡胚胎蛋来源,国外疫苗厂纷纷寻找替代基质生产流感疫苗,细胞培养生产流感疫苗之技术已成为最佳替代方案。再者,近年来大多数病毒检体都利用细胞培养法直接培养病毒,一旦成功分离出大流行的病毒株,即可开始生产疫苗,毋需先让病毒株适应在鸡胚胎蛋的生长环境中,这是跟传统鸡胚胎蛋疫苗生产技术不同的地方。细胞培养的材料成本虽较贵但效率高,这种生产方式能够将疫苗生产时程大为缩短,这也是国际疫苗厂争相投入经费在这项技术的原因。细胞培养生产技术是利用大型生物反应器来达到大量产制病毒抗原为目的,一般而言是以哺乳动物细胞MDCK (Madin-Darby Canine Kidney)、Vero (African green monkey kidney epithelial cells) 细胞为宿主,让病毒在感染细胞内繁殖后,病毒自细胞内释出后收取病毒,经下游制程纯化后,再加以不活化处理,最后制成疫苗。除此之外,近年来,细胞培养制造技术也开始有一些转变,为了加快生产时间及减少生产过程的确效步骤,生产所使用的生物反应器渐渐由一次性 (single-use) 塑料容器或袋体取代传统不锈钢槽体。至于培养基部分也渐渐采用无血清培养基取代风险性较高的含血清培养基。生产用的细胞株也以高病毒力价(titer) 的MDCK 细胞较受瞩目。目前有3家疫苗制造商苏威(Solvay)、百特(Baxter)及诺华(Novartis) 都以细胞培养法取得欧盟洲药物评审委员会(European Medicines Evaluation Agency) 的上市许可。

新建项目需要考虑的要素

对于新建的生物疫苗工程项目,公司要在现有主营业务的基础上,结合国家产业政策和行业发展特点,充分考虑国外产品的发展方向,以先进的技术为依托实施投资计划,实现业务的进一步拓展。建设项目要对疫苗生产的原料及产品、生产工艺、环保措施、节能节水技术、资金筹措及财务分析、经济效益分析等方面,需要通盘考虑:

市场预测;

产品方案及生产规模;

工艺技术方案;

原料供应;

建厂条件和厂址方案;

公用工程和辅助设施方案;

节能;

环境保护;

劳动保护与安全卫生;

工厂组织和劳动定员;

项目实施规划;

投资估算和资金筹措;

财务、经济评价及社会效益评价。

项目工程建设包括:办公楼、实验楼、疫苗生产车间A、疫苗生产车间B(预留)、灌装配制车间、疫苗生产车间/动物房、库房(包括试剂库)、 成品库、动力站(包括:变电所、制水站、冷冻站、消防泵房等)、 锅炉房、消防水池、门房。

灭活疫苗的主要工艺流程简述:细胞培养 > 接种毒种 > 病毒繁殖 > 病毒收获 > 浓缩 > 提纯 > 中间检验 > 灭活 > 灭活检验 > 加油佐剂混合乳化 > 分装 > 轧盖 > 贴签 > 成品检验。

案例分享

本项目是针对美国大流行性流感疫苗供应状况的预测。目前,季节性流感疫苗在全球的生产能力为每年7.5亿剂的3价疫苗。制造商们正在考虑通过采用一系列策略来提升全球的疫苗生产能力,其中包括:开发所需抗原含量较低的佐剂疫苗;改变接种途径,例如小剂量皮下接种;增加季节性流感疫苗的使用,从而提高疫苗生产能力。如果在工业化国家中早已使用的季节性流感疫苗在50岁以上人群和容易出现并发症的高危人群中的接种率能提高到75%,则疫苗生产能力可望提高60%。如欲进一步提高疫苗生产能力,则需在大流行间期实施流感疫苗接种政策,并且相应地扩大季节性流感疫苗的需求量和提高生产能力(包括采用细胞培养技术进行生产)。本项目采用细胞培养技术进行疫苗的生产,在美国建设,总投资规模为10.35亿美元。项目建设内容、规模、目标:新建疫苗车间,包括疫苗生产车间、中试车间、成品库房、动力站、污水处理间、质检室、质检动物房,合计新建建筑面积44000m2。建成后,年产疫苗1.5亿剂。项目建成后,在生产工艺和生产设施上,处于国际先进水平。

重要的项目配置和要求

疫苗车间:

冻干系统:冻干机;

分装系统: 洗烘分灌装线;

贴签/包装: 贴签机;

空调系统: 空调制冷系统;

监控系统: 关键工作点的监控系统质检、研发室:设置负压无菌室。动物房:满足生物安全要求。

本项目设备按照美国cGMP规范要求进行选型,其机型处于目前国际领先水平,并安全适用,项目共需购买各类设备合计7.2亿美元。

公司占地面积676000m2,建筑面积44000m2,生产厂房面积35000m2,净化面积12000m2,拥有3个疫苗车间,其他数据如下:

钢铁6000t;

管道32km;

风管750t;

工艺监控点数8000;

测试方案165 FAT protocols;

验证方案650 qualification protocols;

施工厂家超过100家。

资源综合利用、节能措施

制冷设备的使用:不使用含CFC(氟利昂)的制冷剂,减少HCFC(绿色制冷剂)制冷工质的使用比例,从而减少臭氧层破坏和温室效应来保护环境。

选择高效、节能设备。

压缩空气站采用有隔音罩、隔振垫、噪音低的设备。

对站房进行吸声处理。

纯蒸汽站凝结水通过凝结水回收器送至锅炉房凝结水箱,既利用了余热、又减少了锅炉给水的补水量。

锅炉排污进行集中处理达到排放标准后排放。

环境治理措施

一般生产废水:一般生产废水来自厂区生产器具和设备洗涤,用管道收集后,再排到厂区污水处理站进一步处理,处理达标后排入污水管网。

生活废水:生活废水来自卫生间、淋浴间,用管道收集后排入厂区污水处理站进一步处理。处理达标后,排入厂外的污水管网。

活毒废水:活毒废水来自疫苗生产单元活毒区的设备清洗排水、高压灭菌器排水及淋浴排水等。排水中可能含有活的病毒或细菌,采用专用管道收集,排至地下活毒废水收集罐,再送入灭活罐,用蒸汽加热至100℃,保持0.5h,冷却后排入厂区室外污水管网,再排到厂区污水处理站进一步处理,处理达标后排入厂外的污水管网。

雨水:雨水排水系统采用有组织雨水收集系统。建筑物及道路雨水经收集后,由雨水管排至厂区雨水管网,再排至厂外的雨水管网。

固体废弃物:原料、包装材料的废弃包装物、碎玻璃瓶等。固体废弃物经过处理后,不会对环境造成不利影响。

本工程建筑至市政道路及其他建筑均保留足够距离,并在其间种植乔灌木有效地降低噪音和尘土对建筑内部功能的影响。建筑和道路之间的绿化带以草坪为主,在建筑的主入口处适当进行处理,种植具有观赏价值的乔灌木,周边选择本地树种,种植不飞絮的防护行道树,形成完整的绿化空间。

项目技术方案

主要涉及到产品标准、生产方法、技术参数和工艺流程、主要工艺设备选择、主要原材料、燃料、动力消耗指标、主要生产车间布置方案。

总平面布置和运输需要考虑到总平面布置原则、厂内外运输方案、仓储方案和分析占地面积。

在土建工程项目中,关键是建、构筑物的建筑特征与结构设计,需要考虑到特殊基础工程的设计、建筑材料,对土建工程进行造价估算。

此外,给排水工程、动力及公用工程和地震设防也是需要方案中需要涉及的内容。

项目环境保护

在医药项目建设中,必须贯彻执行国家有关环境保护、能源节约和职业安全卫生方面的法规、法律,对医药项目可能对环境造成的近期和远期影响,都要在可行性研究阶段进行分析,提出防治措施,并对其进行评价,推荐技术可行、经济,且布局合理,对环境的有害影响较小的最佳方案。

对建设地区的环境现状,需要考虑到以下因素:

项目的地理位置;

地形、地貌、土壤、地质、水文、气象;

矿藏、森林、草原、水产和野生动物、植物、农作物;

自然保护区、风景游览区、名胜古迹、以及重要政治文化设施;

现有工矿企业分布情况;

生活居住区分布情况和人口密度、健康状况、地方病等情况;

大气、地下水、地面水的环境质量状况;

交通运输情况;

其他社会经济活动污染、破坏现状资料环保、消防、职业安全卫生和节能;

对项目可以造成的环境污染,需要了解项目对周围地区的地质、水文、气象、周边自然资源可能产生的影响,出具各种污染物最终排放的治理措施和综合利用方案。

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