灭菌级膜/预过滤器的特性分析及其在mRNA-LNP工艺开发中的应用

《Biotechnology and Bioengineering》：Characterization of Sterilizing-Grade Membranes/Prefilters and Application to mRNA-LNP Process Development

脂质纳米颗粒（LNP）过滤中灭菌膜孔径分布与预过滤层设计显著影响过滤容量和堵塞行为。研究表明，标称0.2微米孔径的灭菌膜实际孔径分布差异大，汞侵入孔隙测量显示其平均孔径可达0.35微米。采用0.8微米预过滤的双层膜（如Sartopore 2 XLG）可提升2.5倍容量，其效果与预过滤器中400-800纳米孔径占比相关。膜结构（对称/非对称）、化学性质及预过滤模式（积分/批处理/串联）均影响最终过滤性能。该研究为生物制药工艺优化提供了关键参数。

　　在现代生物制药领域，特别是针对mRNA疫苗和治疗性药物的生产过程中，脂质纳米颗粒（Lipid Nanoparticles, LNPs）的无菌过滤是一个至关重要的步骤。然而，由于LNPs的粒径通常在50至200纳米之间，而用于无菌过滤的滤膜通常标称孔径为0.2微米，这使得滤膜孔径与目标颗粒尺寸存在重叠，从而对过滤过程的设计和操作提出了挑战。本研究旨在系统分析不同无菌滤膜和预滤膜的孔径分布、污染行为及过滤能力，以优化LNPs的无菌过滤效率。

### 滤膜孔径分布的多样性

尽管市面上的无菌滤膜都标称具有0.2微米的孔径，但通过汞渗透孔径分析（Mercury Intrusion Porosimetry, MIP）技术检测发现，不同滤膜的实际孔径分布存在显著差异。这种差异表明，仅依赖于标称孔径无法全面反映滤膜的过滤性能。研究中提到的滤膜包括均质（Homogeneous）和非对称（Asymmetric）两种结构，其中非对称滤膜通常具有更明显的孔径梯度。例如，Sartopore 2 XLG滤膜的0.2微米层在MIP测试中显示出的平均孔径为0.35微米，而Sterilux滤膜的平均孔径仅为0.25微米。这表明，即使在相同标称孔径下，滤膜的实际孔径分布仍然存在较大差异，这种差异可能对过滤性能产生重要影响。

### 预滤膜对过滤能力的提升

研究还发现，预滤膜在提升LNPs的过滤能力方面具有重要作用。当将预滤膜与无菌滤膜结合使用时，预滤膜能够有效去除大颗粒污染物，从而减少对无菌层的堵塞。例如，使用0.8微米预滤膜的Sartopore 2 XLG双层滤膜，其过滤能力相较于单独使用0.2微米无菌滤膜提升了约2.5倍。此外，研究还测试了不同孔径的预滤膜，发现孔径在400至800纳米范围内的预滤膜对过滤能力的提升最为显著。这表明，预滤膜的孔径分布是决定其过滤性能的关键因素之一。

### 过滤模式对性能的影响

研究进一步探讨了不同过滤模式对LNPs过滤性能的影响。包括批次过滤（Batch Filtration）、在线过滤（Inline Filtration）以及集成式双层过滤（Integral Dual-Layer Filtration）。结果显示，集成式双层过滤模式在所有测试中表现出最佳性能，其次是在线过滤，最后是批次过滤。这种差异可能与过滤过程中颗粒重新聚集的时间有关，集成式过滤模式能够最大程度地减少颗粒在预滤膜和无菌膜之间的停留时间，从而降低堵塞的可能性。

### 预滤膜化学性质的次要作用

尽管预滤膜的化学性质（如亲水性或疏水性）可能对过滤性能有一定影响，但研究发现，对于LNPs的过滤，预滤膜的化学性质并不是决定性因素。例如，使用亲水性和疏水性两种不同类型的0.45微米PVDF Durapore膜作为预滤膜，其对过滤能力的提升差异较小。这表明，预滤膜的孔径分布和形态比其化学性质更为关键。

### 污染物尺寸与过滤效果的关系

研究还分析了污染物尺寸对过滤效果的影响。通过测试不同孔径的预滤膜，发现当预滤膜孔径达到0.65微米时，过滤能力达到最大值。而孔径为5微米的预滤膜则对过滤能力几乎没有提升。这说明，LNPs的污染物主要集中在亚微米尺寸范围内，而更大的孔径预滤膜能够更有效地去除这些污染物，从而提高整体过滤效率。

### 工业应用的启示

本研究的结果对工业规模的LNPs无菌过滤具有重要启示。首先，滤膜的选择应考虑其孔径分布和结构特性，而不仅仅是标称孔径。其次，预滤膜的设计应优先考虑其孔径范围，以确保对污染物的有效去除。此外，集成式双层过滤模式可能成为提升过滤效率和减少堵塞的首选方案。最后，未来的研究需要进一步探讨这种过滤机制是否适用于其他类型的颗粒，如病毒载体等。

### 结论

综上所述，LNPs的无菌过滤性能受到多种因素的影响，包括滤膜的孔径分布、预滤膜的选择、过滤模式以及滤膜的化学性质。研究发现，滤膜的孔径分布和预滤膜的孔径范围是影响过滤能力的关键因素，而化学性质的影响相对较小。因此，在实际应用中，选择具有合适孔径分布的滤膜和预滤膜组合，采用集成式双层过滤模式，能够有效提升LNPs的过滤效率，减少堵塞，从而优化整个生产流程。这些发现不仅为LNPs的无菌过滤提供了新的设计思路，也为其他大颗粒生物药物的过滤工艺提供了参考价值。