在过去的十年中，生物制药开发领域见证了一种具有革命性意义的分析范式的崛起，这种范式通过实时监测过程参数和产品质量属性，极大地提高了制造过程的效率和产品质量。这一范式的核心是过程分析技术（Process Analytical Technology，简称PAT）。PAT通过实时测量原材料和在制品的性能和关键质量属性，在设计、分析和控制制造过程中起到了至关重要的作用。其目标是确保一致的最终产品质量，这一目标得到了包括美国食品和药物管理局（FDA，2004）在内的监管机构的认可。

PAT的基本原理和模式

PAT的核心在于将分析技术整合到开发或制造过程中，具体表现为在线、在位或在线分析模式。

1. 在线操作模式：在工艺流中实时测量分析物，确保数据的即时性和准确性。
2. 在位操作模式：从工艺流中提取样品进行近实时分析，样品可能会或不会被重新引入到工艺流中。这一模式通常是自动化的。
3. 在线分析：从工艺流中提取样品，在工艺车间进行分析。这一模式不同于传统的离线测试，后者通常在分析测试实验室中进行，结果生成可能需要长达数小时或数天的时间。

PAT工具能够实时或近乎实时地生成分析数据，从而实现从一个单元操作到下一个单元操作的连续处理，没有任何停留时间。这些数据可用于反馈或前馈控制，显著提升了工艺的效率和灵活性。

实时监控的意义

实时监控工艺参数和产品质量属性代表了分析范式的重大飞跃。通过实时工艺变更实现高效的工艺开发，以达到目标产品概况（Target Product Profile, TPP）。这一范式依赖于对过程的清晰理解，允许实施质量源于设计（Quality by Design, QbD）。国际协调会议（ICH）将QbD定义为“一种系统的发展方法，从预定义的目标开始，强调产品和过程的理解以及过程控制，基于健全的科学和质量风险管理”（ICH Q8（R2），2009）。

QbD的核心是精确识别关键工艺参数（Critical Process Parameters, CPP）、关键质量属性（Critical Quality Attributes, CQA）和关键控制点（Critical Control Points, CCP）。这些参数和属性是确保工艺性能和产品质量的一致性的关键。CPP是那些对CQA有影响的过程参数，因此需要进行监测或控制以确保产品质量。CCP是工艺中的特定步骤，监测CPP和CQA对实现分子的TPP至关重要。

实时监测分析平台

对生物制造过程的清晰理解依赖于一个强大的实时监测分析平台。该平台应包括适当的技术传感器、信息物理系统和审讯技术（Wasalathanthri, Ding和Li，2020）。物理传感器用于从适当的CCP处获取数据，而信息物理系统则促进了数据的自动化管道、分析、可视化和系统存储。与传统的分析方法相比，数据科学和高级数据查询技术能够对生物过程进行更深入的分类和信息提取。

行业内的推动力量

2014年至2018年间，生物治疗药物约占美国批准药物的47%，这一数据表明了开发基于PAT的生物制剂分析的巨大动机（Walsh，2018）。目前，多个代表行业、学术界和监管团体的科学联盟已经成立，致力于了解PAT的需求和进展，并制定实现生物制剂实时释放（Real-Time Release, RTR）愿景的强大路线图。

NIIMBL

国家生物制药制造创新研究所（National Institute for Innovation in Manufacturing Biopharmaceuticals, NIIMBL）是这样一种公私合作伙伴关系。它由几家世界领先的生物制药公司、学术机构和监管机构组成，致力于了解生物药物可持续发展和制造中的技术需求，并通过合作项目应对特定挑战（NIIMBL，2019）。

iConsensus

iConsensus是另一项重要的倡议，旨在实现生物制剂和疫苗开发和生产过程的更快、更安全和更具成本效益。该项目由欧盟资助，作为2020年生物制造倡议的一部分，目标是开发用于监测和控制哺乳动物细胞培养的创新分析、硬件、软件和高通量工具（iConsensus，2018）。

BioPhorum

BioPhorum是生物技术公司之间的合作伙伴关系，旨在了解关键职能领域的当前技术前景，例如“原料药”、“填充完成”、“开发小组”、“技术路线图”和“细胞和基因治疗”（BioPhorum，2019）。其中，专门致力于PAT的团队“PAT监测和控制小组”隶属于BioPhorum的“开发小组”。BioPhorum的“在线监测和RTR团队”发布了一份出版物，反映了行业对技术需求、商业价值和RTR路线图的看法（BioPhorum，2017）。

PAT技术的进步

随着对PAT兴趣的日益浓厚，分析仪器和基础设施正在进行调整，以促进通过新技术进步、附件以及开发具有更小尺寸和高通量能力的仪器集成到该过程中。例如，过程光谱仪器配备了可高压灭菌的探头、流通池和多路复用功能，用于在线和在线监测过程。以下是一些典型的PAT技术进步和应用案例：

光谱分析

1. 拉曼RXN2®：这是一种带有光学探针的四通道拉曼光谱分析仪，用于在线分析。
2. Matrix MF®：一种多路复用傅里叶变换中红外（中红外）光谱仪，能够连续监测多达六种化学和生物反应（Capito，Skudas，Kolmar和Hunzinger，2015; Mehdizadeh等人，2015年）。

液相色谱技术

液相色谱技术也经过量身定制，以方便PAT应用。例如，Waters PATROL过程分析系统®能够以自动方式从过程流中提取样品，用于分析给定的色谱方法（Patel等人，2017）。安捷伦二维液相色谱（2D-LC）系统允许以顺序方式运行两种色谱方法，从而能够监测给定样品的两个产品质量属性（Buckenmaier，2015）。

质谱技术

质谱技术的进步主要集中在开发具有更小尺寸、更高分辨率、速度、易于集成和自动化数据分析的仪器上。例如，Waters BioAccord LC-MS系统®、Sciex X500R QTOF系统®、Thermo Q Exactive®和Waters ACQUITY QDa检测器都是新型质谱平台的一些例子，它们在PAT应用中具有独特的优势和局限性。

自动采样和样品制备

用于从工艺流中自动取样和自动样品制备的工具已迅速出现在PAT领域，能够与生物反应器、纯化柱、分析仪器和软件集成，以实现分析物的无缝在线监测。FIAlab的模块化自动取样技术（MAST）、®分段在线取样技术（Seg-Flow®）以及过程分析仪和PreON®自动化蛋白质组学样品制备系统是一些行业领先的工具，具有成熟的生物制剂开发在线监测功能。

数据管理和分析

实时或近乎实时地采集工艺参数和产品质量属性会产生大量数据，这表明需要强大的数据聚合、管理和处理平台。数据历史数据库、数据仓库和数据湖是业内常用的数据聚合平台（Herwig，Garcia-Aponte，Golabgir，& Rathore，2015; Steinwandter，Borchert和Herwig，2019）。

自动化多变量数据分析（MVDA）基础设施（如SIMCA、® SynTQ®、SiPAT® 和 Process Pulse®）与分布式控制系统和可视化工具（如DeltaV®和企业制造智能系统）相结合，允许在企业级系统之间进行报告、分析、可视化摘要和数据传输。与传统的离线数据管理实践相比，自动化和可视化基础设施提供了卓越的流程监控和控制，从而可以更全面地了解流程。

此外，先进的数据挖掘技术、数据或机理建模、机器学习和深度学习提供了过程、预测和理解的多维视角（Oliveira，2019年）。可靠的网络物理框架对于工业4.0计划至关重要。工业4.0概念包括物联网、传感器、全球通信、高级过程控制和PAT工具的效用，以确保一致的产品质量和可持续制造（Steinwandter等人，2019年）。

实施PAT的路线图

成功实施PAT工具的路线图需要对生物工艺CPP和CQA进行战略识别，并全面了解分析技术的能力和局限性，以实现更高效、更智能的开发。在这里，我们提出了我们对PAT路线图的愿景，以实现对生物过程的实时和近乎实时的监测。

短期目标

短期目标包括支持敏捷流程开发，重点是在线和在线自动采样和样品制备接口的开发和集成。通过采用先进的光谱分析、液相色谱技术和质谱技术，实现对CPP和CQA的实时监测。

长期愿景

长期愿景包括PAT工具、RTR和工业4.0概念在制造领域的系统发展。通过构建更加智能化、自动化和高效的生物制药制造流程，PAT将进一步整合先进的分析技术、数据科学和信息物理系统，推动生物制药制造进入一个全新的时代。

结论

PAT的引入和应用代表了生物制药制造领域的一次重大进步。通过实时监测和控制工艺参数和产品质量属性，PAT能够显著提高制造过程的效率和一致性。随着行业和学术界的合作不断加深，以及技术的不断进步，PAT有望在未来的生物制药制造中发挥更加重要的作用。

PAT不仅是一种技术工具，更是一种新型的分析范式。它不仅改变了生物制药制造的方式，也为实现更高效、更安全的药物生产开辟了新的道路。随着PAT技术的不断成熟和应用范围的不断扩大，生物制药制造的未来将变得更加光明。

通过持续的创新和合作，生物制药行业将不断迈向新的高度，实现更高水平的科学发现和技术应用。PAT作为这一过程中不可或缺的一部分，将继续引领行业的发展方向，推动生物制药制造进入一个全新的时代。

在未来的几年里，我们可以预见，PAT将进一步整合先进的分析技术、数据科学和信息物理系统，构建更加智能化、自动化和高效的生物制药制造流程。这不仅将有助于提升药物的生产效率和质量，也将为患者提供更加可靠和有效的治疗方案。通过NIIMBL、iConsensus和BioPhorum等组织的共同努力，生物制剂的实时释放愿景正在逐步实现，推动了整个行业的进步。