バイオ医薬品の製造工程は、

大きく USP（Upstream Process：上流工程） と DSP（Downstream Process：下流工程） に分けて説明されることがあります。

USPは、細胞株の構築、培養、発現、生産など、目的タンパク質や抗体などを「作る」工程です。一方、DSPは、USPで得られた培養液や細胞破砕液などから、目的物質を回収し、精製し、濃縮し、最終的に原薬として使える品質へ整える工程です。

EMAのバイオテクノロジー由来有効成分のプロセスバリデーションに関するガイドラインでは、DSPは「最終ハーベスト後の最初の工程から始まり、望ましい品質の製品に至る工程」と説明され、細胞破砕、濃縮、不純物除去、ポリッシング、リフォールディング、修飾工程などを含み得るとされています。

USPとDSPの違い

USPとDSPの違いは、単に工程の前後関係だけではありません。工程の目的、管理すべきリスク、品質への影響の仕方が異なります。

簡単に言えば、USPは「目的物質を作る工程」、DSPは「目的物質を医薬品品質に近づける工程」です。

ただし、USPとDSPは独立していません。USPで生じた不純物、分解物、凝集体、培地成分、細胞由来タンパク質、宿主細胞DNAなどは、DSPで除去すべき対象になります。そのため、USPが不安定であればDSPの負荷も増え、DSPが十分に設計されていなければ、USPで良好に産生された目的物質も最終的な品質に到達できません。

DSPの基本的な流れ

DSPの構成は製品の種類、発現系、目的物質の性質、品質目標によって変わりますが、抗体医薬や組換えタンパク質では、一般に次のような流れで説明できます。

1. ハーベスト後の清澄化

USPで培養が完了すると、培養液には目的タンパク質だけでなく、細胞、細胞破片、培地成分、宿主細胞由来タンパク質、DNA、脂質、分解物などが含まれています。

最初に行うのが、これらの固形物や大きな粒子を除去する清澄化です。代表的な方法には、遠心分離、デプスフィルター、精密ろ過などがあります。

この工程の目的は、次の精製工程に適した状態の液体を得ることです。ここで細胞破片や濁りが十分に除去されていないと、後段のクロマトグラフィーカラムやフィルターが詰まりやすくなります。

2. キャプチャー精製

キャプチャー精製は、目的物質を大まかに回収し、多くの不純物から分離する工程です。

抗体医薬では、Protein Aクロマトグラフィーが代表的です。Protein AはIgG抗体のFc領域に結合する性質があるため、抗体を選択的に回収しやすいという利点があります。

この段階では、純度を一気に高めることができますが、同時に目的物質の回収率、カラム負荷量、溶出条件、pHストレス、凝集体形成などにも注意が必要です。

3. ウイルス不活化・ウイルス除去

バイオ医薬品、とくに細胞株を用いて製造される製品では、ウイルス安全性の評価と管理が重要です。

ICH Q5Aでは、ヒトまたは動物細胞株を用いて製造されるバイオテクノロジー応用医薬品等について、ウイルス安全性評価の考え方が示されています。日本ではPMDAのICH Q5ページにもQ5A関連文書が掲載されています。

DSPでは、低pH処理によるウイルス不活化、ウイルス除去フィルターによるナノフィルトレーション、クロマトグラフィーによるウイルスクリアランスなどが設計されることがあります。

重要なのは、単にウイルス除去工程を入れることではなく、工程全体としてどの程度のウイルスクリアランス能力があるかを示すことです。

4. 中間精製・ポリッシング

キャプチャー工程の後には、さらに不純物を減らすための中間精製やポリッシング工程が置かれます。

代表的な不純物には、次のようなものがあります。

ポリッシングでは、イオン交換クロマトグラフィー、疎水性相互作用クロマトグラフィー、ミックスモードクロマトグラフィーなどが使われます。

目的は、製品関連不純物と工程由来不純物を管理し、最終的な品質、安全性、有効性に影響し得る要素を十分に低減することです。

5. UF/DFによる濃縮・バッファー交換

UF/DFは、Ultrafiltration / Diafiltrationの略です。日本語では限外ろ過・透析ろ過などと説明されます。

UFでは目的物質を濃縮し、DFでは目的物質の周囲のバッファー成分を置き換えます。たとえば、精製工程後の中間液を、原薬として適した濃度、pH、塩濃度、添加剤組成に調整する目的で行われます。

この工程では、膜への吸着、濃縮による粘度上昇、凝集体形成、せん断ストレス、処理時間、温度管理などが重要になります。

6. 原薬工程としての最終調整

DSPの終盤では、必要に応じて濃度調整、ろ過、バイオバーデン管理、無菌ろ過、保管条件の設定などが行われます。

バイオ医薬品はタンパク質などの高分子であることが多く、温度、pH、光、酸化、界面、せん断などの影響を受けやすいという特徴があります。ICH Q5Cでは、バイオテクノロジー応用医薬品・生物起源由来医薬品の安定性試験において、タンパク質やポリペプチドが環境因子の影響を受けやすいことが説明されています。

そのためDSPでは、精製できればよいだけでなく、精製中に目的物質を壊さないことも重要です。

DSPで管理すべき品質リスク

DSPでは、多くの単位操作が連続して行われます。それぞれの工程で品質リスクが異なります。

不純物除去

DSPの中心的な役割は、不純物を除去することです。とくにHCP、HCDNA、凝集体、分解物、ウイルス、Protein A漏出物などは、製品品質や安全性に影響する可能性があります。

ただし、不純物を強く除去しようとすると、目的物質の回収率が低下することがあります。したがって、DSPでは「純度」と「収量」のバランスが重要になります。

回収率

DSPでは、各工程で少しずつ目的物質が失われます。たとえば、フィルターへの吸着、カラムへの不可逆吸着、洗浄時の流出、凝集体化による除去などです。

各工程の回収率が低いと、USPで高い発現量を達成しても、最終的な原薬量は少なくなります。

凝集体・分解物の増加

タンパク質医薬品では、精製中のpH変化、塩濃度変化、温度変化、濃縮、界面接触、せん断などにより、凝集体や分解物が増えることがあります。

そのため、DSPでは不純物を取り除くだけでなく、目的物質を安定な状態に保つ設計が必要です。

スケールアップ時の変動

ラボスケールで成立したDSPが、そのまま製造スケールで再現できるとは限りません。

カラム径、線速度、滞留時間、圧力、膜面積、処理時間、ホールド時間、温度管理などが変わると、品質や回収率に影響することがあります。

FDAのプロセスバリデーションガイダンスでは、プロセスバリデーションをライフサイクルの考え方で捉え、工程設計、工程適格性確認、継続的工程検証の考え方が示されています。DSPもこの枠組みの中で、工程理解と管理戦略を構築する対象になります。

DSPとUSPはどちらが重要か

結論から言えば、どちらも重要です。

USPが不安定であれば、目的物質の量や品質が変動します。その結果、DSPに入る原料の性状が変わり、精製工程の負荷が変わります。

一方、DSPが弱いと、USPで十分な量の目的物質を作れても、不純物を除去できない、回収率が低い、凝集体が増える、ウイルスクリアランスが不足するなどの問題が生じます。

NIHの生物製品に関するRegulatory Knowledge Guideでも、堅牢で一貫した上流工程は、堅牢で一貫した下流工程と生物製品のために重要であると説明されています。

したがって、USPとDSPは「前工程と後工程」ではなく、「相互に影響する一体の製造プロセス」として理解する必要があります。

DSPの実務で重要になる考え方

1. DSPは後始末ではない

DSPは、USPで作られたものを単にきれいにする後処理ではありません。品質、安全性、収量、製造コスト、スケールアップ性を決める重要工程です。

とくに抗体医薬や組換えタンパク質では、DSPの設計が製造コストに大きく影響することがあります。Protein A樹脂、ウイルス除去フィルター、クロマトグラフィー樹脂、フィルター、バッファー、処理時間などは、製造原価や設備設計にも関係します。

2. DSPは品質属性と結びつけて考える

DSPで管理すべき項目は、単なる工程条件ではありません。CQA（Critical Quality Attribute：重要品質特性）と結びつけて考える必要があります。

たとえば、凝集体がCQAであれば、低pH処理、濃縮、ホールド時間、温度、撹拌条件などが凝集体形成に影響しないかを評価する必要があります。

3. DSPは工程変更時の比較性評価にも関係する

バイオ医薬品では、製造工程の変更が品質、安全性、有効性に悪影響を与えないことを示す必要があります。ICH Q5Eは、バイオテクノロジー応用医薬品・生物起源由来医薬品の製造工程変更前後の比較性評価に関する考え方を示しています。

DSPの変更、たとえばクロマトグラフィー樹脂の変更、膜の変更、工程順序の変更、処理条件の変更、スケール変更などは、比較性評価の対象になり得ます。

USPとDSPの関係をイメージで理解する

USPとDSPの関係は、次のように整理できます。

細胞株・培地・培養条件
        ↓
USP：目的物質を産生させる
        ↓
ハーベスト液
        ↓
DSP：回収・清澄化・精製・濃縮・不純物除去
        ↓
原薬
        ↓
製剤化工程
        ↓
最終製品

USPの出口は、DSPの入口です。
DSPの入口品質が変動すれば、DSPの負荷も変動します。
DSPの設計が不十分であれば、USPで得られた目的物質を十分に製品品質へ仕上げることができません。

まとめ

DSPは、バイオ医薬品製造において、目的物質を回収し、精製し、不純物を除去し、原薬として使える品質へ整える重要な工程です。

USPが「作る工程」であるのに対し、DSPは「取り出して、きれいにし、品質を整える工程」です。

しかし、USPとDSPは別々に考えるべきものではありません。USPで決まる培養液の性状、不純物プロファイル、目的物質の品質は、DSPの設計や性能に直接影響します。一方、DSPの精製能力、回収率、安定性管理、ウイルスクリアランス能力は、最終的な製品品質に直結します。

バイオ医薬品の製造では、USPとDSPを一体のプロセスとして捉え、工程理解、品質リスク、CQA、CPP、プロセスバリデーション、比較性評価を結びつけて考えることが重要です。

用語集

注意点・例外

DSPの構成は、抗体医薬、酵素、融合タンパク質、ワクチン、遺伝子治療用ベクター、細胞加工製品などで大きく異なります。この記事では主に抗体医薬・組換えタンパク質を中心に一般化しています。

また、実際の製造工程設計、バリデーション、ウイルスクリアランス試験、規制当局提出資料の作成には、製品特性・工程特性・規制要件を踏まえた専門的判断が必要です。実務適用時は、CMC、GMP、品質保証、分析、規制対応の専門家に確認が必要です。

参考文献・出典

• EMA: Guideline on process validation for the manufacture of biotechnology-derived active substances
• FDA: Process Validation: General Principles and Practices
• PMDA: ICH-Q5 生物薬品の品質
• ICH Q5C: Stability Testing of Biotechnological/Biological Products
• ICH Q5E: Comparability of Biotechnological/Biological Products Subject to Changes in their Manufacturing Process
• EMA: Guideline on development, production, characterisation and specification for monoclonal antibodies and related products
• NIH SEED: Regulatory Knowledge Guide for Biological Products

【確実性: 高】

編集履歴
2022/11/14,Mr.Harikir
2026/05/23,更新