抗体医薬の高濃度化はなぜ難しい？ UF/DF・除菌ろ過・充填がボトルネックになる理由

アルツハイマー病の抗体レケンビは、2026年7月、皮下注のオートインジェクターボタン操作などで自動的に薬液を注入する自己注射デバイス。容量や押し力に制約がある。詳しく →で治療を始める用法が米国で承認されました。治療開始時は、毎週500 mgを250 mgずつ2本の注射に分けて投与します。皮下注皮膚の下に注射する投与経路。一度に入れられる液量が小さく、抗体の高濃度化が求められる。詳しく →射の1回の投与液量は多くの製品で1〜2 mLほど。その少ない液量に抗体を高濃度で入れるほど、製造は工程の後半で難しくなります。なぜでしょうか。

答えは、高濃度の抗体溶液では粘度が急に上がり、分子どうしが自己会合しやすくなることにあります。培養での抗体の生産量を増やしても、この難しさは解消しません。負荷は濃縮、最終ろ過充填直前に薬液を除菌グレードの膜でろ過する工程。高粘度では圧力で押し切れず流れが遅くなる。詳しく →、充填という最後の数工程に集まります。

工程開発の担当者はもちろん、受託先や装置を選ぶ購買・品質保証の人にとっても、どこがボトルネックになるかを知っておくと、確かめるべき点が見えてきます。

1. 培養の力価と製品の濃度では、「高濃度」の意味がどう違うのか？

培養の力価は扱う「量」の問題で、製品の濃度は液の性質が変わる「濃度」の問題です。 同じ「濃い」でも、培養の現場と製剤の現場では指すものが違います。

力価が10 g/Lほどの培養液と比べても、製品は15倍以上の濃度です。

上流の培養で力価が伸びると、下流にも負荷はかかります。灌流培養やN-1灌流で高細胞密度にするほど、細胞や細胞残渣が増えてハーベスト・清澄化のフィルター面積が増えます。Protein Aクロマトグラフィーでは、1サイクルあたりのロード量が増えます。ただ、これらは扱う量の問題です。装置を大きくしたり、連続キャプチャーでサイクル数樹脂を負荷から洗浄・溶出・再生まで1回使うごとに数える回数。寿命管理の基本単位になる。詳しく →を増やしたりすれば対応できます。レジンクロマトグラフィーで目的物や不純物を結合させる粒子状の充填材。精製モードごとに使い分ける。詳しく →の選び方は精製レジンの選定で解説しています。培養スケールから得られる原薬原薬。精製を終えた有効成分そのもので、製剤化する前の段階を指す。詳しく →量の見当は、力価から収量を出す計算ツールで付けられます。

キャプチャー精製の最初に、目的の抗体を担体にまとめて捕まえ一気に純度を上げる工程。Protein Aが代表。詳しく →のあとの低pHウイルス不活化や精製の工程を終えるまで、抗体濃度はまだ低いままです。濃度の問題は、精製を終えた抗体を製品の濃度まで濃縮する段階で、初めて表に出ます。1 mLあたり100 mgを超えるころから、抗体によっては粘度が急に上がります。低濃度では無視できた分子間相互作用タンパク質分子どうしの間に働く静電気的引力・疎水性相互作用などの力の総称。詳しく →が、液の性質を左右し始めるのです。

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2. UF/DFの終盤では、なぜ透過流束が落ち、pHがずれるのか？

膜面に濃度分極ろ過で膜面に目的物が局所的に溜まる現象。クロスフローのせん断で掃き流して抑える。詳しく →層ができ、粘度液体の流れにくさを表す物理的性質で、タンパク質濃度の上昇に伴い非線形に増大する。詳しく →の上昇で流路の圧力損失が増えるからです。pHのずれは、高濃度の抗体そのものがイオンの分配と液の体積に影響するために起きます。

最初の難所は、膜で水を除いて濃縮するUF/DF半透膜で目的物質を濃縮したり（限外ろ過）、緩衝液を目的の組成に置き換えたり（ダイアフィルトレーション）する工程です。膜面に沿って液を流すTFF方式が使われます。詳しく →（限外ろ過・透析ろ過膜ろ過で液のバッファを目的の処方液に置き換える操作。限外ろ過（UF）と組み合わせて使う。詳しく →）です。

透過流束の低下：限界は装置の側にもある

濃縮の序盤は順調に進んでも、目標に近づくほど透過流束（フラックス膜を単位時間・単位面積あたり透過していく流れの量。粘度に反比例し、高濃度で大きく低下する。詳しく →）が落ちます。膜の手前には抗体が高濃度に溜まった層（濃度分極層）ができ、水の透過を妨げます。そのうえ粘度が上がるので、膜の流路での圧力損失が大きくなります。Binabajiらは2016年、到達できる最高濃度が膜モジュールの形状で変わることを実験で示しました。運転の工夫だけでは越えにくい限界が、装置の側にあります。

DF後の組成のずれ：バッファを入れ替えても目標値にならない

高濃度の抗体は電荷を帯びた大きな分子です。そのため膜の両側でイオンの分配を変え（ドナン効果荷電した膜や成分の影響でイオンの分布が偏る現象。バッファ交換が計算より遅れる一因になる。詳しく →）、自らも液の体積を占めます。目標のpHと添加剤濃度でバッファを調製して置換しても、濃縮を終えた液はその値になりません。あらかじめバッファの組成をずらしておき、その幅を小スケールの実液で確かめます。

UF/DFの基本の仕組みはUF/DFとは？、膜モジュールの選び方や、液を循環させずに濃縮するシングルパスTFF膜を一度通過するだけで目標濃度に達するよう設計したTFF。循環ループがなく取り残しが小さい。は高濃度UF/DFの膜選びで解説しています。バッファを何回分（ダイアボリューム）置換すればよいかはUF/DFの計算ツールで確かめられます。

3. 重要：最終ろ過と充填では、粘度と残液でなぜ原薬を失うのか？

除菌ろ過細菌を止めることを実証したフィルターに液を通し、無菌のろ液を得る工程です。除菌ろ過・ろ過滅菌とも呼び、菌の数を下げるだけのバイオバーデン低減ろ過とは区別します。0.22µm前後の膜が広く使われます。詳しく →の流速は粘度にほぼ反比例し、流量を補うためにフィルターを大きくすると、フィルターと配管の残液で失う原薬が増えるからです。

濃縮を終えた液は、充填の前に除菌フィルターを通します。液の全量を膜に通すデッドエンドろ過液の全量を膜にまっすぐ押し当てて通す方式のろ過。最終除菌ろ過で用いられ、流れは粘度に反比例する。詳しく →なので、流速は粘度にほぼ反比例します。粘度が10倍になれば、同じ圧力と面積で流速は約10分の1です。

流量が足りないからとフィルターを大きくすると、別の損失が出ます。ろ過が終わっても、フィルターと配管の中には液が残ります（ホールドアップろ過後もフィルターや配管に残る液量。高濃度では残液がそのまま高価な原薬の損失になる。詳しく →）。1 mLあたり200 mgの液なら、100 mLが残るだけで抗体20 gを失います。Cytiva も、高濃度の製剤では大きめのフィルターを使うことが多く、それが残液と原薬のロスにつながってきたと説明しています。原因の見分け方と膜の選び方は高濃度・高粘度の最終ろ過、除菌ろ過そのものの基本は無菌ろ過で整理しています。

充填でも、高粘度の液は扱いにくくなります。規定量を高速かつ正確に容器へ充填すること自体が難しくなるからです。プレフィルドシリンジあらかじめ薬液を充填した注射器そのものを製品にする容器形式。自己注射やオートインジェクターに用いる。詳しく →やオートインジェクターに充填処方済みの溶液をバイアルやシリンジなどの容器へ無菌的に充填し、封止する製造工程。詳しく →する工程の需要は伸びており、Roche が米オレゴン州の拠点でフィル＆フィニッシュの工場に7億5,000万ドルを投じると報じられたのも、その流れの中にあります。

ここまでの工程には、もう1つ共通の問題があります。ポンプや配管の中で液が気液界面空気と液の境目。抗体が吸着と剥離を繰り返してほどけ、粒子や凝集体を生む主因になる。詳しく →や接液部の表面に触れると、抗体はその界面で変性し、微小な凝集体タンパク質分子どうしが結合してできた高分子量の集合体です。有効性や免疫原性に影響するため、その含量を測ります。詳しく →ができます。濃縮で液を長く循環させるほど、界面に触れる回数は増えます。メーカーがせん断流れの中で分子にかかる物理的な力。強すぎると抗体の凝集や微粒子発生を招く。詳しく →を小さくしたとするダイヤフラムポンプを搭載したシングルユースのTFF装置のように、ポンプの側で負荷を減らそうとする製品も出ています。

4. 濃度測定と小スケールの結果には、どんな落とし穴があるのか？

濃度測定の希釈誤差、小スケールで到達した濃度への過信、目標濃度や処方の後からの変更です。

1つめ、濃度測定：高濃度の液は希釈しないと測れない

タンパク質濃度は、紫外吸光度（A280波長280nm付近の紫外線吸収を利用してタンパク質濃度を推定する測定法。芳香族アミノ酸などが光を吸う性質を使う。詳しく →）で測るのが一般的です。ところが高濃度の液をそのまま測ると吸光度が測定範囲を超えるので、高倍率に希釈してから測ります。希釈のたびにピペッティングの誤差が加わり、GMP医薬品を一定の品質で安全に造るために守るべき製造・品質管理の基準（適正製造規範）です。詳しく →の現場では希釈の記録と確認の手間も増えます。光路長を装置側で変える方式や、Nirrin の TALOS のように近赤外光で希釈せずに測定する装置も出ています。吸光度から濃度への換算はA280濃度の計算ツールで確かめられます。

2つめ、スケールダウン：小スケールで到達した濃度を、製造でも期待しない

研究室の遠心式の濃縮デバイスや小型の膜で目標濃度に到達しても、流路の長い製造用のモジュールでは到達しないことがあります。スケールダウンの試験には、製造用と同じ流路長のモジュールを使います。

3つめ、処方の変更：目標濃度や処方を後から変えると、見直しが広がる

濃度が少し上がるだけで粘度は大きく変わり、膜面積、フィルターのサイズ、充填の条件まで見直しが要ります。除菌ろ過の細菌捕捉性能の確認（バクテリアチャレンジ試験）も製剤ごとに行うので、処方を変えれば除菌ろ過として成り立たせるための根拠をそろえ直します。

5. 受託先・装置メーカーには、最初の打ち合わせで何を聞くのか？

濃縮の実績、DF後のずれ、最終ろ過の残液、充填精度、濃度測定、凝集体の計画を、最初の打ち合わせで聞いておくと、後の手戻りを減らせます。 高濃度の製品を受託先に任せるときも、装置を選ぶときも同じです。

• 濃縮の実績⁠：目標濃度まで濃縮した実績と、そのときの膜モジュールの形状と流路長
• DF後のずれ⁠：pHと添加剤濃度のずれを、小スケールの実液で確かめる計画
• 最終ろ過⁠：フィルター面積、残液の量と回収の方法
• 充填⁠：高粘度の液での充填精度のデータと、充填機のポンプの方式
• 濃度測定⁠：高濃度の液を、希釈せずに測るのか、何倍に希釈するのか
• 凝集体と微粒子⁠：濃縮の前後と充填の後で、比較測定する計画

装置と資材はTFFシステム、除菌フィルター、バイアル充填機で横断できます。凝集体と微粒子の分析法の違いは凝集体をどの分析で見るかで整理しています。

そもそも粘度を上げない処方の工夫が次の疑問なら、pH・塩・アルギニンの使い分けと注射針の選び方を高濃度抗体製剤の粘度を下げるには？で解説しています。アルギニン分子どうしの会合による凝集を抑え、高濃度処方では粘度を下げる働きも知られるアミノ酸。詳しく →が粘度を下げる仕組みは論文解説、製剤全体の考え方は抗体医薬の製剤設計とは？が答えます。

参考文献

• Holstein M, Hung J, Feroz H, et al. Strategies for high-concentration drug substance manufacturing to facilitate subcutaneous administration: A review. Biotechnol Bioeng. 2020;117(11):3591-3606.（高濃度原薬の製造で詰まる工程の全体像）
• Shire SJ, Shahrokh Z, Liu J. Challenges in the development of high protein concentration formulations. J Pharm Sci. 2004;93(6):1390-1402.（皮下注射の液量の制約と、濃度とともに粘度が上がること）
• Binabaji E, Ma J, Rao S, Zydney AL. Ultrafiltration of highly concentrated antibody solutions: Experiments and modeling for the effects of module and buffer conditions. Biotechnol Prog. 2016;32(3):692-701.（膜モジュールの形と届く濃度、粘度による圧力の損失）
• BioProcess International, Accounting for the Donnan Effect in Diafiltration Optimization for High-Concentration UFDF Applications（高濃度ほどDF後のpH・添加剤がずれること）
• Merck, Improving Fed-Batch Yields（White Paper WP8492EN）（CHO細胞の抗体の製造の力価が数十 mg/Lから10 g/Lほどまで伸びたこと）
• Bio-IT World, Cytiva's latest innovation significantly improves filtration of high concentration biologics（2024年6月28日）（大きめのフィルターによる残る液と原薬のロス）
• BioArctic, FDA approves LEQEMBI IQLIK (lecanemab-irmb) subcutaneous injection as a starting dose for early Alzheimer's disease（2026年7月の承認。開始時は毎週500 mgを250 mgずつ2回の注射で投与）
• Dupixent 300 mg solution for injection in pre-filled syringe, Summary of Product Characteristics（electronic medicines compendium）（注射器1本あたりの抗体量と液量）