高濃度抗体の除菌ろ過：プレフィルターを足しても流れが戻らない理由

皮下注射は1回の投与量を1.5 mL未満に収める必要があり、抗体は100 mg/mLを超える濃さが要ります（Shire et al. 2004）。その原薬を充填前に0.2 µmの除菌フィルターへ通すと流れが重く、プレフィルター本ろ過の手前に置き、粗い粒子をあらかじめ取り除いて後段フィルターの目詰まりを防ぎ、寿命を延ばすためのフィルターです。詳しく →を足しても戻らないことがあります。

原因は2つに分かれます。液そのものが重い（粘度が高い）ことと、小さな凝集体が膜の孔をふさぐ目詰まり（ファウリング細胞や破片、製品成分が膜面や細孔に溜まって透過抵抗が上がる現象。回収率低下を招く。）です。ただし、どちらが効いているかで打つ手はまったく違い、取り違えると原薬原薬。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 →のロスだけが増えます。

この記事では、最後のろ過が濃い液に弱い理由、粘度と目詰まり微粒子や凝集体、タンパク層が膜の孔を塞いでろ過が落ちる現象。プレフィルターでの前段保護が効く。詳しく →の見分け方、膜の面積を増やすと何を失うか、高濃度向けの除菌膜の選び方を、明日から確かめられる手順まで説明します。

1. 最後のろ過は、膜面を掃く流れがないから濃い液に弱い

最終ろ過は、液の全量を膜にまっすぐ押し当てて向こう側へ通す、行き止まりのろ過（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 →）です。手前で抗体を濃くする限外ろ過（UF）とダイアフィルトレーション（DF）は、膜の表面に沿って液を流し、表面を掃きながらろ過するクロスフロー膜面に沿って平行に液を流す流れ。せん断力で膜面の堆積を掃き流し、濃度分極を抑える。詳しく →方式。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 →には、この掃く仕掛けがありません。

圧力で押して、どれだけの速さで液が膜を抜けるか。決まり方は単純で、膜を抜ける流束 J は、かけた圧力 ΔP を、液の粘度 μ と膜の抵抗 R の積で割った値で決まります。

J = ΔP / (μ × R)

抗体の液の粘度は濃度とともに急に上がり、高粘度はろ過による製造を難しくする原因として知られています（Shire et al. 2004）。高濃度の原薬では、UFだけでなく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 →でも流束が下がり、処理時間が延びます（Holstein et al. 2020）。

圧力を上げて押し切ろうにも、膜とハウジングには使ってよい圧力の上限がメーカーの仕様書に定められています。⁠濃い液の最終ろ過は、圧力をそれ以上かけられないまま、粘度で重くなった液を押し通す作業です。

2. プレフィルターを足しても流れが戻らないのは、原因が粘度だから

流れが遅いと、まず目詰まりを疑うのが自然でしょう。けれども高濃度の液では、詰まっていなくても最初から遅いことがあります。

見分ける手がかりは、時間とともに流れがどう変わるかです。

• 粘度が原因⁠：ろ過を始めた時点から遅く、その遅さがあまり変わらない。
• 目詰まりが原因⁠：始めは流れていたのに、ろ過を続けるうちにどんどん落ちていく。
• 定流量で送る場合⁠：同じ違いが、圧力の上がり方に出る。最初から高いままか、時間とともに上がっていくか。

目詰まりの元になる凝集体は、たいてい手前の工程で生まれています。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 →では、濃くするために液をポンプで長い時間回し続けます。

抗体は空気と液の境目（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 →）や配管の内面で傷みやすく、そこでできた小さ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 →が最後の0.2 µmの膜で捕まって孔をふさぐ。高濃度の製剤は粒子が多く、フィルターが早く詰まりやすいとされています（Bio-IT World 2024、Cytiva）。

目詰まりが主なら、粗いプレフィルターや、粗い層と細かい層を重ねた二層膜で、最後の膜を守るのが効きます。

粘度が主なら話は違います。⁠プレフィルターを足しても液の粘度は変わらないので、流れはほとんど戻りません。 この場合の候補は、膜の面積を増やす、仕様の範囲で圧力を使い切る、製品の安定性が許す範囲で液温を上げて粘度を下げる、の3つです。

3. 膜の面積を大きくすると、原薬を失う

粘度が原因なら、最後に残る手は膜の面積を増やすこと。ところが、ここで回収率が削られます。

1つ目は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 →（hold-up volume）。ろ過が終わってもフィルターや配管の中に残り、回収しきれない液のことで、フィルターを大きくすればこの量も増えます。1 Lあたり200 gの濃さなら、100 mLが残るだけで20 gの抗体が失われる計算です。濃い製剤はロット全体の液量が少ないので、残る液の割合はうすい製剤より大きくなります。

2つ目は膜への吸着です。膜の表面には、抗体そのものや、抗体を界面から守るために入れるポリソルベートタンパク質の凝集や容器壁への吸着を防ぐため製剤へ少量加える添加剤で、細胞培養で細胞を保護する目的でも使われます。詳しく →（界面活性剤）がくっつきます。ポリソルベートが膜に取られると、ろ過の出だしの液ではその濃度が仕込みより下がり、抗体を守る力が弱まる。膜が広いほど、くっつく場所も増えます。

高濃度の製剤では、詰まりを見込んで大きめのフィルターを使うことが多く、それがホールドアップと原薬のロスにつながってきました（Bio-IT World 2024）。ろ過工程のホールドアップで製品を失うリスクは、高濃度ほど大きくなります（Holstein et al. 2020）。

4. 面積を増やさずに済ませる除菌膜は、3つの方向に分かれる

面積を増やすと原薬を失う。それなら、同じ面積で流れる膜を選べないか。フィルターメーカー各社は、高濃度の液を意識した除菌膜を3つの方向で出しています。

濡れやすさが挙がるのには理由があります。完全性試験の不合格で最も多い原因は膜の濡れ不足で、濡れやすい膜は使用後の試験も通りやすいからです（Sartorius の製品資料）。

どれもメーカーの公表値で、自社の液で同じ結果が出るとは限りません。膜を変えるなら、その製剤での細菌保持の確認も新しい膜で行います。濃い液や高い圧力は膜の振る舞いを変えるので、除菌ろ過として成り立たせるための3つの証拠は製剤ごとにそろえます。

どの方向の膜が合うかは、流れを止めている原因が粘度か目詰まりかと、回収率と時間のどちらを優先するかで決まります。

5. いまの最終ろ過で、明日から確かめる4つのこと

まず見るのは、いまの最終ろ過のバッチ記録製造ロットごとに手順・使用資材・実施者・確認結果を定められた様式で記録した原本。そのとおりに作ったことを証明する文書です。詳しく →です。⁠圧力と流量が最初から重いのか、途中から落ちたのかで、粘度と目詰まりのどちらが効いているかの見当がつきます。

• Step 1：バッチ記録で、流れの落ち方を見る 圧力と流量を時間に対して並べる。最初から遅いなら粘度、途中から落ちるなら目詰まりを疑う。
• Step 2：充填温度での粘度と、圧力・温度の上限をそろえる 充填するときの温度での液の粘度と、膜とハウジングの使ってよい圧力と温度の上限。
• Step 3：実液の小スケール試験で、候補の膜と最小の面積を決める 候補を2〜3本に絞り、ディスクや小型カプセルで流して比べる。フィルターと配管に残る量、残った液の回収方法、抗体とポリソルベートの吸着のデータ、ろ過の出だしの液の扱いもここで決める。
• Step 4：細菌保持と完全性試験の段取りを確かめる 自社の製剤での細菌保持試験をメーカーに受託してもらえるか。完全性試験の方式と、使用前の試験（PUPSIT除菌フィルターを使用する前、滅菌後にろ過膜の完全性を確認する試験。無菌性を担保する管理。詳しく →）に対応できる構成か。

製品は滅菌フィルター（除菌ろ過 0.2µm）、カプセルフィルター、プレフィルターで横断できます。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 →そのものを処方で下げる方法は高濃度抗体製剤の粘度を下げる添加剤、手前の濃縮工程の装置選びは高濃度の限外ろ過（UF）とダイアフィルトレーション（DF）、完全性試験除菌フィルターに欠陥がなく所定の孔径を保っているかを確認する試験。無菌ろ過の信頼性を裏づける。詳しく →の方式はフィルター完全性試験とPUPSITを参照してください。

参考文献

• Shire SJ, Shahrokh Z, Liu J. Challenges in the development of high protein concentration formulations. J Pharm Sci. 2004;93(6):1390-1402.（皮下投与の1.5 mL未満という液量の制約で100 mg/mLを超える濃度が要ること、高粘度がろ過による製造を難しくすること）
• 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.（高粘度によるUF・除菌ろ過での流束の低下と処理時間の延長、ろ過工程のホールドアップによる製品ロスのリスク）
• Bio-IT World, Cytiva's latest innovation significantly improves filtration of high concentration biologics（2024年6月28日）（高濃度製剤の早期閉塞と、大きめのフィルターによるホールドアップと原薬ロス、Supor Prime の 220 g/L）
• Cytiva, Supor Prime sterilizing grade filters
• Merck, Millipore Express SHC 0.5/0.2 µm Cartridge Filters
• Sartorius, Sartopore Evo: Low adsorption meets high performance
• Sartorius, Sartopore Platinum