高濃度UF/DFの膜選び：届く濃度は流路の圧力損失で決まる

デュピクセント（デュピルマブ）の皮下注射用シリンジは、2 mLに抗体300 mg、濃度にして150 mg/mLです。この濃さを狙って限外ろ過（UF）とダイアフィルトレーション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 →（DF）で原薬を濃くしていくと、終盤でフィード圧が上がり、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 →が目に見えて落ちていきます。

ただし、膜面に溜まった層を崩そうと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 →を上げても、フラックスは思ったほど戻りません。原因は液の粘度で、届く最終濃度の上限は、運転条件より先に膜モジュールの流路でおおよそ決まっているからです。

この記事では、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 →が流路で圧力を奪う仕組み、カセットと中空糸の違い、回収率を決める膜の材質、循環のループをなくす方式、製造スケールで外れやすい点を順に説明します。濃縮とバッファ交換の基本はUF/DFとは？で解説しています。

1. クロスフローを上げても、フラックスが戻らないのはなぜか

タンジェンシャルフローろ過（TFF）で濃縮の終盤に効いてくるものは、2つあります。

1つは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 →です。膜のすぐ手前に抗体が濃く溜まった層ができ、水の通り道をふさぎます。高濃度では液が混み合って抗体が拡散しにくいので、膜に沿った流れで掃いても、この層はなかなか剥がれません。

もう1つが粘度。抗体の溶液は濃度とともに粘度が急に上がり、その背景には抗体分子どうしの可逆的な自己会合があります（Shire et al. 2004）。

粘い液を細い流路に押し込むと、入口から出口へ進むあいだに圧力が大きく失われます。すると膜の後半では、水を膜の向こうへ押し出す膜間差圧（TMP膜をはさんだ供給側と透過側の圧力差。UF/DF（TFF）の運転を左右する主要パラメータ。）がほとんど残りません。

落ち込みがさらに大きいと、何が起きるでしょうか。出口の近くではパーミエート側の圧力のほうが高くなり、いったん透過した液がリテンテート側へ逆戻りします。これが逆ろ過（バックフィルトレーション粘度由来の圧力の偏りで、いったん膜を抜けた液が膜を逆流して戻る現象。有効な膜面積を無駄にする。）で、膜面積の一部が濃縮と逆向きに働く状態です。

クロスフローを上げれば濃度分極は崩れますが、同じだけ流路の圧力損失も増え、膜の後半で押す力が減って逆ろ過の範囲が広がるため、フラックスは戻りきりません。 粘度に応じた圧力損失と逆ろ過を組み込んだモデルは、中空糸の長さやカセットのスクリーンの形を変えた実験の結果とよく一致しました（Binabaji et al. 2016）。高い最終濃度に届くかどうかを最も左右するのは、粘度による圧力の上昇です（Merck AN4425EN）。

2. カセットと中空糸は、流路の圧力損失で届く濃度が変わる

上限を決めているのが流路の圧力損失なら、比べるべきは流路の形です。

スクリーン入りのカセットは、平膜を重ね、あいだの流路に網（スクリーン）を挟んだ作り。網が流れを乱して膜面の濃い層を崩すので、同じ流量でもフラックスが出やすくなります。そのかわり網は流れの抵抗にもなり、粘い液では圧力損失が大きくなります。

高濃度向けには、網の目を粗くした開いたスクリーンのカセットがあります。Merck の Pellicon 3 の D スクリーンは、標準のスクリーンより圧力損失が小さく高い最終濃度まで届き、網のない開いた流路よりはフラックスが高いとされています（Merck AN4425EN）。

中空糸は、細い管を束ねたモジュールです。管の内側に網がなく、せん断が穏やかなので、壊れやすい分子や、細胞・ウイルスを含む液にも使われます。網で流れを乱さないぶん濃い層を崩す力は弱めで、圧力損失は管の長さと内径で決まります。

どれか1つが常に勝つわけではありません。⁠届く濃度は、中空糸なら管の長さ、カセットなら網の形と、自社の液の粘度との組み合わせで決まります。

候補を2つか3つに絞ったら、自社の抗体を目標の濃さまで実際に濃くして比べます。運転中の圧とフラックスの見当をつけるには、TFF運転条件の計算ツールが使えます。

3. 届く濃度が決まると、回収率は膜の材質と装置に残る液で決まる

流路で上限が決まっても、濃くした抗体をすべて回収できるとは限りません。高濃度の工程は最後の液量が小さく、膜への吸着と装置に残る液の割合が大きくなるからです。

膜の分画分子量は、約150 kDaのIgGなら30 kDaが定番。材質は、再生セルロース系と PES（ポリエーテルスルホン除菌フィルターなどに広く使われる膜素材。親水化処理で濡れ性や低吸着を高めた製品もある。詳しく →）系が代表です。安定化セルロースの Hydrosart 膜は、タンパク質が吸着しにくく、洗いやすく、アルカリにも強いとされています（Sartorius の製品資料）。

配管・ポンプ・タンクに残る液（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 →）と、運転できる最小の液量も、装置ごとに違います。高価な原薬原薬。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 →では、この数 mL の差がそのまま収率の差です。

使い捨てか再使用かも、回収と費用の両方に効きます。

• 使い捨て⁠（例：Repligen TangenX の SIUS）：洗浄バリデーション設備を洗浄した後、前の製品の残留がないことを検証し交叉汚染を管理する活動。詳しく →と製品間の持ち越しの管理が軽くなり、多品種を少量ずつ作る臨床用の製造で選ばれやすい。
• 再使用⁠（例：同 PRO）：運転のたびに洗浄、透水性の回復の確認、完全性試験が要る。同じ製品を大量に繰り返し作るなら、膜を寿命まで使って費用を下げられる。

回収率を守るには、吸着の少ない材質を選び、ホールドアップと最小液量の小さい装置と組み合わせます。

4. 残る液を減らすなら、循環のループをなくす（SPTFF）

ホールドアップの大半は、リテンテートをタンクに戻して何周も回す循環のループにあります。

SPTFF（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。、液を1回通すだけのTFF）は、膜を直列に段組みし、液を1回通すだけで決めた倍率まで濃くする方式。ループがないので、装置に残る液と運転できる最小の液量が小さくなり、ポンプを何度も通らないぶんせん断や泡立ちも抑えられます。Pall（現在は Cytiva が扱う）の Cadence Inline Concentrator は、出口側に流れを絞る部品を内蔵し、1回の通過で2〜4倍ほどに濃くする設計です（BioProcess International 2015、メーカー提供記事）。

使いどころは、最終のUF/DFの前に液量を減らす工程や、工程どうしをつなぐ連続生産です。粘い液を前もって数分の一に減らしておけば、後のUF/DFで扱う液量とタンクを小さくできます。

ただし、1節の問題が消えるわけではありません。1回の通過で濃くするほど出口に近いところで液は濃く粘くなり、圧力損失はそこに集中するからです。

SPTFF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。を選ぶときは、何倍まで濃くしたいかと、出口側の粘度に流路が耐えられるかを先に確かめます。

5. 小スケールで届いた濃度が、製造の装置で届かないのはなぜか

ここまでの話は、どれも流路の長さに左右されます。そこから外れやすい点が3つあります。

流路の長さが違うと、届く濃度も変わる

圧力損失は流路の長さで変わるので、流路長の違うモジュールで得た到達濃度は、製造用のモジュールでは再現しません。 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。小スケールで得た高濃度は、製造スケールの工程と代表的な原薬で確かめ直すべきとされています（Shire et al. 2004）。

DFのあと、pHと添加剤が狙いからずれる

電荷を帯びた抗体がイオンの分配を偏らせるドナン効果と、抗体自身が液の体積を占める体積排除。どちらも濃いほど大きくなります（Holstein et al. 2020）。中性付近の処方では、塩基性の抗体ならリテンテートのpHはDFバッファより上がり、酸性のFc融合タンパク目的タンパク質に抗体Fcを融合し、半減期などを付与した分子。詳しく →質なら下がるのが典型です（Bolton et al. 2011）。

狙いの値でDFバッファを作っても、高濃度のリテンテートはその値に着地しません。対策は、DFバッファのpHと添加剤の濃さを前もってずらしておくこと。ずらす幅は、小スケールの実液で確かめます。

最後の押し出しで、上げた濃度が下がる

装置に残った濃い液をバッファで押し出せば、せっかく上げた濃度が薄まります。最終濃度と回収率の見積もりは、押し出しの量まで含めて。

濃縮の終盤で抗体を膜に押し付けたり泡立てたりすると、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 →が増えることがあります。濃縮の前後で凝集体を測り比べる方法は、凝集体をどの分析で見るかを参照してください。

濃くした液を最後にフィルターへ通す段階でも粘度は流れを遅くする原因になり、その話は高濃度・高粘度の最終（除菌）ろ過で扱っています。

6. 見積もりを頼む前に、自社の液で確かめる4つのこと

膜と装置の候補はTFFシステムで横断でき、流路を使い捨てにするならシングルユース流路もあわせて比べます。問い合わせの前に、次の順でそろえておくと話が早く進みます。

• Step 1：目標濃度と、その濃度での粘度を測る 粘度は濃度に対して急に立ち上がるので、目標濃度の手前ではなく目標濃度そのもので測る。
• Step 2：流路の候補を絞り、同じ流路長で比べる スクリーンの種類ごとに、粘い液での圧力損失とフラックスのデータをメーカーに求める。製造用と同じ流路長のスケールダウン用モジュールがあるかも確かめる。
• Step 3：回収率の内訳を出す 材質ごとの吸着・洗浄条件・アルカリへの強さ、ホールドアップと最小液量、使い捨てと再使用の有無。SPTFFを使うなら、1回の通過での濃縮倍率入口に対して何倍に濃くなるかを表す指標。SPTFFのモジュール性能などを示すのに使う。詳しく →と出口側の粘度への対応。
• Step 4：ダイアフィルトレーション（DF）後のずれを小スケールで確かめる 自社の抗体でDF後のpHと添加剤がどれだけずれるかを測り、DFバッファをずらす幅を決める。

限外ろ過（UF）とダイアフィルトレーション（DF）の膜選びで最初に見るのは、カタログのフラックスではありません。⁠自社の液が目標濃度でどれだけ粘るかと、その粘度に対して流路がどれだけ圧力を失うかです。 タンジェンシャルフローろ過（TFF）でも、液を1回通すだけのSPTFF（シングルパスTFF）でも、この順番は変わりません。

製品が膜をどれだけすり抜けるかの指標はふるい係数とは？、粘度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、培養から製剤までの高濃度化の難しさは抗体医薬の高濃度化はなぜ難しい？、製剤に仕上げる考え方は抗体医薬の製剤設計とは？で解説しています。

参考文献

• Binabaji E, Ma J, Rao S, Zydney AL. Ultrafiltration of highly concentrated antibody solutions: Experiments and modeling for the effects of module and buffer溶液のpHを一定範囲に保つために使用される弱酸と共役塩基の混合溶液。詳しく → conditions. Biotechnol Prog. 2016;32(3):692-701. PubMed 26918655（中空糸の長さ・スクリーンの形と到達濃度、粘度による圧力損失と逆ろ過を組み込んだモデルと実験の一致）
• Shire SJ, Shahrokh Z, Liu J. Challenges in the development of high protein concentration formulations. J Pharm Sci. 2004;93(6):1390-1402.（可逆的な自己会合が粘度に寄与すること、高粘度がろ過による製造を難しくすること、小スケールで得た高濃度を製造スケールの工程と代表的な原薬で確かめる必要）
• 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での圧力上昇、体積排除と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 →が高濃度ほど大きくなること）
• Bolton GR, et al. Effect of protein and solution properties on the Donnan effect during the ultrafiltration of proteins. Biotechnol Prog. 2011;27(1):140-152. doi:10.1002/btpr.523（塩基性の抗体ではpHがDFバッファより上がり、酸性のFc融合タンパク質では下がること、DFバッファをずらす対策）
• Merck, Pellicon 3 Cassettes for High Viscosity Applications（Application Note AN4425EN）（圧力の上昇が最終濃度を左右すること、D スクリーンの圧力とフラックス）
• BioProcess International, Volume Reduction and Process Optimization with Cadence Inline Concentrator（メーカー提供記事、2015年。SPTFFの構造と濃縮倍率）
• BioProcess International, Accounting for the Donnan Effect in Diafiltration Optimization for High-Concentration UFDF Applications（高濃度ほどドナン効果と体積排除高濃度でタンパク質が大きな体積を占め、小分子が使える水の体積が減る効果。バッファ交換の終点をずらす。でpH・添加剤がずれること）
• 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）