Spray Drying Monoclonal Antibodies: Optimizing Reconstitution and Yield Using Experimental Design.

Abstract

The limited stability of monoclonal antibodies (mAbs) in aqueous solutions presents a significant challenge for the development of biopharmaceuticals, particularly in contexts requiring long-term storage or rapid on-site administration. Converting mAbs into solid-state formulations through drying processes offers improved stability; however, conventional methods like lyophilization are time- and energy-intensive. Spray drying has emerged as a promising alternative due to its efficiency, but concerns remain regarding protein denaturation and slow reconstitution times. This thesis aimed to develop a spray-dried mAb formulation capable of fast and consistent reconstitution while maintaining structural integrity. Preliminary screening experiments were conducted to explore the formulation space, followed by the implementation of a Quality by Design (QbD) framework using a central composite face-centered (CCF) Design of Experiments (DoE). Seventeen formulations were produced to evaluate the effects of spray gas flow, feed concentration, and outlet temperature on two critical quality attributes: yield and dissolution time. Modeling and multi-objective optimization revealed that high spray gas flow and moderate feed concentrations produced optimal outcomes, achieving dissolution under 5 minutes and yields above 70%. Scanning electron microscopy (SEM) revealed particle clustering and the formation of donut-shaped morphologies, particularly in formulations containing ammonium bicarbonate (AB), which correlated with improved dissolution. Differential scanning calorimetry (DSC) did not reveal distinct unfolding transitions within the measured range, making it difficult to draw firm conclusions about structural preservation;however, no clear evidence of denaturation was observed.Together these findings demonstrate a systematic, data-driven strategy for optimizing spray drying conditions and supports its potential as a viable alternative to lyophilization for producing stable, fast-reconstituting mAb formulations.

Takmarkaður stöðugleiki einstofna mótefna í vatnslausnum skapar verulegar áskoranir í þróun líftæknilyfja, einkum þegar þörf er á langvarandi geymslu eða skjótri notkun við klínískar aðstæður. Þurrkun próteina stuðlar að auknum stöðugleika, en hefðbundnar aðferðir, svo sem frostþurrkun, eru bæði tíma- og orkufrekar. Úðaþurrkun hefur vakið athygli sem skilvirk og hraðvirk þurrkunaraðferð, en þó eru uppi áhyggjur um möguleg áhrif hennar á próteinbyggingu og hægari leysnihraða. Markmið þessarar rannsóknar var að þróa úðaþurrkað próteinduft með hraðan leysnihraða, án þess að röskun verði á byggingu mótefnisins. Í upphafi voru gerðar forrannsóknir til að kortleggja tilraunabilið. Í framhaldinu var gæði með hönnun nálgun (QbD) beitt þar sem notast var við miðlæga samsetta tilraunahönnun (CCF DoE) til að greina áhrif á helstu breytur ferilsins. Sautján samsetningar voru útbúnar til að meta áhrif flæðis úðagass, styrks lausnar og úthitastigs á tvo mikilvæga gæðaþætti, heimtur og leysnihraða. Líkangerð og fjölþátta bestun leiddu í ljós að hátt flæði úðagass og meðalsterk lausn skiluðu bestu niðurstöðum, þar sem leysnihraði fór undir fimm mínútur og heimtur mældust yfir 70%. Rafeindasmásjárskoðun leiddi í ljós tíðari myndun kleinuhringslaga agna, einkum í sýnum sem innhéldu ammóníumbíkarbónat, og tengdist það bættri leysni. Varmagreining leiddi ekki í ljós skýr ummerki um afmyndun próteinsins innan þess hitasviðs sem rannsakað var, og því var ekki mögulegt að draga afgerandi ályktanir um hvort bygging próteinsins héldist óbreytt. Engu að síður komu engin greinileg merki fram um skemmdir á próteinbyggingunni. Heildarniðurstöðurnar sýna fram á að með gangadrifinni og kerfisbundinni nálgun sé mögulegt að hagræða úðaþurrkunarskilyrðum á árangursríkan hátt. Þannig styðja niðurstöður við það mat að úðaþurrkun geti, við réttar aðstæður, verið raunhæfur valkostur í stað frostþurrkunar við framleiðslu stöðugs og auðleysanlegs próteindufts.