质量源于设计(QbD)指导原则在医疗器械研发中的实证研究_——层析式总胆固醇自测仪的研发项目管理

本文主要思考和讨论的内容是尝试将质量源于设计（QualitybyDesign，QbD）这一理念和原则运用于一个全新的医疗器械产品研发的项目全程设计、跟踪、指导和管 理，以期获得将QbD落实于医疗器械研发的一些初步方法和成功或失败两方面的一 些基本经验，以及为今后进一步探索如何将QbD指导原则同医疗器械新产品研发相 结合建立一个初步的研究实例和方法学案例。 相较于制药企业，国内的医疗器械（包括诊断试剂）企业对GMP理念和原则的 接受和推广得更晚，因而更需要有既符合科学实践原则又具有实际指导意义的新理念 和新方法来指导医疗器械产品（包括诊断试剂产品）的研发、生产和市场销售的各个阶段。 而POCT（PointofCareTesting），国内目前通常译作即时检验或现场检验，作为 医疗器械产品中的一个特殊领域，近年来在国外，尤其是欧美市场取得了长足的发展， 但国内自上世纪九十年代中期开始引进和推广血糖仪产品及妊娠和尿试纸 检测 工程第三方检测合同工程防雷检测合同植筋拉拔检测方案传感器技术课后答案检测机构通用要求培训 等少数几个产品外，并无更多的产品推出，而临床和实际又有较广泛的应用和需要。 本项目团队根据这一个情况，经过广泛的调研和认真的评估，提出了开发总胆固醇（TotalCholesterol，TC）POCT产品的计划和构想，并依据同期在北大IPEM学习所获得的QbD相关知识、方法和经验，创新地尝试在项目启动初期即将正在国内外 制药领域推广应用的QbD的方法和原则运用于实际的产品研发全过程中。 关键词：    质量源于设计 医疗器械研发 即时检验 总胆固醇检测仪 Title：AcaseoftheapplicationofQbDrulesintheresearchanddevelopmentofmedicaldevice----theanalysisofprojectmanagementoftheinstanttotalcholesterolkit ABSTRACT Inthispaper，theprincipleofQbD(Qualityby Design)conceptwasdiscussedandappliedinthewholeresearchprocessofanewmedicaldevice(MD),includingthedesignprocess,projecttracking,guidanceandmanagement.ItwasexpectedtoacquiresomefundamentalmethodandbasicexperienceofbothsuccessandfailurefromtheMDresearch,andalsotryingtoestablishaninitialresearchexampleandamethodologycasetodiscoverhowtocombine the QbDrulewith the development of MDproduct in the future. Comparetothepharmaceuticalindustry,theGMPprinciplewasmuchlaterintroducedandacceptedtothemedicaldevice industry(includingthediagnosticreagentindustry)inChina.Soitismorenecessarytobringnewideasandnewmethodswhicharebothscientific,reasonableandpracticaltoinstructthedevelopmentofanewmedicaldeviceproductasan integratedprocess，fromresearch to manufacturingand to marketingof the finalproduct. POCTasashortformofPointofCareTestingisaspecialareaofMDproducts,whichhasmadesignificantprogressesontheU.S.andEuropeanmarketinrecentdecades.ButinChina,thepopular productsthathasbeenintroducedasaPOCTproductincludeonly afew suchlikeglucometer，pregnanttestkitandurinetestkit,  whilePOCTproductsare actuallymorewidelyandnecessarilydemandedandrequiredforbothhealthcareandclinicalpurposes. Accordingtosuchsituation,theteamhaslaunchedacomprehensivedevelopmentplanofTotalCholesterol（TC）productsbasedonextensivestudyandcarefulevaluation.Theknowledge,principleandexperienceofQbDlearnedinPekingUniversitywereinnovativelyintroduced in the researchprocessat theverybeginning. Inthispaper,themethodandprinciple of QbDwasapproachedintheresearchanddevelopmentofaninstanttotalcholesteroltestkit.Themajortasksofthisprojectincludethe followings: Keywords：QualitybyDesign,ResearchandDevelopment,MedicalDeviceandDiagnosticReagents, Point of CareTesting,TotalCholesterolTest Kit 目    录 第一章    序言    1 1.1    研究背景    1 1.1.1    QbD及其在制药行业中的应用    1 1.1.2    医疗器械和POCT    5 1.1.3    层析式胆固醇自测仪的研究背景    8 1.2    研究内容    8 1.3    研究意义    10 1.4    本 论文 政研论文下载论文大学下载论文大学下载关于长拳的论文浙大论文封面下载 的研究方法    10 第二章    层析式总胆固醇自测仪的设计    11 2.1    检测原理设计    11 2.1.1    总胆固醇定量分析方法概述    11 2.1.2    定量分析方法选择    13 2.2    仪器设计    14 2.2.1    仪器原理设计    14 2.2.2    检测系统设计    14 2.2.3    检测系统选材    16 第三章    层析式总胆固醇自测仪的开发    22 3.1    总胆固醇的酶法模拟检测    22 3.1.1    过氧化氢的测定    22 3.1.2    胆固醇的测定    25 3.1.3    猪血清中总胆固醇的测定    28 3.1.4    人血清中总胆固醇的测定    33 3.2    总胆固醇的快速层析检测    37 3.2.1    反应系统的定型    37 3.2.2    仪器结构的定型    42 3.2.3    过氧化氢的测定    44 3.2.4    质控血清中总胆固醇的测定    46 3.2.5    人血清中总胆固醇的测定    47 第四章    稳定性研究    50 4.1    稳定性研究 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载     50 4.1.1    稳定性研究目的    50 4.1.2    稳定性的基本内容    50 4.1.3    有效期限的确定    52 4.1.4    稳定性研究项目的设置    53 4.2    稳定性研究结果    54 4.2.1    显色试纸的稳定性结果    54 4.2.2    反应控制纸的稳定性结果    54 4.2.3    HRP溶液的稳定性结果    56 第五章    临床试验    61 5.1    临床试验方案    61 5.1.1    目的和项目内容    61 5.1.2    总体设计    61 5.1.3    临床 评价 LEC评价法下载LEC评价法下载评价量规免费下载学院评价表文档下载学院评价表文档下载 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载     62 5.1.4    临床试验持续时间及其确定理由    64 5.1.5    每病种临床试验例数及其确定理由    64 5.1.6    选择对象范围、选择对象数量及选择理由    64 5.1.7    副作用预测及应当采取的措施    65 5.1.8    临床性能的评价方法和统计处理方法    65 5.2    临床试验结果    66 5.2.1    回收试验结果    66 5.2.2    对比试验结果    66 5.2.3    批内精密度    74 第六章    结论与展望    76 6.1    结论    76 6.2    案例说明    76 6.2.1    工艺设计的透彻理解    76 6.2.2    实验设计和验证    78 6.2.3    设计空间的建立    80 6.3    展望    82 参考文献    83 后记    86 第一章    序言 1.1研究背景 1.1.1 QbD及其在制药行业中的应用 1.1.1.1 QbD概念的起源 QbD是质量源于设计（QualitybyDesign）的简称，美国知名质量管理学者Joseph M.Juran首先提出这个概念，他在多篇著作中阐述了他的观念，其中最著名的当数Juran on QualitybyDesign[1]。Juran 认为质量应该能被设计出来，大多数的质量危机和 问题与最初的设计有关。 QbD原则已被用于提高各个工业的产品和流程的质量，在电子、汽车、飞机制造 行业已经成功应用多年，尤其是在汽车行业。近年来以美国FDA为代表的药物监管机构提出采用QbD原则作为国际药品生产质量治理的新方向，FDA 在生产指南中关 于QbD的定义为“designinganddevelopingaproductandassociatedmanufacturingprocessesthatwillbeusedduringproductdevelopmenttoensurethattheproductconsistentlyattains a predefined qualityat the endof themanufacturingprocess”[2]。 1.1.1.2    QbD的实施背景 人用药品注册技术要求国际协调会（ICH）出台相关指导文件Q8以及Q8R，为设计与药品质量之间的关系进行阐述，并与Q9（风险管理），Q10（质量管理体系） 等文件构成理想的质量控制状态的框架[3]，如图1-1所示。其中Q8部分明确说明质量不是通过检验注入到产品中，而是通过设计赋予的。想要获得良好的设计，必须增加对产品的认知和工艺的全过程控制，并且达到两个目的：一是设计空间的建立，二是ICH认为可借此拓展出更灵活的管理办法[4]。 从药品监督管理者的角度看，药品的研发、生产、审评和监管等业务角度看药品质量，可以粗略地分成操作和技术两个层面。一般认为，药品生产和监管（GMP）主要关注操作的内容，药品研发和审评主要关注技术内容。但QbD的理念将上述操作 层面和技术层面的问题有机地融合为一体，整体地纳入了集药品研发、生产科学 （ManufacturingScience）和监管科学（RegulatoryScience）为一体的科学范畴，为从 根本上提高药品质量提供了科学基础，也为药品监管提供了新的理念和手段[5]。 图1-1    ICH药品质量体系框架[3]从药品生产企业的角度来看，通过QbD可以实现在设计阶段就考虑产品质量和患 者需要，通过试验设计确定设计空间，使工艺开发更有目的性，避免在大生产阶段变更生产工艺参数，即使变更也要在设计空间被合理变动。在试验开发阶段，可以充分利用同类产品、其他生产厂家的技术信息和已有的知识，科学理解和掌握生产工艺和 步骤，实现知识管理。 最后从经济的角度来分析，据FDA估算，由于设计缺陷导致产品召回占召回总量 的40％。采用QbD进行管理的半导体行业，其质量缺陷率可以达到6西格玛，即百万分之三点四，质量成本占1－3％。而传统方式管理的制药行业，其质量缺陷率仅可以达到2西格玛，即百分之三十，质量成本占25－35％[6]。这组数据对比是制药企业采用 QbD降低产品成本的巨大推动力。 1.1.1.3QbD在制药行业的理解 QbD是一种更系统化的开发方法，在产品的整个生命周期中融合了现有的知识和 实验设计得到的研究结果，运用了质量风险管理和知识管理（ICH Q10）。该方法增强 了产品质量目标的实现能力，有助于监管者更好理解公司的战略。QbD 指导的药物开 发主要包含以下内容：制订产品质量目标文件（TargetProductProfile ，TPP）、确定 产品关键的质量属性（Critical QualityAttributes，CQAs）、风险评估（RiskAssessment）： 将原材料属性和工艺参数与产品CQAs 联系在一起、限定设计空间（Design Space）、 设计和实施控制战略（Control Strategy）、管理产品生命周期（Product Lifecycle Management）和持续改进(ContinualImprovement)等[7]。其中，将原材料属性与终产品 CQAs连结在一起是一种有价值的科学过程，有助于确定哪些材料属性和工艺参数严重影响产品的CQAs。 药品的质量保证并不能通过测定来达到，而是通过对药物的研发过程中科学信息 的积累和对药物性能和生产工艺的了解，包括生产过程中各参数与药品中各组分的相 关作用，以及可靠的质量管理体系。QbD的最终目的在于药品应当为病人的需要和药 物性能而设计。而生产过程则应设计成为达到生产中关键技术指标，熟悉原料和生产 过程中各参数对药品质量的影响，辨别生产中各种误差来源并能有效控制、以及持续 不断的监控生产过程。所有这些信息应及时反馈到设计程序中以达到对生产工艺的不 断改进，进而达到对药品质量改进之目的。 图1-2    QbD流程和各元素间的质量关联图[8] 在Q8R的Appendix 1. DifferingApproachestoPharmaceutical Development中列举了当前医药界一般开发方法与使用QbD的方法比较[7]，详见表1-1。 1.1.1.4    QbD在制药行业的应用情况 2005年，以美国FDA为代表的发达国家的药政监管部门开始积极倡导和推行QbD。美国制药业在2005年开始讨论QbD，2006年QbD在美国正式启动。FDA认为，QbD是cGMP的基本组成部分，是科学的、基于风险的全面主动的药物开发方法，从 产品概念到工业化均精心设计，是对产品属性、生产工艺与产品性能之间关系的透彻 理解。对按照QbD概念开发的药品，FDA在审评的过程中将乐意更多地与企业进行沟通，并在日常的监管中对于设计空间范围内的操作变更不再进行审批，实行更为宽松 的“弹性监管”。这一切都是因为FDA对申报项目有了更多的了解，这增加了FDA的信心，也有利于申报项目获得批准。 表1-1    医药界一般开发方法与使用QbD的方法比较[7] 项目 QbD实施前 QbD实施后 药物开发 主要靠经验 系统化，深刻理解原材料属性和工艺 全过程 一次仅研究一个变量 参数与产品CQAs的联系 多变量的实验，以便理解产品和工艺 流程 建立设计空间 运用PAT工具 制造流程 制造流程固定，验证完整批， 在设计空间范围内调整 关注优化和重现性 验证整个生命周期，理想状态是连续 的流程验证 关注控制策略和稳定性 运用统计学流程控制方法 流程控制 过程质量控制系统和离线分析 PAT反馈控制和实时监控 产品参数 测试产品质量 根据产品所需性能的相关支持性数 根据注册时每批的数据 据，科学优化出设定参数 控制策略 药物质量控制主要是中间体和 基于风险和知识管理，质量控制转移 产品测试 到上游，使实时放行测试或减少终端 产品测试变为可能 生命周期 反应行为（如解决问题，纠正 预防性的持续改进 管理 措施）       2005 年7 月开始，FDA招募了辉瑞、默克和礼来等9 个国际大公司企业的11个项目进行QbD注册申报试点。目前，其中的9个项目已经通过了注册审批。辉瑞伐 尼克兰片剂（vareniclintablets）和马拉韦罗片剂（maravirotablets）的新药申请中参与了FDA的试点计划。辉瑞可以立即对伐尼克兰的生产过程进行变更，从而实现了上市后监管的灵活性，这一计划预期将会为辉瑞节省2 亿美元[6]。 退休前一直负责QbD试点项目，现任辉瑞全球化学药品生产监管部高级总监的 陈琪婉博士认为，下一步，FDA将会在国际上继续积极推动QbD的运用，并帮助工业界实施QbD。不过，FDA执法办公室生产与产品质量部副主任Buhay表示，FDA不会把QbD变成一个强制执行的要求，但会鼓励企业实施QbD指南。这点在Q8R中也多次明确提出。 1.1.2医疗器械和POCT 1.1.2.1我国医疗器械的发展现状 《医疗器械监督管理条例》[9]规定，医疗器械是指单独或者组合使用于人体的仪器、设备、器具、材料或者其他物品，包括所需要的软件；其用于人体体表及体内的作用不是用药理学、免疫学或者代谢的手段获得，但是可能有这些手段参与并起一定 的辅助作用；其使用旨在达到下列预期目的： （一）对疾病的预防、诊断、治疗、监护、缓解； （二）对损伤或者残疾的诊断、治疗、监护、缓解、补偿； （三）对解剖或者生理过程的研究、替代、调节； （四）妊娠控制。 我国将医疗器械分为三类[9]，具体分类情况如下： 第一类是指，通过常规管理足以保证其安全性、有效性的医疗器械； 第二类是指，对其安全性、有效性应当加以控制的医疗器械； 第三类是指，植入人体；用于支持、维持生命；对人体具有潜在危险，对其安全性、有效性必须严格控制的医疗器械。 上述分类是根据安全性来分类的，医疗器械使用的风险从低到高次序依次为一类、 二类、三类，因此监管的严格程度也逐级提高，生产第二类、第三类医疗器械应当通 过临床验证。第一类医疗器械由设区的市级食品药品监督管理局审批、发产品注册证。 第二类医疗器械必须由省级食品药品监督管理局审批、发产品注册证。第三类医疗器 械必须由国家食品药品监督局审批、发产品注册证。 尽管“七五”至“九五”期间，国家对医疗器械科技攻关项目投入的总资金即已近3000万元，但由于医疗器械产业整体基础薄弱，销售总额低，大多数企业自身的 研究开发费投入和销售额之比至多也不超过3%。欣慰的是，近十年来随着国家经济实力的增强，有关部门设立的多种类型科研或开发资助项目（如863 计划、国家重点专项、产业化专项、中小企业创业基金等等）中，列入医疗器械相关课题明显增加， 大大增强了支持力度。仅2002至2004年的短短三年中，国家利用国债资金投入30 多个医疗器械项目，其投入总额就达到3 亿元[10]。高比率、高额度研发投入的直接效 果是产品换代周期缩短，创新产品上市加快，同时也催生了一批有较强国际竞争力的 名优企业和一批有自主知识产权的核心产品，如迈瑞的病人监护仪、汕头B超、万东 的中型X射线诊断机、苏州医疗的裂隙灯显微镜、长峰呼吸麻醉机。 但是我国医疗器械产业从总体上来说与美日等国外发达国家相比还有很大差距。中国医疗器械总产值仅占世界的2%左右，而美国占42%左右。不仅表现在总体规模， 在医疗器械核心技术、重大装备研究和发明专利数量方面，我国也有较大差距。大部分企业仍然在创新和研发方面存在着种种问题，企业总体竞争力依然缺乏，大型企业 占全部医疗器械生产企业的比例远远低于发达国家平均水平。国内医疗器械生产企业 12000余家，但年营业额超过1 亿元的仅35-50家[11]。 和药品行业相同的是，医疗器械行业也是高投入、高增长、高回报的产业。然而摆在众多医疗器械厂家的第一道难题便是高投入，以美国为例，美国产品开发平均投 资占销售的3.4%，其中化学工业为3.8%，航空航天为4.1%，计算机为5.4%，而医疗器械高达6.2%[12]。 相当多的企业存在畏难情绪和急功近利的想法，放弃了新产品的开发，另有许多企业未及见到高增长和高回报的光明大道，便倒在了高投入的路上。因此我国的医疗 器械生产企业在开发产品的过程中更迫切需要引入先进的管理思想、方法，保障和提 高产品的质量，确保产品安全有效。为切实高效使用有限的研发经费，提高研发质量， 本文引入QbD原则指导新产品的研发。 1.1.2.2    POCT 随着科学技术的飞速发展，检验医学的医疗器械发展出现两极分化：一方面是各类大型自动化、高效率仪器设备的相继问世，模块式的组合和流水线式的“Automation” 大大提高了临床实验室的工作效率；另一方面是实验仪器小型化、操作简便化、结果报告及时化、准确化，越来越受到临床医护人员、病人及其家属的青睐。 1995 年，在加利福尼亚召开的AACC（美国临床化学协会）年会展览会上辟出一个特殊的展区，专门展示一些可以快捷移动、操作简便、结果准确可靠的技术与设备， 这些新颖的技术和设备带给所有参观者以崭新的概念。POCT产品即契合了上述特点的检验设备。 美国国家临床生化科学院（NACB）将POCT（point-of-caretesting)定义为“在接近受试者处，由未接受临床实验室科学训练的人员或受试者笔者进行的实验检验；它 是在传统的中心实验室以外进行的一切检验”[13]。 随着免疫反应和分子生物技术的引进，POCT的使用更为便捷，检测和应用的范围更为广泛。从最初的检测血糖、妊娠，扩展到监测血凝状态、心肌损伤、酸碱平衡、 感染性疾病和治疗药物浓度监测（TMD）等；使用的场所，从事故现场、家庭，延伸到了病房、门诊、急诊、监护室、手术室甚至海关、社区保健站、私人诊所；应用的领域也已经从临床扩展到食品卫生、环境检测、禁毒、法医。POCT 的真正含义即： 不仅是专业的医护人员，经过简单培训的病人及其家属也能独立完成并能获得有助于 临床诊断的信息的移动检验系统。 据报道，2007年POCT的全球销售额约113亿美元，占到全球检验市场份额的34%，并以每年11%的速度增长[14-15]。我国的市场规模大约为12亿美元，年增长速度约15-20%。国内仅血糖仪一项产品就有数十个品牌，其市场前景可见一斑。由于技术与原材料等方面的原因，我国POCT 产业发展总体上远远落后于发达国家。目前， 注册企业数量少，品种也主要集中在HCG 和“尿十项”、“尿八项”、血糖等常规检测 项目上。2004 年我国自产POCT 产品销售额约9 亿元人民币，其中“尿十项”、血糖 等5 个品种的销售额约8 亿元人民币，占89%[16]。由于缺乏自主知识产权的独创技术， 再加上市场开发不充分，我国居家健康自检产品十分落后，目前仅血糖、骨健康、微营养评价等的十余个品种在市。 POCT 检测仪器满足了临床医护人员、病人及其家属对仪器小型化、操作简便化、 结果报告及时化、准确化的需求。QbD的精髓之一就是指导生产企业在设计阶段就考 虑产品质量和顾客需要，因此希望利用QbD原则指导POCT仪器的研究开发，在满足顾客需求甚至超越顾客需求方面做出更多努力。 1.1.3    层析式胆固醇自测仪的研究背景 随着人们生活水平的不断提高，高脂血症发病率也不断增加。高脂血症是动脉粥样硬化的主要发病因素。临床证实经降脂治疗能使心血管疾病死亡率下降13%。为更 好尽早进行调脂治疗，降低动脉粥样硬化的发生率，血脂的早期诊断和监测具有重要 意义。总胆固醇（简称胆固醇，TC）是血脂中的主要成分之一，因此总胆固醇含量成为重要的监测对象，例如使用脂质调节药他汀类药物Statins 时就要求定时检查胆固醇 总量，以确保治疗的安全、连续、有效。 长期以来，临床上一直采用实验室的大型自动生化分析仪来检测血液中胆固醇的含量，由于经常去医院检测非常不方便，而人们又需要经常监测胆固醇的含量，因此满足POCT 要求的操作简单、测量值精度满足监测需求、体积小的胆固醇快速检测仪 应运而生。 近年Lifestream[17]和Polymertechnologysystems[18]等公司生产出电子式总胆固醇专用监测仪，需配合使用一次性测试条，在测试条的加样区滴加一滴指尖血，几分钟后仪器的屏幕上给出胆固醇总量的检测数值。这类仪器使用比较方便，类似于普遍推 广的血糖仪，此类产品虽然具有快速、便携、用血量小的特点，但其仪器价格高昂、 试纸使用成本高，使用前需要校正，且存在血液污染的危险。美国Accutech[19]和Home AccessHealth[20]两家公司提供一次性非电子式胆固醇测试盒。在测试时需要一或两滴血样，大约15 分钟后，通过读数卡的比对即可读出总胆固醇含量的数值。 国内有关总胆固醇检测仪器或血清总胆固醇的测定方法（包括酶法和比色法等）方面的研究报道非常少。国内尚未见用于POCT 的一次性非电子式胆固醇测试盒或装 置。 1.2    研究内容 在医疗器械行业，为确保医疗器械的安全有效，国际标准化组织ISO/TC210(医疗 器械质量管理和通用要求技术委员会)制定了关于医疗器械行业管理标准ISO13485 《医疗器械质量体系 用于法规的要求》[21]。目前在世界范围内广泛使用的是经过修 订的2003 版，我国已将该标准等同转化为医药行业标准YY/T0287标准。IS013485：2003医疗器械质量管理体系可作为企业进行医疗器械的设计和开发、生产、安装和服 务，以及相关服务的设计、开发和提供的标准，同时也可用于内部和外部(包括认证机构)评定组织满足顾客和法规要求的能力。ISO13485标准的颁布和贯彻实施对规范医疗器械生产企业的质量管理，提升医疗器械生产企业的管理素质、技术素质和整体 实力，促进行业发展起到巨大的推动作用。 ISO13485 标准在世界范围内受到广泛认同，通过此标准的认证表示产品可以得到 医疗工作者和最终用户的信任。欧盟、加拿大、亚洲等众多国家或者正式要求出具符合ISO13485标准的证明，或者在进口许可程序中非正式地要求遵循ISO标准。美国FDA的质量体系标准—即1996 年颁发的21CFR820，它在导言中述及ISO13485 标准和它基本一致[22]。 QbD与现在广泛推广的ISO13485标准并不矛盾。从法规的要求看，ISO13485标准强调满足法规的要求，“保持其有效性”，是医疗器械产品准入市场的基本要求。 QbD目前仅属于指导性原则，非强制性标准。从内容看，QbD是对ISO13485标准内容的加深。ISO13485标准更侧重流程管理，需对每个规定流程的动作进行确认和控制。QbD更强调如何实现产品质量和工艺的可控，那就是从产品研发阶段就考虑顾客 的需要，从设计输入开始就通过设计把质量筑进产品中。 在满足法规要求使用ISO13485标准对医疗器械开发进行管理的基础上，为追求产品卓越和最大程度满足顾客的要求，因此考虑借鉴发展较为成熟的药品行业的管理 方法，前瞻性地尝试将QbD应用在POCT医疗器械研发管理中，提高新产品的研发质量和效率。笔者所在企业刚跨入医疗器械行业，开发POCT 类第一个产品，对产品也仅有模糊的定位（快速、便携、用血量小、价廉），尝试探索QbD指导原则在全新 的领域内，全新的产品上，对研发不同阶段及各个环节设计空间的指导作用。QbD与 现在广泛推广的ISO13485标准并不矛盾，而是加深。ISO13485标准中对医疗器械的设计开发做了详细要求，从设计的多个环节进行管理，这种管理强调过程控制，产品质量和工艺控制的可控性。QbD更强调了如何实现产品质量和工艺的可控，那就是从 产品研发阶段就考虑顾客的需要，从设计输入开始就通过设计把质量筑进产品中。产 品质量管理应该从产品设计开始，而不是从原料药采购，这是对原来产品质量管理认 识的革命性提高。 满足了ISO13485标准的要求只能认为是满足了法规和市场准入的基本要求，对于追求产品卓越和最大程度满足顾客的要求，企业要对自己提出更高的要求。因此考 虑借鉴发展较为成熟的药品行业的管理方法，前瞻性地尝试将QbD应用在POCT医 疗器械研发管理中，提高新产品的研发质量和效率。 笔者所在企业刚跨入医疗器械行业，开发POCT类第一个产品，对产品也仅有模糊的定位（快速、便携、用血量小、价廉），尝试探索QbD指导原则在全新的领域内， 全新的产品上，对研发不同阶段及各个环节设计空间的指导作用。 1.3研究意义 本文探讨了QbD在POCT医疗器械研发管理中的实证研究，是对QbD在医药行业研发管理方法的初步探索，是现代管理理论与医疗器械研发实践相结合的产物。借 鉴了在其他行业应用成熟的QbD原则来指导医疗器械研发实践，对作者所在企业以 及医疗器械行业研发管理具有一定的指导意义。 1.4本论文的研究方法 本文在对QbD指导原则的研究文献进行综合分析的基础上，通过在北京大学学习 期间对国内外制药企业利用QbD原则指导新产品开发的实际运作状况的考察和学习， 总结自身从事新产品开发管理和海内外市场营销管理工作的经验，基于医疗器械新产 品开发项目技术性和经济性评价的特点，运用DoE（试验设计）、RiA（风险评估）和 PAT（过程分析技术）、项目评价方法、逻辑分析方法等定性或定量方法进行新产品设 计开发。本文既包括对QbD指导医疗器械研发管理的研究分析，也包括研发实践的 经验总结。 第二章    层析式总胆固醇自测仪的设计 本文将QbD的指导原则与医疗器械产品的一般开发原则有机结合，并合理运用到 POCT类产品的设计开发中。运用QbD原则指导产品的设计开发，有利于从宏观上把握产品的开发方向及开发内容，从而使产品的每一个模块处于合理的控制中。在QbD指导原则下，层析式总胆固醇自测仪的设计包括检测原理设计和仪器设计两大部分，同时每一部分又可进一步划分。在项目启动时，以鱼骨图为例对产品的设计和 开发过程进行概括，如下图所示： 人员    系统选材    检测模拟 成品验证 原材料 设备 胆固醇 动物血清 人血清    人全血 过滤系统 稳定性 TC 自测仪 方法筛选 定量方法 酶系统 显色系统 性能测试 原理设计    仪器设计 成品测试 图2-1    产品设计和开发的鱼骨图 2.1    检测原理设计 2.1.1    总胆固醇定量分析方法概述 2.1.1.1    酶法测定总胆固醇 人体中2/3胆固醇以酯的形式存在，1/3以游离的形式存在，所以测定胆固醇的第一步是使胆固醇酯在胆固醇酯化酶(CE)的作用下释放出游离的胆固醇，这样才能测出 总的胆固醇含量。游离的胆固醇在胆固醇氧化酶（CO）的作用下生成过氧化氢，生成的过氧化氢在过氧化氢酶(HRP)的作用下跟显色剂反应生成有色物质，根据有色物质在特定波长的吸光度，计算血清中总胆固醇的浓度[23]，其反应过程用反应式见图2-2。其中应用最广的是用Trinder显色反应系统，试剂含过氧化物酶（POD）、4-氨基安替比林(4-AAP)和酚，三者合称PAP。目前国内胆固醇试剂盒广泛采用这种方法。 Cholesterolester    Cholesterolesterase    Cholesterol+fattyAcid Oxygen    Cholesteroloxidase Hydrogenperoxide    +  4-Cholesterone Chromogen    Peroxidase Colourindicator    +  Water 图2-2    酶法测定总胆固醇原理 2.1.1.2    高效液相色谱法测定总胆固醇 血清样品用氢氧化钾醇溶液皂化，将其中的胆固醇提取到正己烷中并衍生为苯甲酸酯，以高效液相色谱仪测定胆固醇的峰面积。由于不同浓度的标准或样品的内标量 相等，故胆固醇色谱峰面积与内标峰面积的比随胆固醇浓度的增高而增高，将样品的 峰面积比与标准的峰面积比比较即得到样品胆固醇浓度。由于使用了有效的色谱分离，能有效地消除血清中其它甾醇的干扰[24]。 图2-3    HPLC测定总胆固醇原理[25] 2.1.1.3    化学显色法测定总胆固醇 1）高铁-硫酸显色法用以丙醇沉淀血清蛋白质，提取上清液中的胆固醇，再用氧化铝吸附胆红素、磷 脂、甘油等干扰物，离心后于上清液中加入高铁-硫酸试剂，反应产物显紫红色，其显色程度与总胆固醇浓度成正比。 胆固醇酯与游离胆固醇在高铁反应显色程度一致，所以可以免去胆固醇酯水解反应，但不能省去抽提与吸附剂去除干扰物的过程[26]。 2）邻苯二甲醛显色法 胆固醇及其酯在硫酸作用下与邻苯二甲醛产生紫红色物质，此物质在550nm 波长 处有最大吸收，可用比色法作总胆固醇的定量测定。胆固醇含量在400mg/dL内，与 OD 值呈良好线性关系。本法不必离心，颜色产物也比较稳定，胆红素及一般溶血对结果影响不大，严重 溶血者才使结果偏高。本法在20℃～37℃条件下显色，显色后5 分钟开始至半小时以 上颜色基本稳定。温度过低，显色剂强度减弱；加混合酸后振摇过激能使产热过高， 也可使显色减弱[27]。 2.1.2    定量分析方法选择 血清胆固醇(CHOL)测定方法种类繁多，化学方法大都用有机溶剂提取血清中的 CHOL，用特殊试剂显色，然后比色测定。主要显色反应有Liebermann-Burchard(L-B) 反应及高铁-硫酸反应等两类。这些方法须用腐蚀性的浓酸试剂，特异性差，干扰因素多，准确测定有赖于从血清中提取胆固醇，并对抽提液进行纯化。因此操作步骤多， 不适于常规应用。美国疾病控制中心(CDC)脂类测定标准化实验室所审定的ALBK法， 由于抽提液中基本上不存在L-B反应的干扰物，结果准确，为目前国际上通用的参考 方法。此法虽然不很复杂，但也不易准确掌握。现在还有少数实验室应用L—B试剂直接显色法、邻苯二甲醛法等，准确性差，已在淘汰之列[23]。 高效液相色谱法测定总胆固醇是中华医学会检验学会血脂测定推荐方法——血清总胆固醇测定参考方法，但由于样品的前处理复杂、且需要大型仪器，不适合用于POCT 的开发。 酶法测定总胆固醇是中华医学会检验学会血脂测定推荐方法——血清总胆固醇测 定推荐方法，血清样本不需要前处理、酶反应的高效性、检测产物为过氧化氢，这都有利用POCT 产品的设计和开发。因此，总胆固醇自测仪采用酶法进行设计和开发。 2.2    仪器设计 2.2.1    仪器原理设计 总胆固醇自测仪应当可以把全血处理后得到血浆。血浆中胆固醇酯经过胆固醇酯酶反应后游离出胆固醇，游离胆固醇在胆固醇氧化酶作用下产生过氧化氢；过氧化氢 应该与显色系统产生显色反应，而且产生一定高度的显色色带。显色高度——总胆固 醇浓度之间应有一定的数量关系，从而检测出总胆固醇的浓度，而且能达到一定准确 度和精密度。 2.2.2    检测系统设计 总胆固醇自测仪应当至少包括三个部分：血液过滤系统、反应系统、载体容器。这三个部分即独立又紧密结合，每个部分的功能必须完全实现，才能保证总胆固醇自 测仪设定功能的实施。 2.2.2.1    过滤系统设计 过滤系统的主要功能是将从血液中分离出血浆，去除血细胞等物质对检测的潜在干扰。根据滴加血液体积的多少，可以尝试不同结构的过滤系统。图2-4所示是血液体积较小时的结构，一般适合20μL以下；图2-5所示是血液体积较大时的结构，一般适合20μL—60μL。当实验需要大量进行血液过滤系统时，在批量生产之前，可以按图2-6用激光快速成型或CNC手板制作少量的血液过滤板，以提高实验效率和尽量保证过滤系统的一致性。 图2-4    过滤系统A 图2-5    过滤系统B 图2-6    过滤系统C 2.2.2.2    反应系统设计 反应系统的功能主要是使血浆与酶进行反应产生过氧化氢，同时使过氧化氢被捕 捉，而与显色剂进行显色反应，并且使显色的高度与总胆固醇的浓度有数量关系。为实现以上功能，反应系统应当至少包括样品接收区、反应控制区、显色系统3 部分。样品接收区和反应控制区可能含有酶，显色区含有显色剂。当血浆的体积不足以虹吸 满所有试纸时，还需要增加一个溶液区或者以外加的方式补充溶液。结合以上功能的 描述和现有的诊断材料，产品选择用层析的方式实现。反应系统的形式如图2-7 所示。 2.2.2.3    载体容器设计 载体容器的功能是容纳过滤系统和反应系统，为它们提供支撑载体，同时需要进 行结构设计，解决两个系统的结合问题。载体容器的实现形式如图2-8所示。 图2-7    反应系统示意图 图2-8    载体容器示意图 2.2.3    检测系统选材 过滤系统、样品吸收区、反应控制区、显色系统的功能是否能实现还决定于材料的选择。近年纸诊断的技术得到了广泛的应用，利用这些技术所开发的层析诊断产品 能做到高灵敏、重复性好和经济化生产，适合在很大范围领域内应用。通过选择合适的材料、生产设备和生产工艺技术，体外诊断（IVD）生产商能生产出符合严格性能标准的诊断产品，所以对这些选择需要格外关注[28]。 2.2.3.1过滤系统选材 过滤系统用于过滤血液中的细胞等干扰物质，使检测反应顺利进行。一般滴入过滤系统的血液总量低于100μL，通常在10－60μL。 为保证得到足够血浆的同时使血浆中含有尽可能少的血细胞，过滤系统的表面可以是一个网格膜，中间是两层薄膜，最底层为多孔渗水的不润湿的塑料筛膜。中间的第一层薄膜相当于粗略过滤，减少进入第二层薄膜的红细胞和白细胞浓度。第二层薄 膜再次充分过滤细胞，减少进入样品接收区的干扰物质。第一层薄膜可以采用玻璃纤 维素、纤维素、人造纤维或他们的复合材料，这些都能用于过滤红细胞。玻璃纤维素滤纸可以选择Whatman、ADVANTEC、MSI或者Pall公司的产品。第二层薄膜孔径在 0.2－7μm，一般为5μm。 2.2.3.2    样品吸收区选材 样品吸收区可以使用纤维层析纸、玻璃纤维素、合成膜等合适的材料。样品接收区的表面积范围为5－50mm2，厚度范围为0.1－2mm，能吸附1－30μL的溶液。样品接收区和载体上的其他定量部分一起控制进入试纸系统反应的血浆量，进而控制反 应中的胆固醇量。 2.2.3.3    反应控制区和显色系统选材 反应控制区、显色系统的材质没有严格要求，应该根据纸条的吸水速率和饱和吸 附量来选择合适的材质，用反应时间来选择纸条的长度。 试纸的选材如下表所列： 表2-1    试纸系统选材表 A 要求 圆形，直径0.5cm，用于过滤膜上层固定和血液分布 网 格 膜 厂家 材质 型号 孔径 （μm） 厚度 （μm） 开口面积 （%） 技术指标 无 塑 料 网 尼龙 － 200－500 150－600 － 颜色：白色表面：光面 聚酯 聚乙烯                   （续上表） 膜 （续上表） Whatm （续上表） 纸 （续上表） 反 应 控 制 纸 厂家 材质 型号 厚度 （mm） 重量 （g/m2 ） 流速 （mm/10min） 水吸附 （mg/cm2 ） 特点 ADVANTEC 薄层色层层析滤纸 50 0.25 140 60 － － 薄层色层层析滤纸 514A 0.32 185 75 － － G 要求 矩形，0.6cm×6.8cm，两边0.1cm锯齿，用于进行活化剂活化后固定显色剂 显 色 纸 厂家 材质 型号 厚度 （mm） 重量 （g/m2） 流速 （mm/10min） 水吸附 （mg/cm2） 特点 Whatman 色谱层析纸 3MM 0.34 － 43.3 31 － 色谱层析纸 31ET chr 0.50 192 75 40 流速特别快，厚 而表面柔软，主 要用于大分子 电泳 ADVANTEC 色谱层析纸 51A 0.34 － 75 23 用于电泳分离 相对大的分子 薄层色层层析滤纸 526 0.70 325 110 60 －                           第三章    层析式总胆固醇自测仪的开发 总胆固醇自测仪的设计基本确定后，实验开发正式启动。总胆固醇自测仪项目是 一个进行POCT 血相检测领域的新尝试，新成立的项目小组对血相检测经验不足。因 此，项目开发从溶液体系模拟检测切入，检测对象依次设定为过氧化氢——胆固醇 ——胆固醇酯——动物血清——人血清的过程。溶液体系模拟检测参考目前已非常成 熟的市售总胆固醇试剂盒，选择广泛采用而原料易得的4-AAP和苯酚作用显色体系。当溶液体系模拟检测达到要求的准确度和精密度后，开发可以转入层析检测阶段。以 下是溶液体系模拟检测和层析检测中4 个阶段的举例。 3.1    总胆固醇的酶法模拟检测 3.1.1过氧化氢的测定 3.1.1.1    仪器 紫外分光光度计、5mL移液管、5mL离心管、200μL微量注射器、37℃恒温水浴 锅。 3.1.1.2    试剂 试剂A    0.05mol/LpH7.0    磷酸钾缓冲液（KPB）2L 61.5 mL1mol/LK2HPO4  溶液与38.5mL1mol/LKH2PO4  溶液混合，用蒸馏水稀释 至2L。 表3-1    试剂A成分表 成分 用量 溶液A各组分浓度 4－氨基－安替比林 28.45mg 1.4mmol/L 苯酚 65.88mg 7mmol/L       试剂B    显色剂 100mL苯酚-4-氨基-安替比林溶液配制如下表，称量后溶于KPB溶液。由于溶液 A中含有苯酚，苯酚易氧化成粉红色的醌类化合物，对测定有一定的干扰，所以A应 现用现配。 溶液C    HRP溶液 量取上述溶液A50mL，加HRP300U （300U/175U/mg=1.71mg），HRP酶活浓 度为：6U / mL。 溶液D    0.03%H2O2 市售的H2O2 是30%（V/V）的水溶液，其摩尔浓度为8.8 mol /L。本实验将30% 的H2O2稀释1000倍，得到工作液0.03%H2O2，其摩尔浓度为：8.8mmol / L，即8.8μmol/mL。将过氧化氢溶液稀释成0.011、0.022、0.033、0.044、0.055、0.066、