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有效规避HPLC使用过程中的问题

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--HPLC仪器的生命周期风险评估
2017-03-06 09:57
来源:实验与分析
Paul Smith R.D.McDowall
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  对高效液相色谱(HPLC)仪的生命周期进行风险评估的真正意义是什么?如何帮助用户解决操作色谱仪过程中遇到的问题,从而使其在性能认证(PQ)过程中被发现或在操作认证(OQ)过程中避免?本文会一一说明并助您探寻PQ与OQ在生命周期设计认证(DQ)阶段所起的作用。

  GxP法规实验室必须对色谱仪进行认证,通常,应用4Q模型认证方法。4Q模型通常由四个相关联阶段构成:设计认证(DQ)、安装认证(IQ)、操作认证(OQ)及性能认证(PQ)。首先,可应用4Q模型对高效液相色谱仪(HPLC)生命周期风险评估进行讨论。第一步便是针对液相色谱在操作认证阶段(OQ)出现的问题进行风险评估。

  风险管理与评估已逐渐成为制药领域专业术语,它们对监管机构和制药行业到底意味着什么?从监管机构角度出发,行业必须进行风险评估以控制某项活动及过程中最关键部分,并努力降低风险,将稀有资源放置于最需要之处并确定风险管理改进。

  从可能使HPLC操作性出现问题功能说起(如图1所示),液相色谱仪由四个模块组成:泵、进样器(自动进样器)、柱温箱及检测器。由于,实验员的目的是考察液相色谱仪认证而非方法性能认证,图中省略了色谱柱,每个模块下方列出了可能发生的主要错误。

  上表中显示数字对应的各种错误的讨论如下:

  1. 流速变化将影响色谱峰保留时间的精确度,明显的流速或梯度错误可能使色谱峰超出预期保留窗口之外。

  2. 交叉污染仅能在系统适用性测试中包含空白进样时被检测到(参见关于精益西格玛与科学合理 SST 的讨论)。

  3. 柱温箱温度的变化将导致色谱结果或保留时间的改变。

  4. 检测器响应值要如何变化才能被“检测到”?

  5. 灯能量检测是否作为 SST 重点关注内容以外的 PQ 的一部分。

  6. 需要利用空白进样或色谱图中的适当峰面积确定信噪比。

  7. 这取决于仪器本身及其使用方式。如今,许多仪器在开机时均采用氘发射谱线进行波长诊断测试。

  8. 如果灯能量低于某一特定水平,某些仪器可能会发出警告。

  9. 需要进行检测器灯能量的手动检查。

  如果实验室中仪器不具备某些特定功能,某些问题可能不会发生,例如,等度泵将不会产生梯度错误。在已列举出主要错误后,需要考虑的是这些错误可能在OQ或PQ中被检测到(如表1所示)。

  PQ分为三个方面:系统适用性测试(SST)、检测问题仪器及额外SST组。

  何为仪器性能认证?由于我们讨论的重点在于仪器生命周期操作阶段,同样需要考虑PQ。目前,USP中某项歧义涉及到OQ及PQ,尤其是它们应该包含哪些内容以及由谁对其负责。历史上,Questions of Quality于2008年被首次实施前所采用的是1987年美国食品药品管理局(FDA)过程认证指南,并将其应用于分析仪器认证。该指南得到实验室及服务供应商不同方式的诠释,如表1下方列出信息所示:执行活动本身远比活动执行所处阶段重要以及如果仪器进行了大修或改造,应该重复进行相关OQ及PQ测试。因此,在该种情况下,OQ及PQ可互换,但USP仍提供以下OQ及PQ定义:

  操作认证是证明仪器在特定环境中能够依据其操作性能指标正常运行所必需的一系列书面活动。性能认证是证明仪器能够依据用户定义的性能指标持续稳定运行,并能适用于预期用途所必需的一系列书面活动。OQ和PQ的确具有完全不同的功能。OQ与标准化条件下的仪器测试相关。因此,可相对于DQ确认仪器在实验室中的正确操作,而PQ则针对重复进行OQ之间的仪器在实际使用条件下的适用性。

  表一中显示数字对应的各种错误讨论如下:1.流速变化将影响色谱峰保留时间的精确度,明显的流速或梯度错误可能使色谱峰超出预期保留窗口之外。2.交叉污染仅能在系统适用性测试中包含空白进样时被检测到。3.柱温箱温度的变化将导致色谱结果及保留时间改变。4.检测器响应值要如何变化才能被“检测到”。5.灯能量检测是否作为SST重点关注内容以外的PQ的一部分。6.需要利用空白进样或色谱图中的适当峰面积确定信噪比。7.这取决于仪器本身及其使用方式。如今,许多仪器在开机时均采用氘发射谱线进行波 长诊断测试。8.如果灯能量低于某一特定水平,某些仪器可能会发出警告。9.需要进行检测器灯能量的手动检查。

图1 HPLC仪器各模块可能出现的错误

  仪器认证生命周期通常被描述或默认为一种线性模型,特别在USP中,该内容被列于一张表格中,然而要全面了解4Q模型,最好将前三个阶段以V模型表示,如图2所示。在该简化的V模型中,更容易看出4Q各阶段之间的关系。OQ证实了USP OQ的定义中概括出的性能指标,其中,假定执行OQ的任何人均了解DQ的内容,或DQ已被记录这一事实。

  同时,对于管理DQ仍有持续的动态需求。这在一定程度上取决于DQ的定义方式(例如,如果将非常具体的药典要求或章节作为参考,那么药典每次更新时,该仪器的DQ都需要进行重新审核)。相反,在支持DQ的流程中满足任何高级法规认证要求,并且将DQ需求限定在仪器用途内是更有效的措施。

  该图还强调:在仪器进行重要升级或采用以前没有涉及的新方法时,都需要对DQ进行审查 以确保仪器的适用性。如果没有此反馈回路,将会存在仪器无法适用于新应用的风险。另外,由于DQ和OQ之间存在联系,该图还着重表明OQ中是否需要包含不同的设定点以测试使用范围。根据所讨论的风险,OQ能够涵盖:新仪器的认证,在某确定时间段之后对现有仪器的重新认证,通常与预防性维护服务联系在一起;由于进行升级或开展超出现有范围的新应用而需要扩展已认证仪器的操作范围;已认证仪器的大幅移动,附带风险评估中对于OQ 测试的书面判定结果。OQ用于证明该仪器在固定时间点处依据DQ中的性能指标进行操作,从而证明其符合预期用途。此时,需要重申USP中陈述,即,常规分析测试中不包含OQ测试。

  让我们再次回到OQ及PQ讨论。在仪器生命周期中需要对OQ及PQ的不同角色进行持续满足与支持,而实现这一目标具有多种选择。由USP中关于HPLC仪器的内容总结出PQ测试应:定义PQ测试的用户性能指标,以证明仪器可实现预期应用的无故障运行。

  通常以实验室中的仪器应用为基础,基于良好的科学性,并反映出仪器的一般用途。同时,分析测试样品(SST)以证明该仪器的适用性。DQ及PQ之间存在直接关系,因为后者需要证明正在进行的仪器操作与前者的预期用途要求基本一致。OQ相对于PQ的不确定性之一在于需要确定仪器生命周期中应执行性能认证频率以及触发认证要求的原因。在缺乏(USP、GAMP或其他标准中的)“黑白指南”的情况下,HPLC系统通常需要每年进行一次重新认证,从而将仪器维护与认证工作联系在一起。此种关联使得用户认为仪器在维护过程中修正了从前未能检测到的错误,但也因为该项错误在维护中得到修正。因此,后续认证测试中将不再对其进行评估或检测。

  在某些情况下,特别是实验室将“校准”一词用作认证工作描述性标签时,上述问题使得“as-found”测定成为讨论的主题。该问题是本文的关键,是出于对仪器如何发生错误以及该错误能否得到检测考虑,但在进行近一步考虑之前,监管实验室需要了解需要执行的计划性维护工作并明确执行内容。多数HPLC维护工作都与使用耗损相关。因而,维护程序对泵密封垫等某些消耗性部件的更换进行了规定,所更换的其他任何部件(如,经过目测的泵柱塞杆)均列于服务报告中。

  固件升级必须在安装前经过预先批准,同时,利用从制造商或服务代理机构获得的信息进行风险评估,以确定重新认证的级别及程度。此外,预防性维护(PM)报告应包含PM过程中进行的任何测试以及对所有测试故障的描述,而实验室则应根据这些信息采取措施。

  典型的测试可能包括泄漏测试或温度测试,但这取决于仪器制造商或服务供应商。相关人员应始终确保计划性维护或仪器维修中所执行的操作在停止前得到完整记录及了解充分。

  在此基础上,PM活动应在错误被检出之前对其进行修正,以减小其所带来的风险。因此,请求对HPLC系统如此复杂的仪器进行调整前测试毫无意义。执行的工作内容、测试内容以及得到的结果均显而易见。

  实际上,实现全面检查只有一种方法,就是先进行预PMOQ,然后进行PM,最后再进行后PMOQ,而这并非最明智的做法!进行分析时,每次进样需要花费30分钟,系统适用性测试包括5次标准品重复进样及一次空白进样:GMP法规及药典中哪里明确规定需要空白?没有任何一处有规定。结果以取消此空白进样而告终,因此,节省了重要的30分钟,这的确值得庆贺,但读过法规的人都知道,US GMP要求所有行为都应科学合理;USP则要求PQ测试基于良好的科学性,空白进样可确定基线的平直度及噪音水平,以及是否存在来自自动进样器的交叉污染(见表1)。实验员可省略空白进样,但如果在分析样品前能够发现问题,将会为今后的实验室调查节省更多时间——前提是SST中包含空白样品。

  在重新设计流程前了解任务取消后将面临的风险至关重要,需要对一次进样中节省的30分钟与运行后寻找指明原因的实验室调查所耗费的时间进行权衡。需要考虑的类似情况还包括是否需要采用经过批准且特征明确的对照样品。

图2 以V形式表示的4Q模型

  对于精益实验室来说,色谱方法中不包括标准品作为分析对照样品。色谱是一种比较型分析技术,做出的选择及降低的风险都直接关系到自身利益。仪器持续性能的评估SST专为满足USP等药典的要求而设计,并在记录色谱系统性能方面发挥着分析运行层面的关键作用。自然演进则是要考虑SST如何支持不断发展的PQ需求(在初始PQ之后使仪器进入操作阶段)。之前对该方面的考虑确定了需要将额外测试添加到USP中常规定义测试中。

  虽然要求并未改变,但对仪器可能出现错误的方式拥有了更多不同的考虑角度。这可能是一个相当痛苦的过程,某些错误可能无法在精益后实验室中得到及时检测。本文的核心问题是——仪器出现错误的可能方式以及实验室是否能够检测出该类错误。实际上,此举意味着实验室必须根据目前包括在色谱方法中的SST(例如,在他们每个分析方法中定义的SST)审核表1所示的信息(仪器出现错误的可能方式)。该基本方法的核心力量之一便是它驱使实验室管理的思想远离精益方向。

  特别是处于FDA等监管机构以舞弊的方式考察数据完整性的时代下,该方法更应从科学合理性及数据完整性两个方面予以考虑。 该思维过程有助于实验室确定其监管防线上可能存在的缺口。因此,代替仅处于理论层面的单纯思考:用“如果……会怎样”反映真实情况:“发生该种情况对性能的潜在影响是什么?应怎样在审计中作出应对?”

  表1中OQ栏显示:OQ应设计用于评估与检测所有该类潜在的高级错误模式,然而,在实际操作中,这些错误模式可能无法得到检测。这在一定程度上取决于实验室使用仪器的方式(例如,仪器开启时应利用特征明确的灯发射谱线启动波长诊断检查,那么仪器关闭再打开后也是如此吗?)而通过保留时间差异等条件可能检测到其他一些问题(例如,流速及温度)。取决于实验室中色谱方法实践(例如,正式制定与峰识别窗口有关的可接受标准)。最终,对SST的持续监测(包括:确定有助于检测表1列出错误模式的附加要求)都必须集成到控制CDS软件中,以便能够以半自动方式执行并受影响。接下来,SST数据的定期审核将能够符合FDA指南草案对于方法验证的要求,在某种程度上与软件所要求的定期审核相似。开发该方法的另一项优势是提供可用于支持附加法规认证决策的风险框架,例如,从基于每年固定要求的维护或认证转为基于用途的认证模式。该优势已成功应用于实验室之外领域。因为,基于方法的风险评估框架已考虑到错误模式以及潜在错误的可检测性。另外,还需要注意待分析样品以便实现对色谱性能的评价,因为,最新的FDA指南希望避免采用进样作为“重复测试直到满足要求”手段。因此,所有工作均需要包含在书面规程中,同时,产生的数据均应接受审核。

  当检测到仪器故障时,这台仪器必须停止工作(以免被其他分析人员使用),并启动相应实验室规程考察仪器故障对之前分析结果产生的潜在影响。通常,仪器在修好后必须执行适当级别的重新认证,之后方可重新投入使用。取决于仪器的服务合同,小修可由实验室人员进行(如,更换密封垫、单向阀或灯),而大修则要由服务代理机构执行。

  无论维修工作由谁完成,重要的是维修后以及仪器重新投入使用之前的重新认证需要采用一致的方法。实验室完成的小修可能与服务代理机构完成的大修具有不同的审批流程,因此存在潜在风险,而不一致始终是设计过程中重点关注方面。无论实验室还是服务代理机构,文档中的认证测试模型都应经过核准,明确并列出所进行的仪器维修以及色谱所需 的重新认证工作。更换泵密封垫之后原本仅需要进行泵流速测试,但如果未能达到以上要求,原则上需要实验室进行全部仪器的重新认证。如果执行了重新认证测试模型(本质上用于对认证工作进行预先批准)中没有详细说明的维修工作,服务代理机构必须同意与用户共同进行重新LCGC Europe 2015年2月Questions of Quality认证。

  对于大修来说,从决策制定与工作流程角度进行全面重新认证可能会更有效。讨论、同意并证明是否缺少所耗费时间可能会延长仪器停机时间。操作认证较早提出OQ的定义,作者认为该定义不需要修改。OQ阶段提供测试仪器性能和预期用途的受控方式(例如,需要涵盖预期使用范围的“设定点”)。对于温度及流速等测试,可采用经过适当校准设备对这些参数进行计量测试,而其他测试包括使用参比物质,从而更能体现出其整体性质。通常采用适 当的参比物质进行波长评估,例如:咖啡因或氧化钬的高氯酸溶液。这意味着能够被评估的波长取决于适当参比物质的可用性,会给必须在低于咖啡因205 nm色谱峰5 nm的200 nm下操作检测器的用户带来问题。

  此处,需要对供应商或服务供应商能够记录的某一条内容给出理由。OQ测试标准条件下的仪器功能性操作应与可使用操作范围相匹配。进样精密度等一些测试包括在OQ、PQ和持续仪器性能评估(SST)中。此处,需要分辨一项重要区别,进样精密度及交叉污染等一些测试具有应用特异性。OQ中所应用的限值与OQ中用于测定这些值的标准化方法相关,而所采用的与分析方法相关的进样精密度限值则能够在与药典要求相关的PQ以及持续SST中得到最佳评估。在进行PQ时,采用的色谱方法应与实验室中采用的方法及应用相关。该效应也将在DQ中得以反馈。了解到OQ及PQ在仪器用途中明确的不同作用对于良好的法规认证实践以及稳定的仪器防御至关重要。使用的参比物质应可追溯并能适用于预期用途——应具有适用性的书面证明;当仪器中设置了新方法时,应自动触发对DQ与OQ关联的审核以决定是否需要不同的设定点。

  将生命周期流程表示为改良的V模型更清晰说明4Q模型各阶段之间的关系,并使此概念更便于理解。特别是实验室在DQ阶段定义仪器的用途,并在OQ阶段采用可能与仪器制造过程及型号无关的标准化方法进行测试。操作方法及范围规定了需要考虑的设定点,以便OQ 能够测试使用范围。因此,如果方法发生了改变或增加,将成为审核当前DQ与OQ联系的 自动触发条件。

  新方法中波长、温度及流速的任何改变都将触及OQ中标准化认证测试设定点升级。因此,OQ并非处于静态,而是为满足实验室不断变化的OQ需求而进行动态配置。需要构建相应协议批准流程来支持动态性更强的响应方法。

  涉及仪器故障如何得到检测及需要避免的风险评估细节必须依照真实SST和实验室当前使用的工作实践在实验室中执行。表面看来此方法似乎徒劳无功。然而,该项工作一经完成后基于风险模型的持续管理将容易许多。同时,由于未检测仪器出现故障的可能性大大降低。因此,在证明仪器故障对于结果的潜在影响以及降低风险两个方面都具有建立实验室中更坚固法规认证防线的优势。最终,通过扩大USP中规定的SST范围,SST可用作证明仪器持续一致性(PQ)的依据,而并非用于测试法规认证。

  本文作者Paul Smith系安捷伦科技公司的全球战略性法规认证项目经理。Bob McDowall系R.D.McDowall有限责任公司(Bromley,Kent,UK)主管与LCGC欧洲编委会成员。

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