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2018 年度 実績報告書

医薬品製造を対象とする革新的プロセス設計手法の開発とツール実装

研究課題

研究課題/領域番号 17H04964
研究機関東京大学

研究代表者

杉山 弘和  東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 准教授 (70701340)

研究期間 (年度) 2017-04-01 – 2021-03-31
キーワード医薬品製造 / バイオ医薬品 / 注射剤 / プロセス設計 / モデル化 / 感度解析 / シングルユース / 多目的意思決定
研究実績の概要

H30年度も前年度より引き続きバイオ医薬品注射剤の製造プロセス(薬液調製・ろ過滅菌・充填・検査)を対象に研究を進め、成果を得た。メインとして取り組んだのは「シングルユース・マルチユースを選択肢とするプロセス設計手法の開発」である。シングルユース技術は、樹脂製の使い捨て装置技術であり、ステンレス製装置を洗浄滅菌して使う従来のマルチユース技術に替わるものとして位置づけられている。前年度までの研究で、品目数や需要量が与えられたときに、充填工程について選択すべき技術を出力するモデルを構築した。本年度は、需要や生産パターン、さらにはプロセス入力値の変化に対して、出力結果がどのように変化するかを追う感度解析を実施した。その結果、各技術の適した領域のマッピングや、感度の高い入力パラメータを得ることができた。
次年度以降予定しているツール実装に関しても予備的検討を開始した。既に論文発表したアルゴリズムをソフトウェア化するにあたり、産業の専門家からソフトへの要求事項を抽出した。その結果、Web上で動くオンラインソフトとしてまとめることが適切との結論を得た。既に論文公開しているアルゴリズムについてソフトを作成し、プロトタイプ版を学会発表した。
この他、「連続・バッチ生産技術の選択支援」「データ駆動型プロセス改善」「ヒトiPS細胞の充填・凍結プロセス設計」のようなテーマについて、数理モデル化や手法構築について成果を得た。一部は、次年度のツール実装に取り込む予定である。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

本研究課題はおおむね順調に推移している。その理由として以下の点があげられる。
(1)当初の計画通りにバイオ医薬品、とりわけ注射剤の製造に焦点を当て、オリジナリティの高いプロセスモデルが構築できたこと。「シングルユース・マルチユースを選択肢とするプロセス設計手法の開発」では、前年度までに構築したモデルに対して感度解析・不確実性分析を実施し、信頼性を高めることができた。
(2)学会発表・論文発表等の成果が得られていること。H30年度は原著論文8報、査読付きプロシーディングス6報、総合解説5報、国際学会発表13件(うちキーノート1件、招待講演1件)、国内学会発表8件、国内招待講演6件の成果を得た。原著論文については現在投稿中のものが複数ある。
(3)ツール実装に向けた環境を整備できたこと。「シングルユース・マルチユースの選択」については、ツールの要件抽出、計算機環境の整備、プロトタイプ作成までが完了した。次年度以降、不足点を補いつつ、実装に向けて動き出すことができる。さらに、「連続・バッチ生産技術の選択支援」のようなテーマについても、同様にツール実装に進めることができる。

今後の研究の推進方策

4年間の全研究期間では以下の3つを遂行項目として設定した。項目A. 要件定義:設計手法がカバーすべき設計段階と、各段階の目的関数、制約条件を定める。項目B. 数理モデル構築:医薬品の固有性を含む単位操作・評価・意思決定の数理モデルを構築する。項目C.体系化とツール実装:新しい設計業務を定義し、設計用プロセスシミュレータを開発する。
今後の推進方策としては、項目Bを引き続き進めつつ、項目Cに展開する。項目Bについては、これまで取り組んできたバイオ医薬品製造に加えて、本年度から低分子医薬品やiPS細胞についても検討する。特に取り組みたい新テーマの一つに、iPS細胞の保存のための充填・凍結・解凍プロセスがある。これまで、物理現象を考慮した理論的モデルを構築してきたが、実験データを検証に用いることで、モデルの信頼性向上を図る。実験を行う研究室と協力関係を構築しており、必要データを取得する環境は整っている。また、研究のマルチスケールな展開、具体的には、分子・細胞を対象とするミクロレベルの分析から、「医療とコスト」のような社会的側面を検討するマクロレベルの分析を同時に行えるような発展を考える。そのため、経済性や品質に加えて、供給安定や環境影響のような多目的評価を実施するための方法も検討する。
項目Cについては、オンラインソフトウェア化に挑戦する。「シングルユース・マルチユースの選択」「連続・バッチ生産技術の選択支援」については、不足点を補いつつ、実装に向けて動き出す。本年度はプログラミングの専門家に依頼して実用に耐えられるレベルに発展させる。設計業務のモデル化について検討する。例えば、フローチャートやアクティビティモデル記述手法のようなシステム的手法を用いながら、構築した単位操作・評価モデルを用いた設計の道筋を定義し、プロセス設計のあるべき姿の提案を試みる。

  • 研究成果

    (50件)

すべて 2019 2018 その他

すべて 国際共同研究 (2件) 雑誌論文 (19件) (うち国際共著 5件、 査読あり 14件、 オープンアクセス 2件) 学会発表 (27件) (うち国際学会 13件、 招待講演 8件) 備考 (1件) 産業財産権 (1件)

  • [国際共同研究] エジンバラ大学(英国)

    • 国名
      英国
    • 外国機関名
      エジンバラ大学
  • [国際共同研究] ロシュ(スイス)

    • 国名
      スイス
    • 外国機関名
      ロシュ
  • [雑誌論文] Multiobjective decision-support tools for the choice between single-use and multi-use technologies in sterile filling of biopharmaceuticals2019

    • 著者名/発表者名
      Shirahata Haruku、Hirao Masahiko、Sugiyama Hirokazu
    • 雑誌名

      Computers & Chemical Engineering

      巻: 122 ページ: 114~128

    • DOI

      DOI: 10.1016/j.compchemeng.2018.06.001

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Data mining algorithm for pre-processing biopharmaceutical drug product manufacturing records2019

    • 著者名/発表者名
      Casola Gioele、Siegmund Christian、Mattern Markus、Sugiyama Hirokazu
    • 雑誌名

      Computers & Chemical Engineering

      巻: 124 ページ: 253~269

    • DOI

      DOI: 10.1016/j.compchemeng.2018.12.001

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Alternative generation and multiobjective evaluation using a design framework: Case study on sterile filling processes of biopharmaceuticals2019

    • 著者名/発表者名
      Shirahata Haruku、Badr Sara、Dakessian Shant、Sugiyama Hirokazu
    • 雑誌名

      Computers & Chemical Engineering

      巻: 123 ページ: 286~299

    • DOI

      DOI: 10.1016/j.compchemeng.2018.12.019

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Relevance of regulatory constraints in designing pharmaceutical manufacturing processes: A case study on waste solvent recovery2019

    • 著者名/発表者名
      Sugiyama Hirokazu、Morikawa Yusuke、Matsuura Mai、Xu Menghe
    • 雑誌名

      Sustainable Production and Consumption

      巻: 17 ページ: 136~147

    • DOI

      DOI: 10.1016/j.spc.2018.09.003

    • 査読あり
  • [雑誌論文] A large-scale experimental comparison of batch and continuous technologies in pharmaceutical tablet manufacturing using ethenzamide2019

    • 著者名/発表者名
      Matsunami Kensaku、Nagato Takuya、Hasegawa Koji、Sugiyama Hirokazu
    • 雑誌名

      International Journal of Pharmaceutics

      巻: 559 ページ: 210~219

    • DOI

      DOI: 10.1016/j.ijpharm.2019.01.028

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Pharma PSE Spotlight 第7回: バイオ医薬品無菌充填におけるシングルユース・マルチユース技術の多目的選択支援ツール2019

    • 著者名/発表者名
      白畑 春来, 杉山 弘和
    • 雑誌名

      Pharm Tech Japan

      巻: 35 ページ: 377~383

  • [雑誌論文] Design-oriented regression models for H 2 O 2 decontamination processes in sterile drug product manufacturing considering rapidity and sterility2018

    • 著者名/発表者名
      Yabuta Keisho、Futamura Haruka、Kawasaki Koji、Hirao Masahiko、Sugiyama Hirokazu
    • 雑誌名

      International Journal of Pharmaceutics

      巻: 548 ページ: 466~473

    • DOI

      DOI: 10.1016/j.ijpharm.2018.06.055

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Decision Support Method for the Choice between Batch and Continuous Technologies in Solid Drug Product Manufacturing2018

    • 著者名/発表者名
      Matsunami Kensaku、Miyano Takuya、Arai Hiroaki、Nakagawa Hiroshi、Hirao Masahiko、Sugiyama Hirokazu
    • 雑誌名

      Industrial & Engineering Chemistry Research

      巻: 57 ページ: 9798~9809

    • DOI

      DOI: 10.1021/acs.iecr.7b05230

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Approach for Multicriteria Equipment Redesign in Sterile Manufacturing of Biopharmaceuticals2018

    • 著者名/発表者名
      Zeberli Anicia、Casola Gioele、Badr Sara、Siegmund Christian、Mattern Markus、Sugiyama Hirokazu
    • 雑誌名

      Journal of Pharmaceutical Innovation

      巻: in press ページ: in press

    • DOI

      DOI: 10.1007/s12247-018-9355-8

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Models for Designing Hydrogen Peroxide Decontamination Processes in Sterile Drug Product Manufacturing2018

    • 著者名/発表者名
      Yabuta Keisho、Futamura Haruka、Kawasaki Koji、Hirao Masahiko、Sugiyama Hirokazu
    • 雑誌名

      Computer Aided Process Engineering

      巻: 43 ページ: 1613~1618

    • DOI

      DOI: 10.1016/B978-0-444-64235-6.50281-3

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Industrial Scale Experiments towards the Development of Process Evaluation Models for Continuous Pharmaceutical Tablet Manufacturing2018

    • 著者名/発表者名
      Matsunami Kensaku、Nagato Takuya、Hasegawa Koji、Hirao Masahiko、Sugiyama Hirokazu
    • 雑誌名

      Computer Aided Process Engineering

      巻: 43 ページ: 1655~1660

    • DOI

      DOI: 10.1016/B978-0-444-64235-6.50288-6

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Multilayer and Multiobjective Design Platform for Drug Product Manufacturing Processes of Biopharmaceuticals2018

    • 著者名/発表者名
      Shirahata Haruku、Dakessian Shant、Hirao Masahiko、Sugiyama Hirokazu
    • 雑誌名

      Computer Aided Process Engineering

      巻: 44 ページ: 301~306

    • DOI

      DOI: 10.1016/B978-0-444-64241-7.50045-8

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Quantitative Analysis on the Relevance of Regulatory Constraints in Designing Pharmaceutical Manufacturing Processes2018

    • 著者名/発表者名
      Sugiyama Hirokazu、Morikawa Yusuke、Matsuura Mai、Xu Menghe
    • 雑誌名

      Computer Aided Process Engineering

      巻: 44 ページ: 2119~2124

    • DOI

      DOI: 10.1016/B978-0-444-64241-7.50348-7

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Economic Evaluation of Batch and Continuous Manufacturing Technologies for Solid Drug Products during Clinical Development2018

    • 著者名/発表者名
      Matsunami Kensaku、Tanabe Shuichi、Nakagawa Hiroshi、Hirao Masahiko、Sugiyama Hirokazu
    • 雑誌名

      Computer Aided Process Engineering

      巻: 44 ページ: 2131~2136

    • DOI

      DOI: 10.1016/B978-0-444-64241-7.50350-5

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Data mining-based algorithm for pre-processing biopharmaceutical manufacturing records2018

    • 著者名/発表者名
      Casola Gioele、Siegmund Christian、Mattern Markus、Sugiyama Hirokazu
    • 雑誌名

      Computer Aided Process Engineering

      巻: 44 ページ: 2263~2268

    • DOI

      DOI: 10.1016/B978-0-444-64241-7.50372-4

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Pharma PSE Spotlight 第4回: 注射剤製造における賦形剤使用プロセスの多目的設計手法2018

    • 著者名/発表者名
      杉山 弘和
    • 雑誌名

      Pharm Tech Japan

      巻: 34 ページ: 300~304

  • [雑誌論文] Pharma PSE Spotlight 第5回: 無菌製剤製造における収率向上のためのプロセスモデル2018

    • 著者名/発表者名
      藪田 啓奨, 杉山 弘和
    • 雑誌名

      Pharm Tech Japan

      巻: 34 ページ: 1329~1334

  • [雑誌論文] 製剤と粒子設計: 意思決定の切り口からみた製剤の連続生産2018

    • 著者名/発表者名
      杉山 弘和, 松並 研作
    • 雑誌名

      Pharm Tech Japan

      巻: 34 ページ: 2261~2265

  • [雑誌論文] Pharma PSE Spotlight 第6回: 過酸化水素除染プロセスの多目的設計に向けた統計モデル2018

    • 著者名/発表者名
      藪田 啓奨, 杉山 弘和
    • 雑誌名

      Pharm Tech Japan

      巻: 34 ページ: 2941~2946

  • [学会発表] Holistic and model-based design of oral drug manufacturing processes considering uncertainty in clinical development2019

    • 著者名/発表者名
      Kensaku Matsunami, Hirokazu Sugiyama
    • 学会等名
      The 8th International Symposium on Design, Operation, and Control of Chemical Processes (PSE Asia 2019)
    • 国際学会
  • [学会発表] Model-based determination of lot-size in pharmaceutical injectable manufacturing2019

    • 著者名/発表者名
      Masahiro Yamada, Sara Badr, Shouko Fukuda, Manabu Nakaya, Yasuyuki Yoshioka, Masahiko Hirao, Hirokazu Sugiyama
    • 学会等名
      The 8th International Symposium on Design, Operation, and Control of Chemical Processes (PSE Asia 2019)
    • 国際学会
  • [学会発表] Roles of process systems engineering in the design and operation of pharmaceutical manufacturing processes2019

    • 著者名/発表者名
      Hirokazu Sugiyama
    • 学会等名
      The 8th International Symposium on Design, Operation, and Control of Chemical Processes (PSE Asia 2019)
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 連続生産を考慮した固形製剤製造プロセスの経済性評価2019

    • 著者名/発表者名
      松並 研作, 田邉 修一, 柳沼 啓太, 杉山 弘和
    • 学会等名
      化学工学会 第84年会
  • [学会発表] バイオ医薬品注射剤製造における装置技術選択のためのオンライン支援ツール2019

    • 著者名/発表者名
      白畑 春来, 新納 裕樹, 萩森 秀太, Badr Sara, 杉山 弘和
    • 学会等名
      化学工学会 第84年会
  • [学会発表] Industrial scale experiments towards the development of process evaluation models for continuous pharmaceutical tablet manufacturing2018

    • 著者名/発表者名
      Kensaku Matsunami, Takuya Nagato, Koji Hasegawa, Masahiko Hirao, Hirokazu Sugiyama
    • 学会等名
      28th European Symposium on Computer Aided Process Engineering (ESCAPE-28)
    • 国際学会
  • [学会発表] Models for designing hydrogen peroxide decontamination processes in sterile drug product manufacturing2018

    • 著者名/発表者名
      Keisho Yabuta, Haruka Futamura, Koji Kawasaki, Masahiko Hirao, Hirokazu Sugiyama
    • 学会等名
      28th European Symposium on Computer Aided Process Engineering (ESCAPE-28)
    • 国際学会
  • [学会発表] Data mining-based algorithm for pre-processing biopharmaceutical manufacturing records2018

    • 著者名/発表者名
      Gioele Casola, Christian Siegmund, Markus Mattern, Hirokazu Sugiyama
    • 学会等名
      13th International Symposium on Process Systems Engineering (PSE 2018)
    • 国際学会
  • [学会発表] Quantitative analysis on the relevance of regulatory constraints in designing pharmaceutical manufacturing processes2018

    • 著者名/発表者名
      Hirokazu Sugiyama, Yusuke Morikawa, Mai Matsuura, Menghe Xu
    • 学会等名
      13th International Symposium on Process Systems Engineering (PSE 2018)
    • 国際学会
  • [学会発表] Economic evaluation of batch and continuous manufacturing technologies for solid drug products during clinical development2018

    • 著者名/発表者名
      Kensaku Matsunami, Shuichi Tanabe, Hiroshi Nakagawa, Masahiko Hirao, Hirokazu Sugiyama
    • 学会等名
      13th International Symposium on Process Systems Engineering (PSE 2018)
    • 国際学会
  • [学会発表] Multilayer and multiobjective design platform for drug product manufacturing processes of biopharmaceuticals2018

    • 著者名/発表者名
      Haruku Shirahata, Shant Dakessian, Masahiko Hirao, Hirokazu Sugiyama
    • 学会等名
      13th International Symposium on Process Systems Engineering (PSE 2018)
    • 国際学会
  • [学会発表] Data-driven real-time operation support for decontamination processes in biopharmaceutical drug product manufacturing2018

    • 著者名/発表者名
      Anicia Zeberli, Sara Badr, Christian Siegmund, Markus Mattern, Hirokazu Sugiyama
    • 学会等名
      2018 AIChE Annual Meeting
    • 国際学会
  • [学会発表] Multi-stage and multi-objective design tool for process design in sterile filling of biopharmaceuticals2018

    • 著者名/発表者名
      Haruku Shirahata, Philipp Zuercher, Sara Badr, Hirokazu Sugiyama
    • 学会等名
      2018 AIChE Annual Meeting
    • 国際学会
  • [学会発表] Process modelling, simulation and optimisation for continuous biopharmaceutical manufacturing2018

    • 著者名/発表者名
      Samir Diab, Haruku Shirahata, Hirokazu Sugiyama, Dimitrios I. Gerogiorgis
    • 学会等名
      2018 AIChE Annual Meeting
    • 国際学会
  • [学会発表] プロセス情報の統合利用による注射剤製造のロットサイズ決定2018

    • 著者名/発表者名
      山田 真弘, Badr Sara, 福田 咲香, 中家 学, 吉岡 泰之, 平尾 雅彦, 杉山 弘和
    • 学会等名
      化学工学会 第50回秋季大会
  • [学会発表] 実験計画法に基づく錠剤連続製造のプロセス評価モデル2018

    • 著者名/発表者名
      松並 研作, 長門 琢也, 長谷川 浩司, 平尾 雅彦, 杉山 弘和
    • 学会等名
      化学工学会 第50回秋季大会
  • [学会発表] Framework for data-driven process improvement and operations support in biopharmaceutical drug product manufacturing2018

    • 著者名/発表者名
      Casola Gioele, Siegmund Christian, Mattern Markus, Sugiyama Hirokazu
    • 学会等名
      化学工学会 第50回秋季大会
  • [学会発表] Data-driven predictive monitoring and operation support for decontamination processes in biopharmaceutical manufacturing2018

    • 著者名/発表者名
      Zeberli Anicia, Badr Sara, Siegmund Christian, Mattern Markus, Sugiyama Hirokazu
    • 学会等名
      化学工学会 第50回秋季大会
  • [学会発表] バイオ医薬品注射剤製造におけるシングルユース・マルチユース技術の選択支援モデル2018

    • 著者名/発表者名
      杉山 弘和, 白畑 春来, Zuercher Philipp, Badr Sara
    • 学会等名
      化学工学会 第50回秋季大会
  • [学会発表] バイオ医薬品製造における技術選択のオンライン支援ツール2018

    • 著者名/発表者名
      白畑春来, 新納裕樹, 萩森秀太, Rizki Darmawan, Sara Badr, 杉山弘和
    • 学会等名
      MATLAB EXPO 2018 Japan
  • [学会発表] バイオ医薬品の製造プロセス設計における意思決定支援2018

    • 著者名/発表者名
      杉山 弘和
    • 学会等名
      化学工学会関東支部 バイオプロセス講演・見学会
    • 招待講演
  • [学会発表] 医薬品製造におけるシステムズ・アプローチの役割2018

    • 著者名/発表者名
      杉山 弘和
    • 学会等名
      医療薬学フォーラム2018・第26回クリニカルファーマシーシンポジウム
    • 招待講演
  • [学会発表] 医薬品製造のためのプロセスシステム工学2018

    • 著者名/発表者名
      杉山 弘和
    • 学会等名
      第7回医薬品製造に関する技術動向を考える会
    • 招待講演
  • [学会発表] バイオ医薬品の製造プロセス設計における意思決定支援-品質と効率の両立-2018

    • 著者名/発表者名
      杉山 弘和
    • 学会等名
      国立医薬品食品衛生研究所特別講演会
    • 招待講演
  • [学会発表] 製薬プロセスシステム工学の最近の進捗2018

    • 著者名/発表者名
      杉山 弘和
    • 学会等名
      大阪大学細胞製造コトづくり講座
    • 招待講演
  • [学会発表] 意思決定の切り口から見た連続生産2018

    • 著者名/発表者名
      杉山 弘和
    • 学会等名
      ISPE日本本部 第17回冬季大会
    • 招待講演
  • [学会発表] Process systems engineering for pharmaceutical manufacturing2018

    • 著者名/発表者名
      Hirokazu Sugiyama
    • 学会等名
      KIChE-SCEJ Joint Symposium
    • 国際学会 / 招待講演
  • [備考] 平尾・杉山研究室

    • URL

      http://www.pse.t.u-tokyo.ac.jp/index.html

  • [産業財産権] 情報提供装置及びプログラム2018

    • 発明者名
      杉山 弘和, 白畑 春来, ツルヒャー フィリップ サミュエル
    • 権利者名
      杉山 弘和, 白畑 春来, ツルヒャー フィリップ サミュエル
    • 産業財産権種類
      特許
    • 産業財産権番号
      特願2018-163033

URL: 

公開日: 2019-12-27  

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