综述：生物大分子和生物颗粒色谱技术的进展（2019-2024年）：重点关注材料科学与工业应用

《Journal of Chromatography A》：Advances in Chromatography for Biomacromolecules and Bioparticles (2019-2024): Focus on Materials and Industrial Applications

生物大分子分离纯化技术2019-2024年发展综述：色谱技术从通用平台转向智能化、专业化工具，重点突破新型分离材料（如MOFs/COFs、智能聚合物、膜纤维吸附剂）和AI辅助配体设计，推动mRNA疫苗、AAV、外泌体等新兴疗法的规模化生产与绿色工艺发展。

　　

薛润云|黄玉硕|丁学琴

上海大学生命科学学院，中国上海200444

摘要

色谱技术是生物大分子和生物颗粒下游分离与纯化的核心技术。近年来，随着基因治疗和核酸药物等新型生物治疗模式的出现，色谱技术正从一个通用平台向专业化和智能化工具发生深刻转变。本文系统总结了2019年至2024年间该领域的关键进展，主要围绕两个相互促进的主题展开。首先，在材料与设计创新方面，为满足抗体、病毒载体和核酸等复杂目标的分离需求，不断开发出新的色谱基质，包括多孔晶体材料、智能聚合物以及对流主导的膜和纤维吸附剂。同时，基于人工智能的理性配体设计逐渐取代了传统的经验筛选方法，显著提高了分离的选择性和效率。其次，在工业应用和工艺强化方面，针对mRNA疫苗、腺相关病毒（AAV）和细胞外囊泡等新兴治疗模式的定制化色谱纯化策略成为研究热点。连续色谱和一次性系统等创新工艺不仅提高了生产效率，还促进了下游过程的可持续性。展望未来，色谱技术将进一步向智能化、平台化和绿色化方向发展，并通过数据科学与材料工程的深度融合，巩固其在生物制药领域中的核心地位，为下一代生物制品的研发和生产提供高效、可靠和可持续的纯化解决方案。

引言

下游纯化是生物制药制造中的关键步骤，占总生产成本的70%以上[1]。随着治疗模式从单克隆抗体（mAb）扩展到mRNA疫苗、病毒载体和细胞治疗产品等新兴领域，生物制品的分子复杂性和多样性给下游色谱技术带来了前所未有的挑战。这些技术不仅需要极高的选择性以去除结构相似的杂质（如宿主细胞蛋白和空病毒衣壳），还需要在大规模生产过程中保持产品的活性和完整性，同时还需应对效率、成本和可持续性方面的压力[2,3]。

在此背景下，色谱技术在过去五年（2019-2024年）经历了深刻变革，从一个通用平台发展为专业化和智能化的精密工具。这一变革的主要驱动力来自两个方向的深度融合：一方面是材料科学的创新，如可控合成的多孔晶体框架（MOFs/COFs）、刺激响应性聚合物的设计以及对流主导的膜和纤维吸附剂的应用，这些创新为分离过程提供了全新的作用机制和性能边界[[4], [5], [6], [7], [8], [9]]；另一方面是数据和人工智能的进步，从理性配体设计和工艺建模到实时过程分析，使得色谱技术的发展从经验性的试错方法转向了可预测和可优化的新范式[[10], [11], [12]]。

本文旨在系统回顾这一关键转型时期的最新进展，重点关注两个相互关联的主题：一是生物大分子（包括蛋白质、核酸和病毒颗粒）的创新色谱材料及理性设计策略；二是针对mRNA、腺相关病毒（AAV）和细胞外囊泡（EVs）等下一代治疗产品的高效、可扩展的色谱纯化平台和绿色工艺路线。我们对2019年至2024年文献的分析显示，“色谱材料和配体设计创新”（约43%）和“工艺强化与工业应用”（约24%）是研究热点，这与图1a的趋势一致。关键词数据进一步表明，虽然“mAb”仍是核心主题，但“疫苗”和“EVs”等新兴领域正迅速崛起（见图1b）。

本文首先探讨材料创新和设计策略，然后深入分析其在应对新兴治疗模式相关纯化挑战中的应用，并展望智能化和可持续发展的未来方向（见图2）。我们希望本文不仅能为研究人员提供关于先进色谱技术的系统参考，也能为面临日益复杂分离挑战的生物工艺开发者提供新的视角和潜在解决方案。

章节摘录

用于生物大分子的创新色谱材料和理性设计

色谱效率从根本上取决于固定相与目标分析物之间的特异性分子识别。对于结构复杂、不稳定的生物大分子（如蛋白质、核酸和病毒载体），传统的通用色谱树脂在选择性、载量能力、传质效率或生物相容性方面存在局限性[13,14]。本节重点介绍创新的材料系统和设计范式。

针对新兴生物治疗产品的色谱纯化策略和工艺强化

基因治疗、核酸治疗和细胞治疗的快速发展给下游纯化带来了新的挑战[2,114]。mRNA、AAV和细胞外囊泡等新兴治疗模式在分子大小、结构复杂性、稳定性和杂质特征方面与传统重组蛋白有显著差异，这些特性要求色谱技术在不影响产品效果的前提下实现高分辨率的选择性。

未来展望与挑战

过去五年中，色谱技术的快速发展使其从一个通用分离工具演变为生物制药制造的核心平台。未来，这一演变将不仅仅由单一的材料或工艺创新推动，而是由跨学科的深度整合、数据智能的广泛应用以及可持续性原则的深度融合所驱动。

结论

本文总结了2019年至2024年间色谱技术在生物大分子和生物颗粒分离与纯化方面的变革，标志着从通用分离向精准分离、高效率和可持续性的转变。这一演变主要得益于两个核心驱动因素：先进材料（如MOFs/COFs、刺激响应性凝胶和膜/纤维吸附剂）和数据智能，其中人工智能和建模技术指导了理性配体的设计。

作者贡献声明

薛润云：撰写初稿、研究、数据分析、数据管理。黄玉硕：撰写初稿、研究、数据分析、数据管理。丁学琴：审稿与编辑、验证、监督、资源协调、项目管理、资金争取、概念构思。

利益冲突声明

作者声明没有利益冲突。

致谢

作者感谢上海市科学技术委员会科技创新计划（项目编号24142200500）、湖南省自然科学基金（项目编号2024JJ5252）和湖南省教育厅科学研究基金（项目编号23B0071）的财政支持。