制药行业质量控制的未来：数字化、自动化和在线测试

虽然大多数先进技术目前已经存在，但几乎没有制药公司看到它们的任何益处。一方面，质量领导者往往很难为技术变革确立一个明确的业务案例，这使得他们难以说服高级管理层，实验室数字化或自动化可以产生重大影响。

另一方面，制药公司很少制定清晰的实验室长期发展战略和蓝图，因此会做一些代价高昂且效益不明显的投资。例如，许多公司已经采取措施，首先通过简化纸质记录，尽量减少条目的数量，然后将实验室测试记录数字化，进而实现无纸化。如今，这些举措正在被智能联网设备所取代，这些设备能够直接转录数千个数据点，而无需任何手动数据转录，也无需任何审查。 

为了抓住新兴技术进步所带来的机会，制药公司应制定明确的目标，为不同阶段的投资确立健全的业务案例，并进行新技术的快速试点，然后迅速扩大试点规模，从而产生有意义的结果。

为了在未来取得成功，制药公司还需要有长期战略投资的远见，包括研发新测试方法，以及随着技术的快速发展而灵活调整发展计划。 

制药实验室未来发展的三个方向

多种数字化和自动化技术为制药实验室的变革创造了机会。大多数制药实验室尚未实现数字化转型，但实验室可以瞄准未来技术发展的三个方向之一。

采用新技术的制药实验室将会向数字化、自动化和分布式方向发展。数字化实验室实现了至少80％的无纸化操作。这些实验室从手工数据转录，过渡到设备与通用实验室信息管理系统（GLIMS）之间的自动数据转录。 

数字化实验室使用先进的实时数据分析和持续的流程验证来跟踪趋势，防止偏差或超出规范，并优化调度。他们使用智能眼镜等数字工具，将标准操作程序转换为操作流程的逐步可视化指导，并且创建了实验室的数字双平台，以便在进行物理变化之前预测影响。

通过达到数字化实验室的水平，普通化学质量控制实验室可以将成本降低25％至45％。普通微生物实验室的潜在节省范围将在15％至35％之间。而生产率的提高主要来自以下两方面：

• 减少高达80％的手动文档工作 

• 规划及调度的自动化和优化，改善了人员、设备和材料的利用率 

通过减少手工操作的错误率和基于数据的根本原因分析，实验室的调查研究工作量可以减少90％。数字化实验室还可以通过减少错误和可变性，以及无缝数据检索和分析，获得合规性改进的好处。此外，生产效率和调度灵活性的提高，可以将实验室交付时间减少10%到20%。 

不久前，一家大型全球制药公司转型为意大利灯塔工厂内的数字化实验室，该公司在利用模块化和可伸缩的数字双平台实现高级调度优化后，其实验室生产率提高了30%以上。该公司还使用高级分析将偏差减少了80％，完全消除了重复出现的偏差，并将偏差关闭速度提高了90％。 

在选择和定制技术解决方案以创建数字化实验室方面，制药公司有很多选择。除了定制双数字平台和高级分析平台之外，其他解决方案还包括物联网平台（如ThingWorx）、实验室日程安排软件（如Bookitlab或Smart-QC），以及供应商（如郁金香）的可视化操作程序数字助理等，它们可以进行实时监测。

自动化实验室使用机器人、协作机器人或更具体的高级自动化技术来执行所有可重复的任务，如样品制作和交付。在自动化实验室阶段，一些大容量测试（例如微生物检测和无菌水）是在线进行的，而不是在物理实验室中进行。

自动化实验室还可以使用预测性维护技术来规划不常见的任务，例如大型设备的维护，这些任务可以由实验室分析人员在远程专家支持下执行。

虽然完全实现数字化不是先决条件，但自动化实验室可以在数字化的基础上进行构建，从而实现更大的价值和更高的成本节约。自动化微实验室可以使实验室内的成本降低10％到25％，同时还可以在实验室外节省相同的成本。化学实验室如果进行类似的改进，其节省的成本有可能比数字化实验室高10％到20％。 

而这些实验室之所以能够提高生产率，主要源于以下几点：80％的取样和样品交付任务的自动化、50％的样品制备任务自动化，以及通过远程监控和故障预防降低了设备维护成本。

自动化还减少了实验室外所执行的采样和相关物流任务，这相当于为微型实验室节省了25%的成本，为化学实验室节省了8%的成本。

实验室进行自动化改造，制药公司还可以获得超出效率的额外好处。设备内置的远程监控和预测维护功能将减少停机时间，进而使公司减少对昂贵设备的使用，如色谱、近红外光谱仪和隔离器。通过将即时微生物检测应用到环境监测中，企业可以将实验室的总体交付周期缩短40％至75％。 

在医疗保健和研究实验室或制造操作中已经存在的技术，可以以一种相对直接的方式应用于制药实验室，从而实现实验室的自动化发展。目前能够提供此类解决方案的供应商有Aethon、MICROMO（样品分配系统）、BioVigilant、Colifast（在线微生物测试系统）、Metrohm、Sotax（自动样品制备）、Milliflex、Light Guide Systems（可视化指导优化工作流程）和Scope（辅助维护）。

分布式质量控制颠覆了传统质量控制方式。在分布式质量控制实验室，几乎所有的常规产品测试都将在生产线上进行，从而实现实时发布测试（RTRT）。分布式QC设备和机器人具有人工智能功能。在分布式QC场景中，实验室持续进行专业和稳定性测试，这种测试可以在非现场的集中地点进行。 

由于监管备案和批准要求，采用过程分析技术（PAT）和RTRT相对较慢。为了能够在未来顺利过渡到在线测试，运营部门需要与研发部门合作，制定最佳的质量控制和归档策略，尤其是针对新产品和生产基地。

分布式QC实验室主要通过大幅减少传统实验室的占地面积和成本，来提高价值。由于研发投资要求，以及对设备和运营变更的需求，具有稳定或下降量的现有站点不太可能在短期甚至中期内，为分布式QC提供令人信服的商业案例。 

与此同时，那些快速增长或正在建设中的实验室，如果可以在线进行大量常规测试，则可以通过减少资本支出来建立或扩大传统质量控制实验室，从而获得巨大价值。分布式QC和实时发布也将实现真正的连续制造流程。

例如，Biogen计划在其位于瑞士索洛图恩附近的新工厂中，使用分布式QC实时发布和异常检查方法。当2019年开始投产时，Solothurn工厂将通过筛选和系谱实现原材料控制，使用快速识别和电子数据交换，进行最小化测试。

通过在线仪器控制的生物反应器过程将消除对过程控制取样的需要。新设施将具有自适应过程控制杠杆、配方实验室执行，以及来自所有设备的自动数据转录，所有这些都基于对原材料、流程和产品特性的深刻理解。集成控制系统允许员工查看数据，并实时做出反应。 

随着制药公司开始探索构建分布式QC实验室的方法，它们可能从相邻领域引入相关技术。例如，Perceptive Engineering的PharmaMV平台和西门子的Sipat平台可以提供实现参数发布所需的高级过程控制。

同时，来自Arago和IBM等公司的人工智能系统可以让制药公司实现任务自动化，这些任务以往都是由训练有素的专业员工来执行。 

影响制药实验室成功转型和获取价值的典型因素

随着制药实验室的发展，他们将面临与实施IT和自动化解决方案相关的巨大成本。即使是昂贵的解决方案也可以带来强劲的投资回报率（ROI），但不幸的是，许多公司都难以从这些数字升级中获取价值。 

这些公司通常会遇到以下一个或多个阻碍：

1.一些特定实验室没有一个清晰的转型目标。虽然大多数实验室可以为数字化启用的范围提供可靠的业务案例，但并非所有实验室都有足够的数量和操作设置来证明自动化和分布式QC的合理性。

例如，对一个可能每年节省成本不到20万美元的小型实验室进行自动化改造，可能很难证明投资是合理的，而同样的投资对于一个具有大量环境监测的大型无菌设备来说，可能很快就会产生积极的投资回报率（ROI）。 

2.没有令人信服的商业案例进行转型。许多公司在没有清楚地了解IT和自动化解决方案能够产生的全部好处的情况下，就开始实施成本高昂的IT系统。这通常会导致延迟执行和推广部分解决方案。

例如，实验室可能会将单个模块转移到无纸化系统，但其他模块仍需要大量的手动工作，才能将数据从一个系统移动到另一个系统。这就要求分析人员在将数据手动输入实验室信息管理系统（LIMS）之前，必须将测试结果记录到纸质日志中。这个手动输入步骤，妨碍他们从自动化文档中获取应该获得的全部成本。

3.只以经过全面测试的端到端未来状态为目标，而没有持续测试并快速扩展高价值解决方案，进而快速获取价值。

例如，即使实验室尚未完全实现无纸化和数字化，也可以快速进行调度自动化和优化，并开始产生重要价值。

4.对新系统和技术的推出缺乏适当的规划或管理。在极端情况下，制药公司可能需要花费数年时间和超过1亿美元来实施LIMS。鉴于如此漫长的时间框架和快节奏的技术变革，在LIMS功能于整个网络中铺开之前，它们中的一些功能可能就已经过时了。

制药公司需要成熟的资源来加速产品的上市，并应避免在每个站点进行过度定制。一项糟糕的推广计划可能会花费五到十倍的时间，并且比有长期规划的良好的推广计划，多花费三到五倍的时间。 

5.没有完全意识到他们获得的这些系统的能力。制药公司可以购买LIMS等系统，以遵守数据完整性法规，但并不真正了解或考虑过该系统在提高生产率方面的潜力。

6.只追求自动化，却不在意调度的优化。调度自动化可以节省2％到3％的QC成本，但自动化加上动态调度优化可以带来3到4倍的价值。

7.由于意识到需要验证所有系统和技术，而缩手缩脚。许多影响很大的更改，例如优化调度和数据启用的偏差分析，不需要验证和重新归档。 

8.缺少从数据中提取全部价值的技能组合。大多数典型的制药实验室不具备从数据源获得最大价值所需的高级分析功能。因此，实验室会收集数据，但这些数据并没有被正确地用来产生能够预防问题或减少测试量的洞察力。

9.在制定强有力的变革管理计划上，花费的时间和精力太少。数字化转型需要从根本上改变思维方式，并对必须培养新技能和能力的组织和个体员工产生重大影响。要取得成功，公司必须进行前期投资，从而在改变文化、赢得整个企业的支持以及在业务和IT职能之间建立强有力的联系。 

制药实验室想要转型，需要做到这几件事

好消息是目前存在的大多数技术，可以实现工业4.0 时代QC实验室在三个发展层面中的任何一个目标。本文提到的许多技术其实已经在制药环境中有所部署，一些成功的试点项目已经完成，其他项目还在审批阶段。 

为了成功实施工业4.0时代的新兴技术，制药公司需要设立正确的目标并迅速采取行动。以下是他们目前要做的几件事：

• 快速测试几个用例和技术，以找到适合各种实验室类型的最佳用例和技术。 

• 创建灯塔工厂QC实验室，展示融合这些创新技术的潜在好处。

• 找出哪些创新工具可以产生最大的直接影响，然后在多个站点快速地推广它们。

  不要为了试图建立一个功能齐全的实验室，而采用各种可能的技术，最后让自己陷入困境。其实，许多用例（例如调度优化）可以在其他元素（例如无纸化实验室）到位之前实现。

• 尽早为实验室建立清晰的目标和业务案例。

  在此过程中跟踪价值捕获，并将节省下来的资金用于下一次技术升级。对化学实验室和微型实验室进行单独评估很重要，因为基准成本和改进的影响可能会有很大差异。 

• 在规划和建立新实验室，以满足实验室开放后立即抢占数字转型升级的需要时，瞄准商业案例所证明的最高价值范围。

• 尽早开始建立人才基础和技能框架。

  清楚地了解未来的能力需求，培训高潜力员工，并在早期阶段雇用具有新技能（例如高级数据分析）的员工，从而更快地扩大规模。

现代技术可以使QC更快、更灵活、更可靠、更兼容、更高效。通过设定适当的目标，选择合适的技术并快速扩展，制药公司可以成为质量控制领导者，并以速度、合规性、成本节约和生产率提高的形式获得回报。