製藥行業質量控制的未來：數字化、自動化和線上測試
編者按：
在工業4.0時代，新興技術的特點從連通性轉變到了高階分析、機器人和自動化，未來5到10年內，新興技術有可能徹底改變製藥實驗室的每一個元素。
第一個成功轉型的QC實驗室，其生產率提高了30％到40％，並且，全面的改進使其總體質量控制成本至少降低了50％。數字化和自動化可以通過減少手工錯誤和可變性，來確保更好的質量和合規性，並能夠更快、更有效地解決問題。
案例顯示，數字化和自動化使偏差減少了65％以上，偏差結束時間縮短了90％以上。而預防重大合規問題本身，就可以節省數百萬美元的成本。此外，提高靈活性和縮短測試時間可以將QC實驗室的交付週期縮短60％到70％，最終實現實時釋出。
那麼，製藥實驗室要想成為QC領域領導者，需要做些什麼呢？
近日，全球管理諮詢公司麥肯錫釋出了一篇名為《數字化、自動化和線上測試：製藥行業質量控制的未來》的報告。該報告指出，雖然大多數先進技術目前已經存在，但幾乎沒有製藥公司看到它們的任何益處。為了抓住新興技術進步所帶來的機會，製藥公司應該迅速行動起來，利用新技術進行變革，才能成為行業領導者。
以下是動脈網（微訊號：vcbeat）記者整理編譯的報告內容，主要包括以下幾方面：
一、實驗室未來發展的三個方向
二、影響製藥實驗室成功轉型和獲取價值的典型因素
三、製藥實驗室要想實現轉型，需要做些什麼
雖然大多數先進技術目前已經存在，但幾乎沒有製藥公司看到它們的任何益處。一方面，質量領導者往往很難為技術變革確立一個明確的業務案例，這使得他們難以說服高階管理層，實驗室數字化或自動化可以產生重大影響。
另一方面，製藥公司很少制定清晰的實驗室長期發展戰略和藍圖，因此會做一些代價高昂且效益不明顯的投資。例如，許多公司已經採取措施，首先通過簡化紙質記錄，儘量減少條目的數量，然後將實驗室測試記錄數字化，進而實現無紙化。如今，這些舉措正在被智慧聯網裝置所取代，這些裝置能夠直接轉錄數千個數據點，而無需任何手動資料轉錄，也無需任何審查。
為了抓住新興技術進步所帶來的機會，製藥公司應制定明確的目標，為不同階段的投資確立健全的業務案例，並進行新技術的快速試點，然後迅速擴大試點規模，從而產生有意義的結果。
為了在未來取得成功，製藥公司還需要有長期戰略投資的遠見，包括研發新測試方法，以及隨著技術的快速發展而靈活調整發展計劃。
製藥實驗室未來發展的三個方向
多種數字化和自動化技術為製藥實驗室的變革創造了機會。大多數製藥實驗室尚未實現數字化轉型，但實驗室可以瞄準未來技術發展的三個方向之一。
採用新技術的製藥實驗室將會向數字化、自動化和分散式 方向發展。數字化實驗室實現了至少80％的無紙化操作。這些實驗室從手工資料轉錄，過渡到裝置與通用實驗室資訊管理系統（GLIMS）之間的自動資料轉錄。
數字化實驗室使用先進的實時資料分析和持續的流程驗證來跟蹤趨勢，防止偏差或超出規範，並優化排程。他們使用智慧眼鏡等數字工具，將標準操作程式轉換為操作流程的逐步視覺化指導，並且建立了實驗室的數字雙平臺，以便在進行物理變化之前預測影響。
通過達到數字化實驗室的水平，普通化學質量控制實驗室可以將成本降低25％至45％。普通微生物實驗室的潛在節省範圍將在15％至35％之間。而生產率的提高主要來自以下兩方面：
1.減少高達80％的手動文件工作
2.規劃及排程的自動化和優化，改善了人員、裝置和材料的利用率
通過減少手工操作的錯誤率和基於資料的根本原因分析，實驗室的調查研究工作量可以減少90％。數字化實驗室還可以通過減少錯誤和可變性，以及無縫資料檢索和分析，獲得合規性改進的好處。此外，生產效率和排程靈活性的提高，可以將實驗室交付時間減少10%到20%。
不久前，一家大型全球製藥公司轉型為義大利燈塔工廠內的數字化實驗室，該公司在利用模組化和可伸縮的數字雙平臺實現高階排程優化後，其實驗室生產率提高了30%以上。該公司還使用高階分析將偏差減少了80％，完全消除了重複出現的偏差，並將偏差關閉速度提高了90％。
在選擇和定製技術解決方案以建立數字化實驗室方面，製藥公司有很多選擇。除了定製雙數字平臺和高階分析平臺之外，其他解決方案還包括物聯網平臺（如ThingWorx）、實驗室日程安排軟體（如Bookitlab或Smart-QC），以及供應商（如鬱金香）的視覺化操作程式數字助理等，它們可以進行實時監測。
自動化實驗室使用機器人、協作機器人或更具體的高階自動化技術來執行所有可重複的任務，如樣品製作和交付。在自動化實驗室階段，一些大容量測試（例如微生物檢測和無菌水）是線上進行的，而不是在物理實驗室中進行。自動化實驗室還可以使用預測性維護技術來規劃不常見的任務，例如大型裝置的維護，這些任務可以由實驗室分析人員在遠端專家支援下執行。
雖然完全實現數字化不是先決條件，但自動化實驗室可以在數字化的基礎上進行構建，從而實現更大的價值和更高的成本節約。自動化微實驗室可以使實驗室內的成本降低10％到25％，同時還可以在實驗室外節省相同的成本。化學實驗室如果進行類似的改進，其節省的成本有可能比數字化實驗室高10％到20％。
而這些實驗室之所以能夠提高生產率，主要源於以下幾點：80％的取樣和樣品交付任務的自動化、50％的樣品製備任務自動化，以及通過遠端監控和故障預防降低了裝置維護成本。
自動化還減少了實驗室外所執行的取樣和相關物流任務，這相當於為微型實驗室節省了25%的成本，為化學實驗室節省了8%的成本。
實驗室進行自動化改造，製藥公司還可以獲得超出效率的額外好處。裝置內建的遠端監控和預測維護功能將減少停機時間，進而使公司減少對昂貴裝置的使用，如色譜、近紅外光譜儀和隔離器。通過將即時微生物檢測應用到環境監測中，企業可以將實驗室的總體交付週期縮短40％至75％。
在醫療保健和研究實驗室或製造操作中已經存在的技術，可以以一種相對直接的方式應用於製藥實驗室，從而實現實驗室的自動化發展。目前能夠提供此類解決方案的供應商有Aethon、MICROMO（樣品分配系統）、BioVigilant、Colifast（線上微生物測試系統）、Metrohm、Sotax（自動樣品製備）、Milliflex、Light Guide Systems（視覺化指導優化工作流程）和Scope（輔助維護）。
分散式質量控制顛覆了傳統質量控制方式。在分散式質量控制實驗室，幾乎所有的常規產品測試都將在生產線上進行，從而實現實時釋出測試（RTRT）。分散式QC裝置和機器人具有人工智慧功能。在分散式QC場景中，實驗室持續進行專業和穩定性測試，這種測試可以在非現場的集中地點進行。
由於監管備案和批准要求，採用過程分析技術（PAT）和RTRT相對較慢。為了能夠在未來順利過渡到線上測試，運營部門需要與研發部門合作，制定最佳的質量控制和歸檔策略，尤其是針對新產品和生產基地。
分散式QC實驗室主要通過大幅減少傳統實驗室的佔地面積和成本，來提高價值。由於研發投資要求，以及對裝置和運營變更的需求，具有穩定或下降量的現有站點不太可能在短期甚至中期內，為分散式QC提供令人信服的商業案例。
與此同時，那些快速增長或正在建設中的實驗室，如果可以線上進行大量常規測試，則可以通過減少資本支出來建立或擴大傳統質量控制實驗室，從而獲得巨大價值。分散式QC和實時釋出也將實現真正的連續製造流程（圖表2）。
例如，Biogen計劃在其位於瑞士索洛圖恩附近的新工廠中，使用分散式QC實時釋出和異常檢查方法。當2019年開始投產時，Solothurn工廠將通過篩選和系譜實現原材料控制，使用快速識別和電子資料交換，進行最小化測試。
通過線上儀器控制的生物反應器過程將消除對過程控制取樣的需要。新設施將具有自適應過程控制槓桿、配方實驗室執行，以及來自所有裝置的自動資料轉錄，所有這些都基於對原材料、流程和產品特性的深刻理解。整合控制系統允許員工檢視資料，並實時做出反應。
隨著製藥公司開始探索構建分散式QC實驗室的方法，它們可能從相鄰領域引入相關技術。例如，Perceptive Engineering的PharmaMV平臺和西門子的Sipat平臺可以提供實現引數釋出所需的高階過程控制。同時，來自Arago和IBM等公司的人工智慧系統可以讓製藥公司實現任務自動化，這些任務以往都是由訓練有素的專業員工來執行。
影響製藥實驗室成功轉型和獲取價值的典型因素
隨著製藥實驗室的發展，他們將面臨與實施IT和自動化解決方案相關的巨大成本。即使是昂貴的解決方案也可以帶來強勁的投資回報率（ROI），但不幸的是，許多公司都難以從這些數字升級中獲取價值。
這些公司通常會遇到以下一個或多個阻礙：
1.一些特定實驗室沒有一個清晰的轉型目標。雖然大多數實驗室可以為數字化啟用的範圍提供可靠的業務案例，但並非所有實驗室都有足夠的數量和操作設定來證明自動化和分散式QC的合理性。
例如，對一個可能每年節省成本不到20萬美元的小型實驗室進行自動化改造，可能很難證明投資是合理的，而同樣的投資對於一個具有大量環境監測的大型無菌裝置來說，可能很快就會產生積極的投資回報率（ROI）。
2.沒有令人信服的商業案例進行轉型。許多公司在沒有清楚地瞭解IT和自動化解決方案能夠產生的全部好處的情況下，就開始實施成本高昂的IT系統。這通常會導致延遲執行和推广部分解決方案。
例如，實驗室可能會將單個模組轉移到無紙化系統，但其他模組仍需要大量的手動工作，才能將資料從一個系統移動到另一個系統。這就要求分析人員在將資料手動輸入實驗室資訊管理系統（LIMS）之前，必須將測試結果記錄到紙質日誌中。這個手動輸入步驟，妨礙他們從自動化文件中獲取應該獲得的全部成本。
3.只以經過全面測試的端到端未來狀態為目標，而沒有持續測試並快速擴充套件高價值解決方案，進而快速獲取價值。
例如，即使實驗室尚未完全實現無紙化和數字化，也可以快速進行排程自動化和優化，並開始產生重要價值。
4.對新系統和技術的推出缺乏適當的規劃或管理。在極端情況下，製藥公司可能需要花費數年時間和超過1億美元來實施LIMS。鑑於如此漫長的時間框架和快節奏的技術變革，在LIMS功能於整個網路中鋪開之前，它們中的一些功能可能就已經過時了。
製藥公司需要成熟的資源來加速產品的上市，並應避免在每個站點進行過度定製。一項糟糕的推廣計劃可能會花費五到十倍的時間，並且比有長期規劃的良好的推廣計劃，多花費三到五倍的時間。
5.沒有完全意識到他們獲得的這些系統的能力。製藥公司可以購買LIMS等系統，以遵守資料完整性法規，但並不真正瞭解或考慮過該系統在提高生產率方面的潛力。
6.只追求自動化，卻不在意排程的優化。排程自動化可以節省2％到3％的QC成本，但自動化加上動態排程優化可以帶來3到4倍的價值。
7.由於意識到需要驗證所有系統和技術，而縮手縮腳。許多影響很大的更改，例如優化排程和資料啟用的偏差分析，不需要驗證和重新歸檔。
8.缺少從資料中提取全部價值的技能組合。大多數典型的製藥實驗室不具備從資料來源獲得最大價值所需的高階分析功能。因此，實驗室會收集資料，但這些資料並沒有被正確地用來產生能夠預防問題或減少測試量的洞察力。
9.在制定強有力的變革管理計劃上，花費的時間和精力太少。數字化轉型需要從根本上改變思維方式，並對必須培養新技能和能力的組織和個體員工產生重大影響。要取得成功，公司必須進行前期投資，從而在改變文化、贏得整個企業的支援以及在業務和IT職能之間建立強有力的聯絡。
製藥實驗室想要轉型，需要做到這幾件事
好訊息是目前存在的大多數技術，可以實現工業4.0 時代QC實驗室在三個發展層面中的任何一個目標。本文提到的許多技術其實已經在製藥環境中有所部署，一些成功的試點專案已經完成，其他專案還在審批階段。
為了成功實施工業4.0時代的新興技術，製藥公司需要設立正確的目標並迅速採取行動。以下是他們目前要做的幾件事：
1.快速測試幾個用例和技術，以找到適合各種實驗室型別的最佳用例和技術。
2.建立燈塔工廠QC實驗室，展示融合這些創新技術的潛在好處。
3.找出哪些創新工具可以產生最大的直接影響，然後在多個站點快速地推廣它們。
不要為了試圖建立一個功能齊全的實驗室，而採用各種可能的技術，最後讓自己陷入困境。其實，許多用例（例如排程優化）可以在其他元素（例如無紙化實驗室）到位之前實現。
4.儘早為實驗室建立清晰的目標和業務案例。
在此過程中跟蹤價值捕獲，並將節省下來的資金用於下一次技術升級。對化學實驗室和微型實驗室進行單獨評估很重要，因為基準成本和改進的影響可能會有很大差異。
5.在規劃和建立新實驗室，以滿足實驗室開放後立即搶佔數字轉型升級的需要時，瞄準商業案例所證明的最高價值範圍。
6.儘早開始建立人才基礎和技能框架。
清楚地瞭解未來的能力需求，培訓高潛力員工，並在早期階段僱用具有新技能（例如高階資料分析）的員工，從而更快地擴大規模。
現代技術可以使QC更快、更靈活、更可靠、更相容、更高效。通過設定適當的目標，選擇合適的技術並快速擴充套件，製藥公司可以成為質量控制領導者，並以速度、合規性、成本節約和生產率提高的形式獲得回報。
（編譯：程小琴）