蛋白質結晶是為複雜大分子創建結構化、有序晶格的行為和方法。蛋白質通常以固體形式無定形且容易變性，而存在於晶格中的蛋白質可以抵抗變性並具有更高的穩定性。如果放置在合適、宜人的環境中，蛋白質可以結晶。蛋白質結晶被視為一門藝術和一門科學，因為影響蛋白質結晶過程的變量之間存在高度複雜的相互作用。
創建蛋白質晶體的最常見原因是支持結構生物學研究，通常通過 X 射線衍射晶體學。研究人員可以通過了解蛋白質的 3 維結構（例如，更好地了解酶、底物和配體如何相互作用）來可視化框架中允許與其他分子相互作用的區域。此外， 結晶 是製造純蛋白質的有效方法，不受其他蛋白質或外來生物物質的污染，從而提供了製備級層析的替代純化和分離方法。
蛋白質作為治療藥物越來越重要。然而，生產具有必要穩定性的蛋白質帶來了關鍵挑戰，包括產品變異、會降低功效的結構損失以及潛在危險副產品的形成。蛋白質結晶是一種生產純淨、穩定的固體劑型以及許多與蛋白質晶體相關的注射和輸注療法的方法。過去，蛋白質結晶一直是支持 X 射線晶體學的實驗室活動，但由於基於蛋白質的療法呈指數級增長，將蛋白質結晶擴大到生產水平變得越來越重要，也是一個重點關注的領域。
蛋白質結晶的放大從根本上類似於小分子結晶，其要求是在實驗室規模上優化關鍵製程參數 （CPP），以在商業規模上實現結晶原料藥的關鍵品質屬性 （CQA）。 蛋白質結晶製程開發和放大的整體平台通常包括：
與蛋白質結晶相關的主要藥物應用：通過結構生物學進行藥物化學、蛋白質藥物開發、放大、分離和純化、配方和藥物遞送。
有幾種方法可用於生長蛋白質晶體;其中最常見的是蒸氣擴散和微批次。前一種方法有兩種變體，被描述為懸掛式下降和坐式下降，兩者的工作原理基本上相同。在密封系統中，一滴含有蛋白質、緩衝液和沉澱劑的溶液與含有相同溶液的較高溶質濃度但不含蛋白質的儲液器平衡。含有蛋白質的液滴中的水蒸發並被吸引到儲液器中濃度較高的溶液中。隨著液滴中溶質濃度的增加，蛋白質開始結晶。在微批量法中，蛋白質和其他試劑被引入並包含在一層薄薄的礦物油下，以消除水的擴散。微批次本質上是一個小型反應器，以正確、穩定的濃度包含所有必要的成分，以允許結晶發生。
由於找到結晶蛋白質所需的正確試劑、參數和條件通常是經驗性的，因此成功蛋白質結晶的最實用方法是使用基於先前經驗的不同實驗條件。最簡單的方法是使用市售的蛋白質晶體篩選試劑盒，其中包含預包裝的溶液，多孔板中含有緩衝液、沉澱劑等。使用這些試劑盒應用懸垂液滴蒸氣擴散法來生長晶體。當需要大規模篩選時，可以使用高通量系統來自動化微批次方法，節省時間和繁瑣，同時最大限度地減少所需的純化蛋白質量。對於製藥或工業應用所需的大規模蛋白質結晶，在篩選實驗中獲得的信息構成了應用於以原位實時 PAT 為特徵的大規模自動化反應器系統的基礎。
為了支持工藝開發和製造，成功結晶蛋白質最重要的初始步驟之一是確保提供充足的高度純化和表徵良好的蛋白質。除了蛋白質是純淨的（即不含污染物，例如發酵基質中的雜質）之外，蛋白質還應在溶液中均勻且穩定（或穩定），具有以下成分：
此外，蛋白質結晶過程中使用的所有試劑和溶劑都需要不含污染物，因為它們會對成核產生重大影響。
與小分子結晶類似，蛋白質從過飽和溶液中結晶。對於形成穩健晶格的小分子，操縱溫度是實現過飽和的主要手段;這對蛋白質也很有用。然而，降低溫度範圍是允許的，因為蛋白質晶體通常具有溶劑作為晶體結構的一部分，通常對溫度敏感，並且容易變性和聚集。
小分子的立體自由度明顯較低，因此更容易結晶。大分子肽具有更多的內部酸性、鹼性、極性、非極性相互作用和排斥力，這些相互作用會抵抗有序結晶，這種現象對於更大的蛋白質會加劇。大多數結晶相容勝肽還含有大量二硫鍵，這對於固定結構基序至關重要。分子內無序的程度或可能的結構變化是決定肽或蛋白質是否可以結晶而不是沉澱的重要屬性。即使分子具有適合結晶的屬性，也有許多影響工藝參數會影響工藝的商業可行性，需要進行表徵。
除了溫度之外，還有許多其他因素通過過飽和影響/幫助蛋白質結晶，包括 pH 調節和溶液的離子強度、添加鹽和沉澱劑（例如 PEG）以幫助降低蛋白質溶解度、存在的配體類型等。關鍵是在不干擾蛋白質正常特性的環境中使溶液過飽和。這意味著找到一組變量和條件的重要性，這些變量和條件可以產生具有正確形態、純度和可接受生長速率的晶體。
蛋白質療法結晶的開發和擴大需要深入了解影響結晶過程的變量和條件。與其他結晶一樣，要實現所需的晶體形式、形狀、粒徑和尺寸分佈，需要仔細控制，以實現一致的產品品質。蛋白質晶體懸浮液 CQA 的任何變化都會直接影響治療效果。由於蛋白質晶體對其生長環境高度敏感，很容易因溫度過高、溶劑損失和其他外部應力甚至採樣過程而損壞，因此需要原位測量 CPP 和產品質量，即不將晶體從溶液環境中去除。
當自動化實驗室反應器與實時原位分析儀結合使用時，可以確定工藝參數對結晶機制的影響，例如聚集、生長、聚集、破損和形狀變化。對結晶過程的精確控制，結合對晶體形成進度的連續原位監測，使優化和放大成為基於事實和數據驅動的。
EasyMax 自動化實驗室反應器 是一個完整的工作站，用於蛋白質結晶中的參數優化，以支持開發和放大設計和執行。這種全自動系統能夠精確控制工藝參數。
ReactIR 使用中紅外光譜來測量結晶研究中的溶液相。ReactIR 測量不受懸浮固體、氣泡或其他顆粒物的影響。
ReactRaman 使用拉曼光譜對溶液中的粒子進行分子分析
ParticleTrack 使用 聚焦光束反射率測量（FBRM） 技術，是一種基於探針的光學儀器，直接插入容器中，實時跟蹤不斷變化的粒徑和計數。ParticleTrack 使用弦長分佈測量來獲得晶體尺寸分佈 （CSD）。
EasyViewer 是一種基於探針的儀器，直接插入容器中以捕獲粒子系統的圖像。EasyViewer 執行圖像分析，並從過程的時間分辨內聯圖像中測量顆粒計數、尺寸分佈和形態，從而使人口隨時間變化的趨勢。
潘迪特，A.、卡特卡，V.、拉納德，V. 和班布爾，R. （2018）。生物製藥結晶的實時監測：溶菌酶、rHu 胰島素和維生素 B12 的弦長分佈到晶體尺寸分佈。 工業與工程化學研究，58（18）， 7607–7619。
作者報告說，他們成功開發了一種有效的方法來實時監測生物製藥結晶。該程序使用 ParticleTrack 在靜態和動態條件下測量一系列生物製藥分子的 CLD，然後應用數學建模將 CLD 轉換為 CSD。所研究的生物分子具有不同的晶體形式，這取決於結晶的實驗條件。溶菌酶可以產生四方晶體和針狀晶體，rHu胰島素形成菱面體晶體，B12形成多面體晶體。
作者開發了模型來確定低長寬比四方晶體、菱面體晶體、多面體晶體和高縱橫比針晶體的 CSD。作者使用三種不同的模型來確定晶體尺寸分佈：
然後將為根據 FBRM 測量值計算 CSD 而開發的模型的結果與通過圖像分析獲得的 CSD 測量值進行比較。
嘗試監測不透明的晶體漿料會帶來挑戰，尤其是當製造規範要求窄粒徑分佈 （PSD） 時。對於可注射的蛋白質晶體配方，PSD 可以極大地影響黏度，並作為可能損害配方的聚集或其他降解事件的早期預警。原位監測用於放大批量結晶研究，以表徵人類生長激素 （hGH） 晶體的形成和生長。實時分析檢測到由於血管之間混合差異而導致的與通常 PSD 輪廓的偏差。隨後的離線圖像分析 （IA） 證實了這一點。
