浓度超出 B₂₂ 的适用范围,改用 G₂₂ 评估聚集风险

浓度超出 B22 的适用范围, 改用 G22 评估聚集风险

多数生物药制剂的浓度高于 10 mg/mL。浓度升高后,短程分子间作用变得突出,聚集风险可能快速变化。kD 和 B22 适合评估稀溶液,高浓度下更适合用 Kirkwood-Buff 积分 G22。本文用两组稀释系列:α-糜蛋白酶原 20–80 mg/mL,阿达木单抗 14–100 mg/mL。由此演示怎样判断 B22 是否还成立,以及怎样读 G22。

B22 是否成立,用浓度、B22 和分子量的乘积判断

三个参数的物理含义,以及 G22 为什么适合高浓度,见《读懂光散射结果:Z-ave、PDI、B₂₂、Tagg 各从哪段信号来》。稀释系列怎样配、怎样拟合 kD 和 B22,见《一组稀释系列,同时测出 B₂₂ 和 kD 两个聚集预警指标》。

原文给出一条判据。下式成立时 B22 有效,否则应改用 G22:

c × B22 × MW:< 0.05

c:蛋白浓度;MW:蛋白分子量

kD、B22 为正表示分子间净排斥,为负表示净吸引。G22 的正负含义相反:正值表示净吸引,负值表示净排斥。B22 或 G22 为零,表示分子间作用力净为中性。

同一组稀释系列,同时算出 kD、B22 和 G22

本文数据在上一代 Uncle 上采集。Aunty 的 Colloidal stability 应用同样用 DLS 和 SLS 测这三个参数。kD 始终可得,加入缓冲液空白可得 B22,输入分子量后还可得 G22。

α-糜蛋白酶原:商品化的 α-糜蛋白酶原先在 10 mM 柠檬酸钠(pH 3.5)中透析 4 次、每次 1 L,除去多余的盐。之后用 PMSF 处理,抑制胰蛋白酶。随后配成 80 mg/mL,缓冲液为 5 mM 磷酸钠(pH 7)或 40 mM 醋酸钠(pH 5)。每种缓冲液分加与不加 300 mM NaCl,共 4 个配方。浓度用吸光度核定,再稀释出 7 个浓度,最低 20 mg/mL。

阿达木单抗:阿达木单抗(adalimumab,约 144 kDa)配成 100 mg/mL,使用其商业配方(pH 5.2)。浓度用吸光度核定,再稀释出 7 个浓度,最低 14 mg/mL。

测量与分析:先测甲苯的散射强度,校准仪器参数。每个样品 9 µL、三复孔,每次 4 × 5 秒 DLS 采集。软件由各样品的散射强度算出 R90/K,再结合蛋白的预期分子量(α-糜蛋白酶原约 25.7 kDa),算出每个浓度点的 G22。G22 随浓度变化,每个浓度点各有一个值。同一套数据既可按 G22 分析,也可转到 kD 和 B22 应用中分析,不需要额外做实验。

4 个配方中,R90/K 都随浓度上升

磷酸盐缓冲液中,无论加不加 NaCl,R90/K 都随浓度明显上升,表明 α-糜蛋白酶原分子间存在净吸引(Figure 1)。醋酸盐缓冲液的两个配方斜率也为正,但不加 NaCl 的配方上升较缓,分子间净吸引较小(Figure 2)。这些趋势与文献中 α-糜蛋白酶原在相同缓冲液中、随离子强度变化的散射结果一致。

Figure 1. 磷酸盐 pH 7 中,R90/K 随 α-糜蛋白酶原浓度(20–80 mg/mL)的变化。蓝:不加 NaCl;绿:加 NaCl。

Figure 2. 醋酸钠 pH 5 中,R90/K 随 α-糜蛋白酶原浓度(20–80 mg/mL)的变化。蓝:不加 NaCl;绿:加 NaCl。

pH 7 加盐削弱分子间吸引,pH 5 加盐反而增强

在 50–80 mg/mL 的 4 个浓度点上,除醋酸盐无盐配方外,其余 3 个配方的 G22 都为正(Figure 3)。蛋白在这些条件下有自缔合倾向。G22 的大小反映相互作用的强弱。磷酸盐加 300 mM NaCl 配方的吸引作用特别弱。

醋酸盐无盐配方的 R90/K 只是小幅上升,G22 在最高的几个浓度点为负,分子间为净排斥。同样加 300 mM NaCl,两种缓冲液的变化方向相反。

Figure 3. α-糜蛋白酶原在 4 个配方中、50–80 mg/mL 各浓度点的 G22。深蓝:磷酸盐 pH 7 加 NaCl;浅蓝:磷酸盐 pH 7 不加 NaCl;深绿:醋酸盐 pH 5 加 NaCl;浅绿:醋酸盐 pH 5 不加 NaCl。浅绿柱在 4 个浓度点均为负值。三复孔平均值,误差棒为标准差。

Table 1 汇总同一次实验得到的三个参数。按上面的判据核对,磷酸盐的两个配方和醋酸盐加盐配方的 kD 和 B22 不成立,只能用 G22 判断。

配方 / G22(mL/g) / kD(mL/g) / B22(mol·mL/g²)

磷酸盐 pH 7:G22(mL/g) 10.97;kD(mL/g) 无效;B22(mol·mL/g²) 无效

磷酸盐 pH 7 + 300 mM NaCl:G22(mL/g) 1.58;kD(mL/g) 无效;B22(mol·mL/g²) 无效

醋酸盐 pH 5:G22(mL/g) −3.00;kD(mL/g) 0.17;B22(mol·mL/g²) 2.24 × 10−4

醋酸盐 pH 5 + 300 mM NaCl:G22(mL/g) 5.33;kD(mL/g) 无效;B22(mol·mL/g²) 无效

Table 1. α-糜蛋白酶原 4 个配方的胶体稳定性参数,来自同一次实验。G22 为 80 mg/mL 浓度点的三复孔平均值。「无效」表示按判据核对,该配方的 kD 和 B22 不成立。

阿达木单抗在 70–100 mg/mL 时 G22 为负,分子间净排斥

阿达木单抗在其商业配方(pH 5.2)中,R90/K 随浓度上升,到高浓度段逐渐趋平(Figure 4)。最高浓度点的 G22 为负,表明在这个已优化的配方中,分子间为净排斥。

在这么高的浓度下,不宜使用 B22。按判据核对,这组浓度范围内算出的 B22 不成立。

Figure 4. 阿达木单抗 R90/K 随浓度的变化。内嵌表为同一次实验中 3 个浓度点的 G22。浓度(mg/mL)100 时 −4.90 ± 0.10,84 时 −4.85 ± 0.14,70 时 −4.82 ± 0.42。误差棒为三复孔标准差。

低浓度看 kD 和 B22,高浓度看 G22,一次实验全部拿到

同一组稀释系列可以独立算出 kD、B22 和 G22,覆盖低浓度到高浓度。α-糜蛋白酶原在两种缓冲液中加盐,溶液行为方向相反;阿达木单抗在商业配方的高浓度下 G22 为负。工作流程中的多个阶段,都可以用这三个参数评估构建体或配方的胶体稳定性,挑出聚集风险最低的方案。

高浓度配方还需关注粘度,稳定性与粘度同时筛选的案例见《一轮配方筛选,同时比较稳定性与粘度》。

References