96 个样品同时升温,去折叠和聚集一次读出

96 个样品同时升温, 去折叠和聚集一次读出

Aunty 上 96 个重复的 Tm CV 为 0.8%。全光谱荧光、SLS 和 DLS 三种检测方法在同一块石英 96 孔板上并行读数,每分钟读取全部样品。配方筛选中,精氨酸抑制聚集却促进去折叠,同样加 NaCl,trastuzumab 生物类似药和 bovine IgG 的反应并不相同。

一块石英板上,三种检测怎样并行

整板样品能同时测,是因为三种检测在同一次升温里并行读数。全光谱荧光用内源荧光或外源染料测定蛋白熔解温度,看的是构象稳定性。SLS 和 DLS 与荧光同时运行,在实验的任意阶段检测聚集,看的是胶体稳定性。

这些读数都在一块 SBS 标准格式的石英板上完成,每孔仅需 8 µL 样品。石英兼具光学性能和化学兼容性;加样后密封板孔,防止蒸发和污染。温控范围 15–95 °C,升温速率 0.1–10 °C/min,也可以恒温保持数小时或数天。由于板孔是 SBS 格式的 8×12 排布,又有 API 控制,便于接入自动化平台;这类对接目前在集成中。

Figure 1A. Aunty 仪器

Figure 1B. SBS 格式石英 96 孔板

荧光检测:加热使蛋白去折叠,暴露出色氨酸和酪氨酸等疏水性氨基酸。当这些芳香族氨基酸从疏水环境转移至水环境中,荧光行为随之改变:荧光最大值降低,峰位向长波长方向偏移(红移)。追踪这一变化可以监测蛋白的构象稳定性并确定 Tm,用于排序不同配方、构建体、突变体或偶联物的稳定性。Aunty 使用 280 nm 激发 LED 和高灵敏度光谱仪,IgG 的动态范围为 0.025–300 mg/mL。全光谱检测能同时识别红移和蓝移,也支持外源荧光染料用于 DSF 或 thermal shift assay。

Figure 2. Aunty 用 280 nm LED 激发内源蛋白荧光。蛋白因加热去折叠时,内源荧光(绿框)降低并向长波长偏移。

光散射检测:蛋白分子在溶液中扩散时,散射光会波动。SLS 看的是散射强度的总体平均值,取决于分子量和浓度。DLS 看的是强度波动的速率,由此推算流体动力学尺寸(z-均直径、PDI 和粒径分布)。蛋白聚集时,SLS 强度和 z-均直径同时升高。Aunty 将两者并行使用:SLS 检测聚集起始(Tagg),DLS 追踪粒径变化(Tsize)。SLS 检测下限为 50 µg/mL IgG,DLS 为 0.1 mg/mL lysozyme。

Figure 3. 溶液中颗粒扩散引起散射光波动。SLS 取波动的平均值,DLS 分析波动的速率。Aunty 在热升温中并行使用两者:SLS 检测聚集起始,DLS 追踪粒径变化。

辅料筛选:精氨酸的双面效应

筛选辅料时,常要在它的不同作用之间权衡。精氨酸是典型的例子:它抑制聚集,却同时促进蛋白去折叠。只看 Tm 会判它不利,只看 Tagg 又会判它有利,所以去折叠和聚集要在同一次升温里一起测。

1 mg/mL bovine IgG 在 PBS 中,加入或不加 500 mM 精氨酸,从 25 至 95 °C 以 1 °C/min 升温。Aunty 从内源荧光 BCM 一阶导数的峰值确定 Tm。精氨酸使 Tm 降低了 3.5 °C,说明精氨酸加速了蛋白去折叠。

聚集的方向正好相反。看 Tagg,含精氨酸的 bovine IgG 高于不含精氨酸的(73.4 vs 68.5 °C)。DLS 给出同样的趋势:Tsize(z-均直径从基线增大 2 倍时的温度)在 PBS 中为 70.2 °C,加精氨酸后为 72.7 °C。

比较突变体、修饰、偶联物或不同条件时,也是把各组曲线这样叠加,稳定性差异直接读出来。

Figure 4. 1 mg/mL bovine IgG 在 PBS(绿色)或 PBS + 500 mM 精氨酸(蓝色)中,25–95 °C,1 °C/min。荧光(左)、SLS(中)和 DLS(右)每 30 秒采集一次。Tm、Tagg、Tsize(竖线)分别基于荧光导数峰、SLS 强度持续升高和 z-均直径持续增大确定。三次重复的代表性曲线。

重复性:96 个重复的 CV

1 mg/mL bovine IgG 在 PBS 中做了 96 个重复,Tm 平均值 70.8 °C,CV 0.8%;Tagg 平均值 67 °C,CV 1.1%。这个 CV 统计的是整块板上各孔之间的离散,孔位带来的差异也算在里面。仪器规格写的是 Tm CV ≤ 2%、温度准确度 ±0.1 °C,实测落在规格之内。精氨酸实验中同一样品的 Tagg 为 68.5 °C,那是另一次运行(每 30 秒采集一次),不与这里的平均值直接比较。

Figure 5. 96 个重复的 1 mg/mL bovine IgG 在 Aunty 板上从 25–95 °C 以 1 °C/min 升温,每分钟采集荧光和 SLS。每个重复的 Tm 和 Tagg 均展示。

同样的辅料,不同抗体反应不同

用 Aunty Analysis 软件将 Tm 对 Tagg 作图,可以直观判断哪些样品的构象稳定性和胶体稳定性都好。同时也能看出重复间的离散程度,从而判断样品间的差异是否超出重复误差。

7 种抗体/辅料组合(1 mg/mL,PBS 中含不同辅料)在同一块 Aunty 板上以 Tm & Tagg 应用运行,每种 4–8 个重复,默认设置。所有重复的 Tm 和 Tagg CV 均 < 2%。

不加辅料的 trastuzumab 生物类似药(紫色)Tm 和 Tagg 最高,pembrolizumab 生物类似药(灰色)最低。向 trastuzumab 生物类似药加入 NaCl(浅蓝色),Tagg 几乎不变但 Tm 降低了 2.6 °C。Tm 降低说明 NaCl 大概率不适合 trastuzumab。

向 bovine IgG 加入 NaCl(黄色),Tm 无显著变化但 Tagg 升高了 2.8 °C(相对于不含辅料的 PBS,深蓝色)。与 trastuzumab 不同,NaCl 反而可能稳定了这种 bovine IgG。同样的辅料对这两种抗体作用方向相反,所以配方要逐个分子筛选。

Figure 6. 7 种抗体/辅料组合(1 mg/mL 抗体,PBS + 不同辅料),25–95 °C,1 °C/min。荧光和 SLS 每分钟采集一次。每个重复的 Tm 和 Tagg 均展示。

结论:筛辅料要同时看去折叠和聚集

精氨酸和 NaCl 的例子说明,单看 Tm 或单看 Tagg,都可能选错辅料。Aunty 每分钟读取全部样品,三种检测可同时或单独运行,所以配方筛选的第一轮就能拿到 Tm、Tagg 和 Tsize 的组合。按这些值排序,再把构象和胶体稳定性都靠前的配方送进后续的可开发性评估。