Aunty 能做什么?构象、聚集、粒径、胶体和衣壳稳定性实测

Aunty 能做什么? 构象、聚集、粒径、胶体和衣壳稳定性实测

AAV9 在 60.6 °C 就开始释放基因组,到 76.3 °C 才聚集。要看清这种先后,得在同一个样品里同时读荧光和 SLS。Aunty 把全光谱荧光、SLS、DLS 和精密温控放在同一块 96 孔石英板上,升温过程中同时读出去折叠、聚集和粒径变化。下面的蛋白和病毒载体数据都出自这块板。

平台:荧光、SLS 和 DLS 共用一块石英板

Aunty 将全光谱荧光(内源荧光和外源染料)、SLS 和 ISO 标准兼容的 DLS 集成在同一台仪器中,每分钟读取全部 96 个样品。SBS 标准格式的石英板每孔仅需 8 µL 样品,浓度范围 25 µg/mL 至 300 mg/mL。石英与绝大多数化学体系兼容,密封后可防止蒸发和污染。

温控范围 15–95 °C,升温速率 0.1–10 °C/min。荧光、SLS 和 DLS 可以同时运行,也可以单独或组合运行,按实验目的选。

Figure 1. Aunty 板式稳定性平台

1. 热升温:25 µg/mL 也能读出 Tm 和 Tagg

加热蛋白通常会使其去折叠,氨基酸重新排列,色氨酸和酪氨酸残基的内源荧光随之变化。追踪荧光变化可以监测蛋白的构象稳定性并确定熔解温度(Tm),用于排序不同配方、构建体、突变体或偶联物的稳定性。

蛋白在热应力下也倾向于聚集。去折叠和聚集常常相伴发生,但并不总是关联,所以最好在同一样品中同步监测两者。SLS 对聚集的起始很敏感,能在热升温中定出 Tagg,与荧光 Tm 并行读取。

Aunty 的板式筛选对蛋白浓度的灵敏度低至 25 µg/mL,下面这组对比就用到了这个浓度。Trastuzumab 在 PBS 中以 1 mg/mL 和 25 µg/mL 测定,两种浓度的 Tm 相似(71.1 和 70.3 °C),但 25 µg/mL 的 Tagg 低于 1 mg/mL(76 vs 79.1 °C)。1 mg/mL 样品的总 SLS 强度更高,表明虽然高浓度对聚集起始的抵抗力更强,但一旦聚集会形成更大或更多的聚集体。

Figure 2. Trastuzumab(1 mg/mL 蓝色,25 µg/mL 绿色)在 PBS 中从 25 至 95 °C 热升温。荧光 BCM(圆圈,左 y 轴)和 SLS(三角,右 y 轴),每 30 秒采集一次。实线为 Tm,虚线为 Tagg,取两次重复的平均值。

2. NIST 聚苯乙烯珠:测得粒径都在标称范围内

Aunty 的 DLS 覆盖 0.3–1000 nm,聚集蛋白和基因治疗载体都能测。作为参照,多数可溶性蛋白的直径为 1–20 nm,病毒 20–100 nm,纳米颗粒则几乎可以是任意尺寸。粒径偏离预期本身就是信号:小颗粒可能意味着污染、降解或杂质,大颗粒可能是聚集体。

3 种 NIST 聚苯乙烯珠标准品的测定直径分别为 22、102 和 512 nm,均在制造商标称范围内(21–25、90–104 和 503–517 nm)。所有样品的 PDI ≤ 0.1,说明是单分散制剂。

Figure 3. 20 nm(绿色)、100 nm(蓝色)和 500 nm(灰色)NIST 聚苯乙烯珠的相关函数(左)、强度分布(中)和质量分布(右)。25 °C,5×4 s DLS 采集,三次重复的代表性曲线。

3. 热升温同时测 DLS,Tm 仍与 DSC 一致

热升温中可以同时运行荧光、SLS 和 DLS。三者同时采集时 Tm 是否仍然准确,可以拿标准蛋白和已发表的 DSC 值对照。

NISTmAb 是专门用于评估抗体表征方法性能的标准蛋白。Aunty 测得 1 mg/mL NISTmAb(12.5 mM L-histidine,12.5 mM histidine-HCl,pH 6.0)的 2 个 Tm 为 69.7 和 83.5 °C,与已发表的 DSC 值(69.2 ± 0.07 和 83.1 ± 0.14 °C)相差不超过 0.5 °C。

虽然大多数蛋白在热升温过程中会聚集,但 NISTmAb 的 SLS 强度没有显著增加,表明在此条件下不聚集。SLS 和 DLS 并行采集,可以用正交技术确认这一结果:抗体的流体动力学直径仅在约 80 °C 后增大了约 5 nm,且增大时间点与 Tm2 吻合。蛋白聚集体的尺寸通常在数百纳米级别,所以这几纳米的增大来自蛋白去折叠,而非聚集。

Figure 4A. NISTmAb 荧光 BCM + 一阶导数,内嵌表为 Aunty 与 DSC 的 Tm 对比

Figure 4B. 热升温过程中 z-均直径变化

4. 内源荧光不够用时,改用 SYPRO Orange

有些蛋白缺乏荧光残基,或所处的环境会猝灭其内源荧光。这时可以使用 SYPRO Orange 等外源染料。Aunty 的全光谱荧光检测配备 280 nm 和 470 nm 两个激发 LED,兼容多种染料,SLS 和 DLS 与内源荧光或染料荧光均可同时工作。

3 mg/mL bovine IgG 在 PBS 中,仅用内源荧光测得 Tm 为 71.3 °C,Tagg 为 70.8 °C(Figure 5A)。加入 20X SYPRO Orange 后,利用染料荧光在疏水面暴露时的增强信号,测得 Tm 为 71.5 °C,Tagg 为 69.9 °C(Figure 5B)。

Figure 5. 3 mg/mL bovine IgG 在 PBS 中。(A) 仅内源荧光,UV LED。(B) 加入 20X SYPRO Orange,470 nm LED。绿色圆点/SYPRO Orange 荧光(左 y 轴)确定 Tm(绿色竖线),SLS(蓝色三角,右 y 轴)确定 Tagg(蓝色竖线)。

5. 衣壳稳定性:AAV9 先释放基因组,后聚集

病毒载体在加工过程中承受的应力与其他生物制剂类似,但失败模式不同。除了蛋白去折叠和聚集,核酸载荷从衣壳中释出(基因组释放)也是关键问题。功能性检测需要数天,而 Aunty 的 Capsid stability 应用可以在一小时内完成。通过监测 SYBR Gold 荧光的增强(核酸暴露时信号升高),Aunty 能判断病毒基因组何时从衣壳中释出,检测下限低至 5e11 vg/mL(下面示例用的是 5e12 vg/mL)。

AAV9 在 PBS 中的基因组释放 Tm 为 60.6 °C(基于 SYBR Gold 荧光增强),Tagg 为 76.3 °C(基于 SLS)。Tm 低于 Tagg,表明病毒载体在衣壳蛋白整体破坏和聚集之前就已丢失核酸载荷。Aunty 同时监测荧光和 SLS,自动计算 Tm 和 Tagg。

Figure 6. AAV9(5e12 vg/mL)在 PBS 中加入 20X SYBR Gold,25–95 °C 热升温。SYBR Gold 荧光(蓝色曲线,左 y 轴)确定基因组释放 Tm(蓝色竖线,60.6 °C),SLS(绿色圆点,右 y 轴)确定 Tagg(绿色竖线,76.3 °C)。

6. 胶体稳定性:kD、B22 看低浓度,G22 看高浓度

kD、B22 和 G22 回答的问题相同:在某个配方里,蛋白分子之间是互相排斥还是吸引,聚集倾向有多大;从低浓度改到高浓度配方时,有没有风险。缓冲液选择、辅料添加、突变引入都会改变答案。Aunty 的 Colloidal stability 应用通过 DLS 和 SLS 同时测定这三个参数。

只需移液一组浓度梯度(建议 5 个浓度,三次重复)即可运行。kD 始终可得;加入缓冲液空白则同时获得 B22;输入分析物分子量后还可获得 G22。

吸引性分子间力使蛋白在浓度增加时扩散变慢,排斥性分子间力则使其扩散变快。kD 正值表示排斥(低聚集风险),负值表示吸引(高聚集风险)。B22(第二维里系数)基于 SLS 的 Debye 图线性回归,正负含义与 kD 相同。kD 和 B22 适用于 ≤ 20 mg/mL 的浓度范围。

Trastuzumab 在 10 mM histidine pH 6 + 80 mg/mL 蔗糖中,25 °C 和 42 °C 下均有较高的正 kD(分别为 14.2 和 17.8),换成 0.9% NaCl 后 kD 变为负值(分别为 −3.3 和 −3.5)。蔗糖配方的 B22 比 NaCl 高约 30 倍,表明蔗糖中排斥力更强,trastuzumab 在 histidine + 蔗糖中的胶体稳定性优于含 NaCl 的配方。

Figure 7. Trastuzumab 浓度梯度(1–10 mg/mL)在 10 mM histidine pH 6 + 蔗糖或 NaCl 中,25 或 42 °C 测定。上图为扩散系数线性回归(kD),下图为 Debye 图(B22),表格为结果汇总。三次重复平均值。

G22(Kirkwood-Buff 积分)是更严格的分子间相互作用参数,通过同时考虑蛋白-溶剂和蛋白-蛋白相互作用,在高浓度下(> 20 mg/mL)比 B22 和 kD 更准确。与 B22/kD 不同,G22 的正负含义相反:负值表示排斥,正值表示吸引。G22 在稀释系列的每个浓度点各有一个离散值。

虽然蔗糖在 histidine 缓冲液中稳定了 trastuzumab,但糖类辅料并不总是最佳选择。另一种 mAb(mAb1)在 NaCl 配方中的 R90/K 与浓度关系图显示,高浓度时曲线趋向平台,表明存在盐的排斥力。G22 值在 NaCl 中随浓度增加从正值(吸引)转为负值(排斥),表明高浓度(如 > 50 mg/mL)下 NaCl 实际上是 mAb1 在 10 mM histidine pH 6 中更好的稳定辅料。

Figure 8. mAb1 浓度梯度(10–200 mg/mL)在 10 mM histidine pH 6 + 蔗糖或 NaCl 中,25 或 42 °C 测定 G22。上图为 R90/K vs 浓度,表格为各浓度点的 G22 值。三次重复平均值。

7. 等温稳定性:精氨酸抑制聚集,却加速去折叠

等温实验有两种跑法。Aunty 的密封板可以将样品在设定温度下保持数小时甚至数天,持续监测荧光、SLS 和 DLS 变化。若不想让仪器全程占用,可以用 Out-of-the-box 应用:样品放在外部培养箱中孵育,定期放入 Aunty 读数,软件自动拼接数据。

精氨酸常作为蛋白配方中的粘度降低剂,但它具有双面性:抑制聚集的同时会促进蛋白去折叠。1 mg/mL bovine IgG 在 PBS 中加入或不加 500 mM 精氨酸,62 °C 恒温 14 小时。含精氨酸的样品荧光变化更快(Figure 9A),表明精氨酸加速了蛋白去折叠。同时,SLS 和 DLS 数据显示,含精氨酸的样品中 SLS 增长和 z-均直径增大均更慢(Figure 9B),说明精氨酸虽然促进了去折叠,但抑制了聚集。

Figure 9A. 荧光 BCM 随时间变化(绿色无精氨酸,蓝色含 500 mM 精氨酸)

Figure 9B. SLS(三角)和 DLS z-均直径(菱形)随时间变化

结论:样品还少时就能做稳定性排序

以上数据都来自同一种全石英 96 孔板,检测模式按实验目的组合。每孔只用 8 µL,所以样品量还很少时,就能对构建体、配方、偶联物或修饰做稳定性排序;病毒载体还能顺带看基因组释放。

References