一轮配方筛选,同时比较稳定性与粘度

一轮配方筛选 同时比较稳定性与粘度

用 Uncle 测定 Tm、Tagg 和 DLS 粒径,用 Honeybun 测定粘度。对象是 mAb1、mAb2、adalimumab 和 trastuzumab,各配成 4 种辅料配方和 1、10、100 mg/mL 三个浓度(trastuzumab 只做到 10 mg/mL),从中找出各自的最佳辅料组合。

为什么要在给药浓度下同时测稳定性和粘度

可开发性评估和配方筛选能在早期发现问题,前提是工具跟得上。DSC、SEC 和传统粘度计都成熟,但要花大量时间和样品,还要专人操作。筛选需要的是高通量、微量、结果明确的方案;最好同一种分析技术能贯穿从发现到生产的全过程。

Uncle 集成全光谱荧光、SLS 和 DLS,9 µL 样品即可表征蛋白和基因治疗载体。它在 15–95 °C 范围内温控,样品架密封,一次实验就能拿到荧光、聚集、粒径、多分散性和热去折叠数据,最多 48 个样品同时运行。

稳定性之外还要看粘度。在发现和早期开发中,高粘度表明蛋白分子之间或与辅料之间存在相互作用;到了后期,粘度和稳定性直接影响可生产性、安全性和给药方式。尽早选对配方能从源头控制这些问题,前提是粘度也能像稳定性一样快速、微量地测。Honeybun 每个样品用 35 µL(默认)或 15 µL(低体积模式),一次最多并行测 10 个样品:低粘度样品不到一分钟,高粘度样品也不超过 10 分钟。它的动态范围为 0.5–150 cP,覆盖多数高浓度生物药。

Figure 1A. Uncle 稳定性平台

Figure 1B. Honeybun 微量粘度计

实验方法

mAb1、mAb2 和 adalimumab(储液 26 mg/mL)稀释至 10 mg/mL,14,000 × g 离心后通过 0.1 µm 注射器过滤。各取 400 µL 加入 10 kDa MWCO 再生纤维素 Unfilter 96 板,用 Big Tuna 在三次重复中置换缓冲液至 10 mM histidine,pH 6,含 0.001% PS80。缓冲液中分别加入 0.9% NaCl、80 mg/mL 蔗糖、10 mg/mL 精氨酸、或 80 mg/mL 蔗糖 + 10 mg/mL 精氨酸,随后将样品浓缩至 100 mg/mL。Trastuzumab(200 µL,8.5 mg/mL)在单孔中置换至相同配方后浓缩至 10 mg/mL。所有缓冲液置换和浓缩使用 Big Tuna 默认参数(0.5–50 mg/mL)。初始和最终浓度、粒径及 PDI 在 Stunner 上四次重复测定。

蛋白稀释至 1、10 或 100 mg/mL,各取 9 µL 加入 Uni(16 × 9 µL 石英比色皿阵列,硅胶垫密封),三次重复。在 Uncle 上以"Tm & Tagg with DLS"应用从 15–95 °C 以 0.3 °C/min 升温,激发波长 266 和 473 nm,记录荧光和 SLS。Tm 由 300–430 nm 荧光强度曲线的 BCM 确定,Tagg 由 266 nm SLS 强度确定,均为三次重复平均值。DLS 在热升温前后各测一次(4 × 5 s 采集)。粘度在 Honeybun 上以默认模式测定:100 mg/mL,35 µL,20 °C,三次重复。

蔗糖和精氨酸都提高 mAb1 的 Tm,但 Tagg 排序不同

在 mAb1 的 10 mM histidine pH 6 配方中,加入蔗糖或精氨酸都提高了构象稳定性:Tm 从 NaCl 条件下的 67 °C 升至约 70 °C(Figure 2)。蔗糖和精氨酸一起加并不叠加,Tm 与单独加任一种相近。

Tagg 却没有跟着 Tm 走。蔗糖虽然提高了 Tm,Tagg 却和 NaCl 一样,都约 72.1 °C;精氨酸单独使用时 Tagg 最高(76 °C)。但 NaCl 和精氨酸的总 SLS 信号远高于蔗糖。SLS 与颗粒尺寸和数量成正比,所以蔗糖条件下聚集可能起始稍早,精氨酸和 NaCl 条件下聚集却更多。

这一 Tagg 排序只对应 Figure 2 的条件。到 100 mg/mL,mAb1 的 Tagg 以蔗糖最高,精氨酸反而低于蔗糖(Table 1)。

Figure 2. mAb1 在 10 mM histidine pH 6 + 0.001% PS80 中,含 NaCl(绿色)、蔗糖(蓝色)、精氨酸(黄色)或蔗糖 + 精氨酸(灰色)。BCM(虚线,左 y 轴)和 SLS(实线,右 y 轴),三次重复平均值。

DLS 证实:NaCl 和精氨酸条件下受热形成大聚集体

为了确认 SLS 的结论,再用 DLS 比较加热前后的粒径分布;它还能给出聚集体的尺寸和多分散性。mAb1 在蔗糖条件下,15 °C 和 95 °C 均为单峰分布,平均流体动力学直径分别为 8 nm 和 17 nm(Figure 3A)。15 °C 的 DLS 峰比 95 °C 更窄。

加入蔗糖 + 精氨酸后,mAb1 在 15 °C 仍为单分散(平均 11 nm)。但 95 °C 时粒径分布明显扩展,流体动力学尺寸跨越 100 nm 以下至 1,000 nm 以上的宽范围(Figure 3B)。NaCl 或精氨酸单独使用时的 DLS 行为与此类似(数据未展示)。综合 SLS 和 DLS,与单用蔗糖相比,mAb1 在 NaCl 或精氨酸条件下受热更容易形成大聚集体。

Figure 3A. mAb1 + 蔗糖在 15 °C(浅色)和 95 °C(深色)的 DLS 强度分布

Figure 3B. mAb1 + 蔗糖 + 精氨酸在 15 °C 和 95 °C 的 DLS 强度分布

换一个抗体或浓度,辅料效果就可能变

mAb1 和 trastuzumab 在多种配方和浓度下的 Tm 和 Tagg 接近(Figure 4)。Adalimumab 的 Tm 与这两者相近,Tagg 却通常较低,可见 Tm 相近不代表聚集行为也相近。mAb2 的 Tm 和 Tagg 整体最低,稳定性最差。

浓度同样会改变辅料的效果。在 1 和 10 mg/mL 下,蔗糖对 mAb1 和 trastuzumab 的稳定作用最大,NaCl 则使 mAb1、trastuzumab 和 mAb2 去稳定化。1 mg/mL 时 NaCl 同时影响 Tm 和 Tagg;到 10 mg/mL,它对 mAb1 和 trastuzumab 主要影响 Tm,对 mAb2 主要影响 Tagg。

浓度升高也不一定更不稳定。mAb2 在 10 mg/mL 时的构象和胶体稳定性反而优于 1 mg/mL,adalimumab 在 10 mg/mL 时的 Tagg 也升高。但这种稳定化到 100 mg/mL 就不再出现(Table 1)。

Figure 4. mAb1(绿色)、mAb2(蓝色)、adalimumab(黄色)和 trastuzumab(紫色)在 1 mg/mL (A) 和 10 mg/mL (B) 的 Tm vs Tagg。含 NaCl(方形)、蔗糖(圆形)、精氨酸(三角)或蔗糖 + 精氨酸(菱形)。误差棒为三次重复 ± 1 SD。

Protein / + NaCl / + sucrose / + arginine / + suc + arg

mAb1:+ NaCl 65.7;+ sucrose 73.7;+ arginine 69.3;+ suc + arg 71.3

mAb2:+ NaCl 64.6;+ sucrose 66.1;+ arginine 68.3;+ suc + arg 68.9

adalimumab:+ NaCl 65.7;+ sucrose n.d.;+ arginine 66.4;+ suc + arg 68.3

Table 1. 100 mg/mL 下 Tagg(°C)。绿色为各抗体最佳辅料。Adalimumab + 蔗糖在室温下已聚集(n.d.)。

高浓度皮下给药制剂的变性(denaturation)风险相对较低,但它们在更低的温度就开始聚集(Tagg 更低),选对辅料能明显降低这一风险。100 mg/mL 下,蔗糖把 mAb1 的 Tagg 从 NaCl 的 65.7 °C 提到 73.7 °C。对 mAb2 和 adalimumab,蔗糖 + 精氨酸组合推迟热诱导聚集的效果最大。

精氨酸能降粘度,但不是对每个抗体都有效

稳定性过关后,高浓度 mAb 制剂还要过粘度这一关,它影响给药、可开发性和可生产性。许多蛋白的粘度随浓度增加呈"曲棍球杆"式上升,指数增长开始的浓度因蛋白而异,但合适的配方能把粘度降下来。传统粘度计慢、耗样量大、操作复杂,所以粘度很少进入早期高通量筛选。

100 mg/mL mAb 在含蔗糖配方中的粘度通常高于仅含盐的配方(Figure 5)。精氨酸能减弱蛋白分子间的疏水相互作用,是常用的降粘辅料。但如果高粘度主要不是疏水相互作用造成的,精氨酸反而可能提高粘度。mAb2 和 mAb1 的结果正好相反:蔗糖 + 精氨酸让 mAb2 的粘度比单用蔗糖时低,mAb1 的粘度反而升高。

Figure 5. 100 mg/mL mAb1、mAb2 和 adalimumab 的粘度。含 NaCl(绿色)、蔗糖(蓝色)、精氨酸(黄色)或蔗糖 + 精氨酸(灰色)。误差棒为三次重复 ± 1 SD。

Antibody / 1 mg/mL / 10 mg/mL / 100 mg/mL / Overall

mAb1:1 mg/mL + sucrose;10 mg/mL + sucrose;100 mg/mL + sucrose;Overall + sucrose

mAb2:1 mg/mL + suc + arg;10 mg/mL + arginine;100 mg/mL + suc + arg;Overall + suc + arg

adalimumab:1 mg/mL + NaCl;10 mg/mL + suc + arg;100 mg/mL + suc + arg;Overall + suc + arg

trastuzumab:1 mg/mL + sucrose;10 mg/mL + sucrose;100 mg/mL n.d.;Overall + sucrose

Table 2. 各抗体在 1、10、100 mg/mL 下的最佳辅料(综合 Tm、Tagg、DLS 和粘度结果)。蔗糖是 mAb1 和 trastuzumab 的最佳选择;蔗糖 + 精氨酸组合最适合 mAb2 和 adalimumab。

结论

四个抗体没有通用的最佳辅料:蔗糖适合 mAb1 和 trastuzumab,蔗糖 + 精氨酸适合 mAb2 和 adalimumab(Table 2)。最佳辅料还会随浓度变:adalimumab 在 1 mg/mL 时以 NaCl 最好,mAb2 在 10 mg/mL 时以单用精氨酸最好。

所以针对皮下给药优化配方时,应在接近实际给药的蛋白浓度下测试。把 Uncle 的稳定性数据与 Honeybun 的粘度数据放在一起,就能在给药浓度下同时比较各配方和候选物的稳定性与粘度。

References