ADC 从偶联到制剂:Stunner 测 DAR,Uncle 测 Tm

ADC 从偶联到制剂:Stunner 测 DAR,Uncle 测 Tm

同为胺基偶联,FITC 让这支单抗的 Tagg 略降,AF350 NHS 酯却让它升高;马来酰亚胺偶联则让 Tagg 降了 3.6 °C。这类差异要在早期就测出来,传统方法(SEC、质谱)却耗时长、样品多,每换一个候选分子就要重新优化。实验用三种 payload/linker 组合(FITC、AF350 NHS 酯、AF350 C₅ 马来酰亚胺)偶联同一支单抗。先在 Stunner 上用 2 µL 同时筛 DAR、浓度、粒径和 PDI,建立筛选标准后选出 3 个候选物。再在 Uncle 上用 9 µL 做制剂辅料筛选(trehalose、arginine、Tween 80)和热应力测试(Tm 和 Tagg)。

实验条件

偶联反应:FITC(Thermo Fisher 46425)、AF350 NHS 酯(A10168)、AF350 C₅ 马来酰亚胺(A30505)分别与 10 mg/mL 单抗反应。缓冲液为 50 mM 硼酸盐 pH 8.5、100 mM 碳酸氢盐 pH 8.3、1× PBS。马来酰亚胺反应加 100 µg TCEP 还原二硫键。室温避光孵育 1 h。

纯化:Unagi 缓冲液交换至 PBS,去除游离 payload。

Stunner 设置:2 µL/孔 × 四次重复,DLS 5 次采集 × 1 秒,自动离群值剔除。

Uncle 设置:Tm & Tagg 应用,9 µL/比色皿 × 三次重复,15–95 °C,0.3 °C/min,激发 266 + 473 nm。Tm 取 300–380 nm BCM,Tagg 取 266 nm SLS。

制剂辅料:Tween 80(0.01%)、trehalose(80 mg/mL)、arginine(10 mg/mL),蛋白浓度 2 mg/mL。

A. Stunner:UV/Vis + DLS,2 µL 同时测 DAR、浓度、粒径。

B. Uncle:荧光 + SLS + DLS,9 µL 评估热稳定性。

反应摩尔比 vs DAR:高摩尔比下 DAR 趋向平台

Stunner 的 Unmix 算法把 ADC 的 UV/Vis 吸收光谱拆分成抗体和 payload 两个组分,分别定量后算出 DAR。用 AF350 NHS 酯做了 4 个摩尔比(2:1、10:1、20:1、40:1)的偶联反应。低摩尔比时 DAR 近似等于投料比(2:1 → DAR 2.1,10:1 → 9.6),但高摩尔比时偏离加剧(20:1 → 15,40:1 → 30.3)。原因在于 NHS 酯优先与赖氨酸残基反应,可用位点有限,DAR 会趋向平台。

回收率方面,2:1 到 20:1 都超过 80%(82%、94%、81%),但 40:1 只有 70%。Stunner 同时给出的浊度校正值(A330)解释了原因:低摩尔比浊度接近零,40:1 明显升高。这说明形成了大颗粒聚集体,部分 ADC 在纯化过程中因沉淀而损失。

AF350 NHS 酯在 2:1、10:1、20:1、40:1 摩尔比下的 DAR(绿色柱,左轴)和浊度 A330(灰色点,右轴)。% recovery 标注于底部。误差棒 ± 1 SD,四次重复。

DAR 越高粒径越大,存放一周就能看出问题

偶联改变了单抗的流体动力学直径。DAR 2.1 的 ADC 直径和未偶联单抗几乎相同,但 DAR 越高直径越大,趋势与 DAR 一致。PDI 方面,经验法则是:蛋白和 ADC 的 PDI 不超过 0.1 算单分散,超过 0.2 就有聚集风险。AF350 NHS 酯系列的 PDI 都小于 0.1,只有 DAR 30.3 的样品为 0.11。结合它的高浊度和低回收率,这个载药量在该单抗上没有产生稳定的 ADC。

DAR 15 的样品在反应当天看起来也不错:12 nm 处单一尖峰。存放 4 °C 一周后,DLS 强度分布上出现了大粒径聚集峰。质量分布显示聚集体目前只占 ~1%,但趋势值得警惕。DAR 30.3 的样品聚集更严重(数据未展示)。

AF350 NHS 酯标记单抗的流体动力学直径(蓝色柱,左轴)和 PDI(灰色点,右轴)。DAR 从左至右递增。

DAR 15 的 AF350 NHS 酯 ADC:反应当天(上)和 4 °C 存放 7 天后(下)的 DLS 强度分布(绿色,左)和质量分布(蓝色,右)。一周后出现大粒径聚集峰。

4 条入选标准:DAR、直径、PDI 和回收率

Stunner 在同一个 2 µL 孔里同时报告 DAR、浊度、粒径和 PDI。综合初步筛选数据,设定了 4 条候选物入选标准:

按此标准从 3 种 payload/linker 组合中各选出了最优摩尔比的 ADC,送 Uncle 做热稳定性测试:

Payload / Linker / 摩尔比 / DAR / 直径 (nm) / PDI / 回收率

FITC:摩尔比 10:1;DAR 3.7;直径 (nm) 13.2;PDI 0.1;回收率 86%

AF350 NHS 酯:摩尔比 2:1;DAR 2.1;直径 (nm) 11.1;PDI 0.03;回收率 82%

AF350 C₅ 马来酰亚胺:摩尔比 10:1;DAR 2.1;直径 (nm) 11.4;PDI 0.1;回收率 93%

Table 1. 符合标准的 3 个 ADC 候选物,用于 Uncle 热稳定性测试。

Uncle 测 Tm/Tagg:trehalose 稳定效果最好

ADC 中的 payload 在 UV 激发下也会发荧光,和蛋白内源荧光重叠。Uncle 的全光谱荧光检测能直接看到两者的发射峰(蛋白 ~330 nm,AF350 ~440 nm),通过把 BCM 分析范围限定在 300–380 nm 来排除 payload 干扰。

AF350 标记单抗在 Uncle 中 15–95 °C 热升温过程的发射光谱(266 + 473 nm 激发)。蛋白内源荧光(~330 nm)和染料荧光(~440 nm)清晰可分。

先用亲本单抗做辅料筛选基线:trehalose 对 Tm 和 Tagg 的提升最大,arginine 作为离液剂(chaotrope)降低了 Tm 但略微提高了 Tagg,Tween 80 对两者几乎没有影响。所有条件下 Tm 都明显低于 Tagg,也就是说蛋白先解折叠,再升温一段才开始聚集。

2 mg/mL 单抗在 PBS(绿)、+Tween 80(蓝)、+trehalose(黄)、+arginine(紫)中的熔化曲线(实线,左轴 BCM)和聚集曲线(虚线,右轴 SLS)。竖线标记 Tm(实)和 Tagg(虚)。三次重复。

同一个单抗,三种偶联方式,稳定性差别很大

偶联会改变单抗表面性质。FITC 和 AF350 NHS 酯都靶向赖氨酸(亲水残基变疏水),马来酰亚胺靶向 TCEP 还原后的半胱氨酸(破坏二硫键)。三种偶联对 Tagg 的影响方向和幅度都不同:

但制剂优化可以补偿偶联带来的稳定性损失。trehalose 对所有 ADC 都有效,马来酰亚胺偶联物的改善最大:Tagg 从 PBS 中的 71.6 °C 提高到 76.2 °C,改善近 5 °C。arginine 通常降 Tm 升 Tagg,但加到马来酰亚胺 ADC 里时两个参数都改善了。辅料的效果因 ADC 结构而异,不能照搬单抗的经验。

A. PBS 中:单抗(绿)及 FITC(蓝)、AF350 NHS(黄)、AF350 马来酰亚胺(紫)。B. PBS + trehalose 中同样 4 个样品。实线 = 熔化(BCM),虚线 = 聚集(SLS)。竖线标记 Tm/Tagg。三次重复。

样品 / PBS / +trehalose / +arginine / +Tween 80

Tm:PBS Tagg;+trehalose Tm;+arginine Tagg;+Tween 80 Tm;Tagg;Tm;Tagg

mAb:PBS 69.8±0.1;+trehalose 75.2±0.3;+arginine 71.0±0.1;+Tween 80 76.9±0.2;69.5±0.1;75.8±0.3;69.7±0.0;74.9±0.1

+FITC (3.7):PBS 69.5±0.1;+trehalose 74.4±0.3;+arginine 70.4±0.1;+Tween 80 76.4±0.1;69.3±0.2;75.0±0.2;69.4±0.3;74.2±0.4

+AF350 NHS (2.1):PBS 70.5±0.1;+trehalose 75.8±0.2;+arginine 71.7±0.7;+Tween 80 78.0±0.9;69.6±0.1;75.5±0.2;70.6±0.2;75.8±0.2

+AF350 mal (2.1):PBS 69.5±0.1;+trehalose 71.6±0.2;+arginine 71.5±0.2;+Tween 80 76.2±0.4;70.1±0.2;74.4±0.2;70.0±0.2;71.5±0.9

Table 2. 全部 Tm/Tagg 数据(°C),三次重复均值 ± 1 SD。马来酰亚胺 ADC 的 Tagg 在 PBS 中最低(71.6),加 trehalose 后改善至 76.2(+4.6 °C,高亮)。

先用 Stunner 淘汰条件,再用 Uncle 比辅料

Stunner 在偶联反应后第一时间给出 DAR、浓度、粒径和 PDI,据此尽早淘汰载药过高、聚集严重或回收率不达标的条件,省下后续每一步的样品和时间。Uncle 接力做热稳定性评估,Tm 和 Tagg 的 SD 小于 1 °C,可以可靠地区分不同偶联化学和制剂辅料的效果。

偶联化学对稳定性的影响很难预判:同为胺基偶联的 FITC 和 AF350 NHS 酯,对稳定性的影响方向相反;马来酰亚胺偶联通过破坏二硫键引起的 Tagg 下降幅度最大(−3.6 °C),但 trehalose 也给了它最大的补偿(+4.6 °C)。连接子、payload 和偶联位点的选择对稳定性的影响无法从相关化合物外推,必须实测。Stunner 每样品 2 µL、Uncle 每样品 9 µL,因此在早期发现阶段就能系统地实测这些变量。

References