在 2–10 mg/mL 测 kD,预判高浓度单抗的粘度风险

在 2–10 mg/mL 测 kD, 预判高浓度单抗的粘度风险

皮下注射的单抗常要在 1–2 mL 内给足剂量,制剂浓度往往需要达到 100 mg/mL 以上,高粘度随之成为开发难点。高浓度粘度测量需要数十毫克样品,变体筛选阶段难以满足。扩散相互作用参数(diffusion interaction parameter,kD)在 2–10 mg/mL 测定,每孔 2 µL。下面 3 项研究同时报告了 kD 和高浓度粘度,kD 都在 Stunner 上测定,粘度与其他读数来自各自的方法。

kD 来自 Stunner,粘度和其他读数来自各自的方法

本组 6 篇论文中,Stunner 的用途各不相同。前 3 篇用 kD 研究粘度。后 3 篇没有报告蛋白溶液的高浓度粘度,见文末一节。

文献与单位 / 样品 / Stunner 测定 / 其他方法

Lefevre 2025,AstraZeneca:样品 一个高粘度 IgG1 及其突变体;Stunner 测定 kD;其他方法 微流控粘度计测粘度;AC-SINS 测自缔合;HDX-MS 定位热点;Lunatic 核定浓度

Kalejaye 2026,Stevens Institute of Technology、AstraZeneca、Brookhaven National Laboratory:样品 21 个 IgG1 单抗;Stunner 测定 kD;其他方法 Honeybun 测粘度;同步辐射小角 X 射线散射(SAXS);Lunatic 测浓度

Paidi 2026,Genentech(bioRxiv 预印本):样品 96 个 IgG1 抗体;Stunner 测定 kD;其他方法 锥板流变仪测粘度;PS-SINS 和 CS-SINS;计算分子描述符

Wang 2025,AstraZeneca、University of Colorado Boulder:样品 15 个单抗;Stunner 测定 kD;其他方法 微流成像计数亚可见颗粒;QCM-D 测界面吸附

Hong 2025,Roquette:样品 帕博利珠单抗、地舒单抗;Stunner 测定 kD、B22;其他方法 SEC 测聚集;差示扫描荧光测 Tm

Fischer 2024,AbbVie、Ludwig-Maximilians-Universität München:样品 4 个治疗性 IgG1 和 NIST mAb;Stunner 测定 UV/Vis 蛋白浓度;其他方法 色谱和荧光光谱评估氧化

Table 1. 六篇论文的样品与方法分工,均照各文 Materials and Methods 整理。

同一母本的突变体中,kD 与粘度的 Spearman ρ 达到 −0.77

Lefevre 等研究一个内部 IgG1(mAb A)。它在 20 mM 组氨酸 pH 6.0、150 mg/mL 下的粘度为 69 cP,超过该研究设定的 20 cP 阈值。作者的工程改造以可逆自缔合(reversible self-association,RSA)为靶点。高浓度粘度测量需要数十毫克样品,因此先在低浓度下用 kD 和 AC-SINS 筛选变体,样品够用的变体再测粘度。

第一、二轮变体中,PBS pH 7.2 下测得的 kD 与组氨酸缓冲液中的粘度 Spearman ρ = −0.77。组氨酸中测得的 kD 与该粘度的 ρ = −0.72,p 均小于 0.0001。AC-SINS 与粘度的 ρ = 0.73。疏水作用色谱保留时间与粘度没有强相关。

分子 / 突变 / kD,His pH 6.0(mL/g) / kD,PBS pH 7.2(mL/g) / 粘度(cP) / 亲和力损失(倍)

mAb A:突变 母本;kD,His pH 6.0(mL/g) −31 ± 0;kD,PBS pH 7.2(mL/g) −31 ± 3;粘度(cP) 69;亲和力损失(倍) –

A.11:突变 HC W100A;kD,His pH 6.0(mL/g) −15 ± 0;kD,PBS pH 7.2(mL/g) −18 ± 0;粘度(cP) 11;亲和力损失(倍) 1.8

A.30:突变 HC F100dA F100eA;kD,His pH 6.0(mL/g) −7 ± 0;kD,PBS pH 7.2(mL/g) −15 ± 4;粘度(cP) 11;亲和力损失(倍) 6.7

A.7:突变 LC D51A;kD,His pH 6.0(mL/g) 2 ± 2;kD,PBS pH 7.2(mL/g) −11 ± 1;粘度(cP) 10;亲和力损失(倍) 不结合

A.9:突变 LC D53A;kD,His pH 6.0(mL/g) −17 ± 1;kD,PBS pH 7.2(mL/g) −23 ± 2;粘度(cP) 103;亲和力损失(倍) 1.0

Table 2. 摘自 Lefevre 2025 Table 1。粘度在 150 mg/mL、20 mM 组氨酸 pH 6.0、25 °C 下用微流控粘度计测定。kD 为三次独立实验、技术双复孔的均值 ± SD。

A.11 和 A.30 的粘度都降到 20 cP 以下,靶标亲和力分别损失 1.8 倍和 6.7 倍,仍在作者设定的 10 倍容忍范围内。

个别变体偏离整体趋势:A.9 的 kD 比母本高,粘度却升至 103 cP。

21 个单抗中,kD = −8 mL/g 的阈值分类正确 19 个

Kalejaye 等的 21 个 IgG1 都配在 20 mM 组氨酸 pH 6.0 中。kD 在 2–10 mg/mL 由 Stunner 测定,粘度在 150 mg/mL 由 Honeybun 测定。以 20 cP 为界,低粘度 14 个,高粘度 7 个。

kD 与粘度回归的 R = −0.78,R² = 0.60。以 −8 mL/g 为阈值,19 个单抗分类正确,准确率 90%。两个未分对的单抗都是高粘度分子:

单抗 / kD,2–10 mg/mL 拟合(mL/g) / 150 mg/mL 粘度(cP)

mAbA8:kD,2–10 mg/mL 拟合(mL/g) 5.36 ± 1.20;150 mg/mL 粘度(cP) 88.9

mAbB11:kD,2–10 mg/mL 拟合(mL/g) −6.98 ± 1.18;150 mg/mL 粘度(cP) 56.93

Table 3. 摘自 Kalejaye 2026 Table 1。

mAbB11 的结果取决于拟合范围。2–10 mg/mL 拟合得到 −6.98 mL/g,2–6 mg/mL 拟合得到 −10.98 mL/g,后者与高粘度相符。作者认为,这是扩散系数与浓度的线性关系在全范围内有偏离。其余单抗用 3 点和 5 点拟合的分类一致,按 2–6 mg/mL 重算后只剩 mAbA8 一个例外。

同一批样品还做了同步辐射 SAXS。作者把 ≤10 mg/mL 时低 q 区有效结构因子 Seff(q) 上翘的分子判为高粘度,21 个全部分类正确。10 mg/mL 下 Seff(q = 0.01 Å−1) 与粘度的 R = 0.94,R² = 0.89。

作者同时说明,本文目的不在于直接比较 kD 和 SAXS,数据集也较小。mAbA8 的 Seff(q) 只在 3 mg/mL 上翘,也可能属于 SAXS 的误判。作者还引述一项约 229 个抗体的研究,其中 kD 的粘度分类准确率约 80%。

96 个 IgG1 的分类模型中,kD 的重要性排在前两位

Paidi 等的工作是 bioRxiv 预印本,未经同行评议。研究对象是 96 个 IgG1,主题是 PEG 稳定的自相互作用纳米颗粒光谱(PS-SINS)。kD 用 Stunner 测定,粘度用锥板流变仪在约 180 mg/mL、20 mM 组氨酸醋酸盐 pH 5.8 中测定。

作者以 15 cP 为界,用留一法训练随机森林二分类模型。只用计算描述符时,低粘度和高粘度两组的准确率为 66% 和 71%。加入 kD 和 PS-SINS 后升至 79% 和 86%。重要性分析中,PS-SINS 和 kD 是影响最大的两个预测量。

同一研究也构建了不含 kD 的模型。计算描述符加上 PBS 和 10 mM 组氨酸盐酸盐两种缓冲液的 PS-SINS,准确率为 76% 和 83%。文中没有单用 kD 的模型结果。

三项研究的 kD 条件接近:2–10 mg/mL,每孔 2 µL

三项研究都按 D = D0(1 + kDc),由扩散系数随浓度的变化得到 kD。稀释系列的配制和拟合步骤见《一组稀释系列,同时测出 B₂₂ 和 kD 两个聚集预警指标》。缓冲液粘度偏离水时,同一篇还介绍了用 Homebrew 实测粘度的做法。

条件 / Lefevre 2025 / Kalejaye 2026 / Paidi 2026

浓度:Lefevre 2025 2、4、6、8、10 mg/mL;Kalejaye 2026 2、4、6、8、10 mg/mL;Paidi 2026 2.0–10 mg/mL

每孔体积与复孔:Lefevre 2025 2 µL,双复孔;Kalejaye 2026 2 µL,三复孔;Paidi 2026 2 µL,三复孔

采集:Lefevre 2025 5 次,每次 4 s;Kalejaye 2026 5 次,每次 4 s;Paidi 2026 文中未写,25 °C

缓冲液:Lefevre 2025 PBS pH 7.2;20 mM 组氨酸 pH 6.0;Kalejaye 2026 20 mM 组氨酸 pH 6.0;Paidi 2026 20 mM 组氨酸醋酸盐 pH 5.8;200 mM 精氨酸琥珀酸盐 pH 5.8

计算输入值:Lefevre 2025 粘度 1.002 cP(PBS)、0.846 cP(组氨酸);折射率 1.334;理论 E1%;Kalejaye 2026 粘度 1.002 cP(PBS)、0.846 cP(组氨酸);折射率 1.334;理论 E1%;Paidi 2026 文中未写

加样与数据筛选:Lefevre 2025 文中未写;Kalejaye 2026 文中未写;Paidi 2026 自动移液工作站加样;0.22 µm 过滤;保留偏差 <10%、拟合平方和 ≤0.02 的数据

Table 4. 三项研究的 kD 测定条件,均照各文 Methods 整理。

三项研究都在高浓度下实测粘度,作为 kD 判断的参照

Lefevre 等用微流控粘度计测 150 mg/mL,Paidi 等用锥板流变仪测约 180 mg/mL。Kalejaye 等用 Honeybun 测 150 mg/mL:默认 35 µL 模式,22 °C,三次重复,每轮同时测 10 cP 标准品。

Honeybun 的操作和数据见《170 mg/mL 单抗需升温至多少度,粘度才降至 20 cP 以下?》和《高浓度蛋白测粘度:10 个样品并行》。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》。

另外三篇用 Stunner 研究颗粒、低 pH 聚集和氧化

Wang 2025:15 个单抗在 1–10 mg/mL 下用 Stunner 测 kD,研究终点是界面应力产生的亚可见颗粒。作者报告,kD 与搅拌产生的亚可见颗粒没有相关性。与颗粒相关的是固液界面吸附速率常数 λ,高密度聚乙烯容器中 rs = 0.70,硼硅玻璃中 rs = 0.60。

Hong 2025:帕博利珠单抗(IgG4)和地舒单抗(IgG2)用 Stunner 的 B22 和 kD 应用测定。浓度为 1、2、5、10 mg/mL,每孔 2 µL、三复孔。低 pH 下两者 kD 都明显为正。pH 5.5 时帕博利珠单抗为负,地舒单抗略为正。加入 10% w/v 甘露醇、山梨醇、海藻糖或蔗糖后,低 pH 下的 kD 进一步升高。

Fischer 2024:Stunner 用于测定单抗浓缩后的蛋白浓度。研究主题是高通量氧化筛选,不涉及 kD。

References

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  • Kalejaye L, Wu I-E, Chu J-M, et al. High-throughput small-angle X-ray scattering reveals effective structure factor transitions linked to high-concentration antibody viscosity. mAbs. 2026;18(1):2677285. doi:10.1080/19420862.2026.2677285
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  • Hong S, Peng T, Goh LYH, et al. Understanding the Role of Polyols and Sugars in Reducing Aggregation in IgG2 and IgG4 Monoclonal Antibodies During Low-pH Viral Inactivation Step. Pharmaceuticals. 2025;18:1846. doi:10.3390/ph18121846
  • Fischer P, Merkel OM, Siedler M, Huelsmeyer M. Development of a high throughput oxidation profiling strategy for monoclonal antibody products. Eur J Pharm Biopharm. 2024;199:114301. doi:10.1016/j.ejpb.2024.114301
  • conditions · kD 实验条件