Stunner 在同一个 2 µL 样品上同时做高速 UV/Vis 和 DLS:UV/Vis 测浓度(0.03–275 OD),DLS 测流体动力学直径和 PDI。常规做法是浓度和粒径分别上不同仪器,胶体稳定性再单独跑一组。在 Stunner 上,kD 和 B₂₂ 应用用一组稀释系列评估聚集风险,每个样品同样只用 2 µL。Homebrew 应用还能自定义实验(比如聚集指数)。高浓度样品直接上,不需要手动稀释。
Stunner:UV/Vis + DLS,2 µL 同时测浓度和粒径。
DLS 测量溶液中蛋白的流体动力学直径,灵敏度能检到 0.1 mg/mL 的溶菌酶这种小蛋白。PDI(多分散性指数)衡量粒径分布的均一程度:PDI 低说明粒径均一,PDI 高说明有不同大小的颗粒群体,可能存在聚集体或杂质。
用两支单抗做演示:mAb 1(14 mg/mL,30 mM 柠檬酸盐 + 200 mM NaCl,pH 5.0)和 mAb 2(1 mg/mL,45 mM 柠檬酸-磷酸盐,pH 5.27)。每个样品 2 µL 上板,三次重复,4 次 DLS 采集 × 5 秒。
mAb 1 的 DLS 显示单峰分布,粒径 11.37 nm,PDI 0.070,典型的单分散 IgG 单体。mAb 2 粒径 205 nm,PDI 0.280,DLS 强度分布上有大小两个峰,说明样品里混着不同大小的颗粒。浓度方面,UV/Vis 同步报出 mAb 1 = 13.93 mg/mL,mAb 2 = 1.10 mg/mL。
A. mAb 1:DLS 单峰(11.37 nm,PDI 0.070),插图为 UV/Vis 吸收光谱(13.93 mg/mL)。B. mAb 2:DLS 双峰(205 nm,PDI 0.280),含多种粒径组分。同一次测量同时给出浓度、粒径和 PDI。
高浓度蛋白制剂的定量有两个难点:粘度大(样品难进常规比色皿),浊度高(聚集引起的光散射干扰 A280 读数)。Stunner Plate 的微流控通道兼容最高 40 cP 的粘度。两个固定光程的微比色皿(0.1 mm 和 0.7 mm)让 OD 范围达到 0.03–275,对应 0.02–200 mg/mL 的蛋白浓度,这个换算值取决于蛋白的消光系数。Stunner 用波长特异性的背景校正处理浊度干扰:按 Rayleigh 散射的规律(散射随波长变化的关系)从光谱里扣掉散射贡献。
UV/Vis 全光谱扫描范围 230–750 nm,软件自带蛋白和核酸定量的内置应用,也可以用 Unmix 做杂质解卷积。
这次实测覆盖其中的 0.3–180 mg/mL。实验:一支单抗在 10 mM 组氨酸 pH 6.0 中配成 180 mg/mL,体积法稀释成 10 个浓度点(180→0.3 mg/mL),每个浓度 2 µL × 五次重复,A280 经典蛋白应用(E1% = 15)。
A. 0.3–180 mg/mL 各浓度的 UV/Vis 全光谱叠加。B. A280 OD 值 vs 目标浓度,y = 1.4274x,R² = 0.9992。灰色区域标记 Stunner 线性范围上限(275 OD)。误差棒 = 五次重复的 SD。
结果:A280 OD 值和目标浓度高度线性(R² = 0.9992),线性一直保持到 Stunner 线性范围上限(275 OD)附近。
蛋白之间的弱非特异性相互作用会影响溶解性和聚集倾向。kD(扩散相互作用参数)可以量化这种相互作用:正值 = 分子间排斥、不容易聚集;负值 = 分子间吸引、聚集风险高。用 Stunner 在一次实验里同时测出准确的蛋白浓度(UV/Vis)和扩散系数(DLS),把扩散系数对浓度做线性拟合,斜率就是 kD。
实验:Adalimumab 10 mg/mL 在 10 mM 组氨酸 pH 6.0 中,分别加入 4 种辅料(无辅料、150 mM NaCl、150 mM arginine、150 mM sucrose)。每个条件稀释成 8 个浓度点(10→1 mg/mL),三次重复,B₂₂ & kD 应用,4 次 DLS 采集 × 5 秒。
扩散系数 vs 蛋白浓度。斜率 = kD。无辅料(+16.65)和 sucrose(+15.61)为正值(排斥主导),arginine(−7.03)和 NaCl(−8.84)为负值(吸引主导)。
制剂 / kD (mL/g) / 含义
无辅料:kD (mL/g) +16.65;含义 排斥,稳定
Sucrose:kD (mL/g) +15.61;含义 排斥,稳定
Arginine:kD (mL/g) −7.03;含义 吸引,聚集风险↑
NaCl:kD (mL/g) −8.84;含义 吸引,聚集风险最高
Sucrose 通过水合促进效应稳定蛋白,kD 值和无辅料接近(都是正值)。NaCl 屏蔽了蛋白表面的电荷排斥,促进高浓度下的自缔合,kD 为负。Arginine 在这支 Adalimumab 上也起了去稳定作用(引起优先自缔合)。这和 arginine 常被用来降低高浓度单抗粘度的印象不同,说明辅料效果因抗体而异,不能一概而论。
B₂₂(第二维里系数)是蛋白自缔合的热力学参数。正值 = 排斥,负值 = 吸引,接近零 = 中性。B₂₂ 来自 SLS(静态光散射),kD 来自 DLS(动态光散射),两者独立测量但 Stunner 在同一组样品上同时输出。
同样的 Adalimumab 样品,用 PEG40 作为散射强度参考标准。Stunner 测出散射强度对浓度做线性拟合,斜率给出 B₂₂。
散射强度 vs 蛋白浓度。各组斜率都为正;排序和 kD 一致:无辅料和 sucrose 最高,arginine 次之,NaCl 最低、接近零。
制剂:B₂₂ (mol·mL/g²)
无辅料:2.04×10⁻⁴
Sucrose:2.57×10⁻⁴
Arginine:5.36×10⁻⁵
NaCl:8.40×10⁻⁶
B₂₂ 的排序和 kD 一致:无辅料和 sucrose 最高,arginine 次之,NaCl 最低。但 B₂₂ 在所有条件下都是正值,kD 在 arginine 和 NaCl 中却已转负,所以两者只在排序上对得上,正负号并不对应。两个独立参数仍指向同一个结论:对这支 Adalimumab 来说,不加辅料或加 sucrose 的制剂聚集风险最低。
Homebrew 应用可以自定义实验:选择监测波长、背景校正方法、消光系数,甚至用自定义公式处理吸收光谱数据。这里用它来跟踪涡旋应力下的蛋白聚集。
实验:单抗 10 mg/mL 在 10 mM 组氨酸 pH 6.0 中,分有/无 0.1% PS 80 两组。3.5 mL 装到小瓶里,用涡旋混合器(VWR Analog,最大速度档)分别混合 20、30、120、180 分钟,另有未混合的对照组。混合后 4 °C 保存,每个时间点取 2 µL × 三次重复上 Stunner,DLS 4 次采集 × 5 秒。聚集指数用 Homebrew 自定义公式计算:
Aggregation Index = A350 / (A280 − A350) × 100
聚集指数 vs 涡旋时间。无 PS 80(蓝色):120 min 后聚集指数明显升高,目视可见浑浊。有 PS 80(绿色):180 min 后聚集指数几乎不变。误差棒 = 三次重复 SD。
没有 PS 80 保护的样品在涡旋 120 分钟后聚集指数急剧升高,溶液变浑浊(肉眼可见大颗粒)。加了 0.1% PS 80 的样品即使涡旋 180 分钟,聚集指数也几乎没变。PS 80 作为表面活性剂有效阻止了气-液界面引起的蛋白聚集。
DLS 数据和聚集指数相互印证:
制剂 / 浓度 / 聚集指数 / Z-avg (nm) / PDI
−PS 80(0 min):浓度 9.21;聚集指数 0.36;Z-avg (nm) 11.6;PDI 0.100
−PS 80(180 min):浓度 9.20;聚集指数 3.76;Z-avg (nm) 354.6;PDI 0.227
+PS 80(0 min):浓度 9.78;聚集指数 0.25;Z-avg (nm) 11.1;PDI 0.067
+PS 80(180 min):浓度 9.83;聚集指数 0.38;Z-avg (nm) 11.1;PDI 0.087
三次重复均值。−PS 80 涡旋 180 min 后 Z-avg 从 11.6 → 354.6 nm,聚集指数从 0.36 → 3.76。浓度几乎不变(蛋白没损失,只是聚集了)。
Arginine 在这支 Adalimumab 上反而促进自缔合,说明辅料筛选不能照搬经验,要在目标分子上逐个测。新分子可以先用一组稀释系列给辅料排序,每个样品只用 2 µL,同时拿到浓度、粒径、kD 和 B₂₂。再挑排在前面的条件做应力实验。软件另提供 21 CFR Part 11 合规工具。