5 种纯化蛋白各配 5 mg/mL,Stunner 的 A280 定量 CV 均小于 1%;同一个 2 µL 样品还同时给出粒径分布、分子量和聚集状态。传统做法要稀释、加染料、跑标准曲线,DLS 还得一个一个样品跑。Stunner 把 UV/Vis 和 RADLS 整合在一个 2 µL 板式平台上,每个样品不到 2 分钟。RADLS 在 7 个角度同时采集动态和静态散射,静态部分就是下文的 MALS(多角度光散射)数据,用来算分子量、比较不同样品。验证用了 NIST 标准品、5 种纯化蛋白和单抗聚集模型。
实验条件
粒径标准:41 nm 和 202 nm NIST 可溯源聚苯乙烯微球(Thermo Fisher #3040A / #3200A),分别 10 倍和 50 倍稀释于水中,20 次测量。20:1 混合物(0.24 + 0.012 g/L),三次重复。
蛋白:BSA、伴清蛋白(conalbumin)、人 IgG、卵清蛋白(ovalbumin)来自 MilliporeSigma,牛 RNase A 来自 Qiagen。均溶于 PBS,稀释至 5 mg/mL,经 0.1 或 0.02 µm 过滤,四次重复。
单抗(mAb1):10 mg/mL,5 mM 琥珀酸钠 + 60 mM 海藻糖,pH 5.0,0.1 µm 过滤。
聚集模型:mAb1 在 ~80 °C 加热 15 分钟,与未聚集样品按 99:1 和 9:1 混合(1% 和 10% 聚集),八次重复。
加热过程:mAb1 在 ~80 °C 加热 30 分钟内取 8 个时间点(0 s、10 s、30 s、1 min、3 min、5 min、10 min、30 min),四次重复。
应用:Protein (Turbidity) + RADLS。NIST 标准用 Concentration + Sizing。缓冲液参数:水 1.002 cP / 1.334;琥珀酸盐缓冲液 1.105 cP / 1.336(20 °C)。RADLS:7 个角度,5 采集 × 1 秒,自动角度选择和离群值排除。
蛋白:E1%
41 nm 和 202 nm 的 NIST 聚苯乙烯标准分别测得 CV 2.9% 和 2.1%,PDI 均小于 0.1(单分散)。RADLS 在多个角度采集散射信号并自动优化光束重叠,大颗粒在某些角度散射更强也不会漏掉。
将两种标准按 20:1 混合后测量:Z-average 落在两种标称粒径之间,PDI 升至 >0.2。Z-average 和 PDI 能判断样品是否均一,但面对多分散样品时信息有限。
41 nm 和 202 nm NIST 标准及 20:1 混合物的 Z-average(绿色)和 PDI(蓝色)。误差线 ±1 SD。
正则化(regularization)分析比 cumulants 更适合非均一样品:它对粒径分布做最佳拟合,可以分辨多个群体。20:1 混合物的强度分布(绿色)在 200 nm 处峰高远大于 40 nm,因为散射强度与粒径的 6 次方成正比。质量分布(蓝色)峰高比反转,因为小颗粒占更大的质量分数。数量分布(紫色)只在 ~40 nm 处有一个峰,因为小颗粒的数量浓度远高于大颗粒。
20:1 混合物的强度(绿色)、质量(蓝色)和数量(紫色)分布。三次重复叠加。
这些分布还能跨样品比较。MALS 数据给出的是角度无关的真实散射强度,所以强度、质量和数量分布都是实际值(不是归一化的)。同样 5 mg/mL 的 IgG(~150 kDa)和 ovalbumin(~45 kDa),IgG 的散射强度明显更高。
质量分布中两者峰高相近(同浓度 = 同总质量),但数量分布中 ovalbumin 的峰远高于 IgG:同质量下小分子的颗粒数更多。
5 mg/mL IgG(浅色)和 ovalbumin(深色)的强度(绿色,上)、质量(蓝色,中)和数量(紫色,下)分布。三次重复叠加。
UV/Vis 吸光度定量不依赖标准曲线。验证时,5 种蛋白各配至 5 mg/mL,Stunner A280 测量值 CV 均小于 1%,与配制目标值的偏差在 4% 以内。
5 种蛋白在 PBS 中的 A280 浓度(目标 5 mg/mL)。所有测量值在目标值 4% 以内。误差线 = SD。
Stunner 在 7 个角度测量散射光强度,表示为 Rayleigh 比 R(θ),然后外推到 θ = 0°(R(0))。0° 是理论上散射最强的角度,但没法直接测(探测器会看到激光本身),通过 Guinier 图做图形外推即可。R(0) 与分子量成正比:R(0) = KcM,K 是光学对比常数(取决于 dn/dc),c 是 UV/Vis 测得的浓度,M 是分子量。所以 MALS + UV/Vis 可以算出分子量(验证范围 14–150 kDa)。
这一算法适用于均一的纯化蛋白;5 种蛋白又共用一个近似的 dn/dc,所以结果是近似值。表中 IgG 和 BSA 接近参考值。conalbumin(参考 76,实测 64)和 ovalbumin 偏低,RNase A 偏高。
IgG(绿色)、conalbumin(蓝色)、ovalbumin(黄色)和 RNase A(浅绿色)的 Rayleigh 比 vs 散射角 Guinier 图。四次重复。
蛋白 / 参考 MW (kDa) / Stunner MW (kDa)
MW = R(0) / (K·c)。所有蛋白使用近似相同的 dn/dc。四次重复。
将热聚集 mAb1 与未聚集样品按比例混合,制成 0%、1% 和 10% 聚集体含量的模型(均 10 mg/mL)。UV/Vis 浓度三组完全一致(聚集不改变 A280),但 RADLS 颗粒浓度随聚集比例上升而下降:聚集体更大,同质量下颗粒数更少。
0%、1%、10% 聚集 mAb1 的 A280 质量浓度(绿色)和 RADLS 颗粒浓度(紫色)。浓度不变,颗粒数下降。
0% 样品:强度和质量分布都是单峰,八次重复高度重合。1% 样品:强度分布出现第二个峰(大颗粒散射强),但质量分布还是单峰,聚集体质量占比还很小。10% 样品:强度和质量分布都出现明显的第二峰。通过比较分布形态,可以半定量评估聚集程度。
0%(左)、1%(中)、10%(右)聚集 mAb1 的强度(绿色,上)和质量(蓝色,下)分布。八次重复叠加。
mAb1 在 ~80 °C 加热过程中,UV/Vis 浓度始终没变。但质量分布中主峰的流体动力学直径在 10 分钟后急剧增大,到 30 分钟时蛋白已经完全聚集。每个时间点的测量不到 2 分钟,四次重复,所以适合在应力研究中做快照式监测,比较不同应力条件下的蛋白行为。
mAb1 在 ~80 °C 下 0 s – 30 min 的加热聚集过程。UV/Vis 浓度不变,但质量分布主峰流体动力学直径在 10 分钟后急剧增大。四次重复。
聚集模型给出了两种分布的分工:1% 聚集体已经能在强度分布里看到,到 10% 才在质量分布里出现第二峰。所以筛选时先看强度分布,早发现大颗粒;再看质量分布,判断聚集体是否已占到可观的质量。