Een gedetailleerd protocol voor de zuivering en daaropvolgende analyse van een monoklonaal antilichaam uit geoogste celkweek vloeistof (HCCF) van geautomatiseerde microbioreactoren is beschreven. Het gebruik van analyses om kritische kwaliteitskenmerken (CQAs) te bepalen en beperkt sample volume te maximaliseren om vitale informatie te extraheren wordt ook gepresenteerd.
Monoklonale antilichamen (mAbs) zijn een van de meest populaire en goed gekarakteriseerde biologische producten die vandaag worden geproduceerd. Meestal geproduceerd met behulp van Chinese Hamster ovarium (CHO) cellen, cultuur en procesomstandigheden moeten worden geoptimaliseerd voor het maximaliseren van antilichamen Antilichaamtiters en bereiken van doel kwaliteit profielen. Deze optimalisatie maakt meestal gebruik van geautomatiseerde micro schaal bioreactoren (15 ml) om meerdere procescondities parallel te schermen. Optimalisatie criteria omvatten de cultuur prestaties en de kritische kwaliteitskenmerken (Cqa’s) van het monoklonaal antilichaam (mAb) product, wat de werkzaamheid en veiligheid kan beïnvloeden. Cultuur prestatiestatistieken omvatten celgroei en nutriëntenconsumptie, terwijl de Cqa’s de N-glycosylatie-en aggregatie profielen van mAb, de charge-varianten en het molecuulgewicht omvatten. Dit gedetailleerde protocol beschrijft hoe te zuiveren en vervolgens te analyseren HCCF monsters geproduceerd door een geautomatiseerde microbioreactor systeem om waardevolle prestaties metrische gegevens en outputs te krijgen. Eerst wordt een geautomatiseerde proteïne-A-methode voor snelle proteïne-vloeistofchromatografie (FPLC) gebruikt om de mAb te zuiveren van geoogste celkweek monsters. Eenmaal geconcentreerd, de ontwikkelen profielen worden geanalyseerd door massaspectrometrie met behulp van een specifiek platform (verwijzen naar de tabel van de materialen). Moleculaire gewichten en aggregatie profielen van antilichamen worden bepaald aan de hand van de grootte uitsluitings chromatografie-meervoudige hoek lichtverstrooiing (SEC-MALS), terwijl de charge varianten worden geanalyseerd met behulp van microchip capillaire zone elektroforese (mCZE). Naast de maatstaven voor cultuur prestaties die tijdens het bioreactor proces zijn vastgelegd (d.w.z. de levensvatbaarheid van de cultuur, het aantal cellen en de gemeenschappelijke metabolieten, waaronder glutamine, glucose, lactaat en ammoniak), worden verbruikte media geanalyseerd om de beperkende voedingsstoffen te identificeren Verbeter de voedingsstrategieën en het algehele procesontwerp. Daarom wordt ook een gedetailleerd protocol beschreven voor de absolute kwantificering van aminozuren door middel van vloeistofchromatografie-massaspectrometrie (LC-MS) van verbruikte media. De methoden die worden gebruikt in dit protocol profiteren van platforms met hoge doorvoer die compatibel zijn voor grote aantallen kleine volumes.
Eiwit therapeuten worden gebruikt voor de behandeling van een groeiende verscheidenheid aan medische aandoeningen, met inbegrip van weefsel transplantatie complicaties, auto-immune aandoeningen, en kanker1. Sinds 2004 heeft de Amerikaanse Food and Drug Administration (USFDA) een toenemend aantal biologische licentie toepassingen (BLAs) gedocumenteerd van alle goedkeuringen gereguleerd door het Center for Drug Evaluation and Research (CDER), met BLAs accounting voor meer dan 25% in 2014 en 20152.
Gezien deze groeiende markt, worden biofarmaceutische fabrikanten uitgedaagd om snel meer product met consistente kwaliteit te leveren. Inspanningen om de productopbrengst te vergroten hebben zich geconcentreerd op CHO Cell engineering en productielijn screening, hoewel de belangrijkste verbeteringen zijn te wijten aan vooruitgang in de media/feed strategie optimalisatie en celcultuur milieu-controls1, 3 , 4 , 5 tijdens het fabricageproces.
Omdat mAbs worden geproduceerd in een biologisch systeem, kan er inherente eiwit variabiliteit zijn. De samenstelling van het antilichaam kan post-translationeel worden gewijzigd, zoals glycosylatie of beïnvloed door afbraak of enzymatische reacties. Deze structurele variaties kunnen veroorzaken gevaarlijke immuunreacties of ALTER antilichaam binding, die op zijn beurt kan verminderen of elimineren van de beoogde therapeutische functie5. Zo worden kritische kwaliteitskenmerken (CQAs) van monoklonale antilichamen-N-glycan-profiel, Charge-variant verdeling en het percentage van antilichamen in monomerische vorm-regelmatig bewaakt en gecontroleerd als onderdeel van een Quality by Design (QbD)-benadering tijdens productieprocessen1,6. In een gereguleerde productieomgeving moeten therapeutische eiwitten voldoen aan acceptatiecriteria om in licentie te worden gegeven als een goedgekeurd handels geneesmiddel7. De hierin gepresenteerde methoden zouden doorgaans deel uitmaken van het kwaliteits karakterisatie proces voor een antilichaam7,8, en elke eiwit wetenschapper zal bekend zijn met hun gebruik.
In eerdere werkzaamheden9werd de toepassing en werking van microbioreactoren voor een hoge doorvoer screening van celkweek condities in upstream bioprocessing beschreven. Het gezuiverde product verkregen uit de wisselende media condities wordt onderworpen aan N-glycan-analyse met LC-MS. Glycosylatie patronen van therapeutische eiwitten kunnen worden gedetecteerd en gekarakteriseerd met behulp van LC-MS-technieken10,11, en de aanwezigheid van verschillende ontwikkelen-soorten is gekoppeld aan Bioprocess-parameters zoals voeder strategie, pH en temperatuur12. Het effect van de wisselende media omstandigheden op de productkwaliteit, aangegeven door het percentage van de resulterende IgG in monomerische vorm, wordt ook geëvalueerd met de grootte uitsluitings chromatografie-multi-angle lichtverstrooiing (SEC-MALS)13,14 , 15. het charge-variant profiel vertegenwoordigt een aantal wijzigingen van16 die van invloed kunnen zijn op de functie van een product. Microcapillaire zone elektroforese (mcze) is een techniek die een aanzienlijk snellere analysetijd biedt in vergelijking met traditionele Cation Exchange (Cex) chromatografie en capillaire ISO focus (CIEF) methoden die worden gebruikt voor de charge-variant analyse17 ,18. Verbruikte bioreactor media werd geanalyseerd om aminozuur consumptie tijdens de eiwitproductie te volgen, omdat het betrekking heeft op veranderingen in de identificerende attributen van het antilichaam19,20,21,22 , 23.
Met eiwitanalyse kunnen we kritieke procesparameters (Cpp’s) identificeren op basis van de relaties tussen proces ingangen en veranderingen in Cqa’s. Tijdens de ontwikkeling van Bioprocess demonstreert en meet Cpp’s fundamenteel de procesbeheersing en zorgt ervoor dat het product niet is veranderd, wat essentieel is in sterk gereguleerde productieomgevingen. In dit document worden analytische technieken gepresenteerd om enkele van de biochemische kenmerken van het eiwit te meten die het meest relevant zijn voor product CQAs (N-glycan profiel, Charge varianten en grootte homogeniteit).
HCCF bevat puin en grote deeltjes die kostbare instrumentatie kunnen verstoppen en vernietigen, dus cultuur verduidelijking is nodig voor verdere downstream-verwerking. Centrifugeren is over het algemeen de eerste benadering van het scheiden van cellen en andere onoplosbare deeltjes uit eiwitten gevolgd door filtratie. Deze gefilterde HCCF wordt vervolgens onderworpen aan snelle proteïne vloeistofchromatografie (FPLC) voor zuivering. Zuivering van HCCF van geautomatiseerde microbioreactoren om het product te verkrijgen is een belangrijke stap in de downstream-verwerking. Hier wordt een tafel fplc-systeem met een eiwit kolom gebruikt om monoklonale antilichamen van de hccf te verkrijgen. Analyses voor upstream-processen kunnen nuttig inzicht bieden in Celgedrag en het ontwerp van Bioprocess begeleiden, waardoor een consistent en betrouwbaar kwaliteitsproduct wordt verkregen. Analytics stelt ons ook in staat kritische kwaliteitskenmerken (CQAs) te koppelen aan upstream-en downstream-processen. Hier zijn vier assays die vaak worden gebruikt bij de karakterisering van monoklonale antilichamen. Deze technieken zijn robuust, betrouwbaar en gemakkelijk inzetbaar voor proces-en productanalyse uit verschillende upstream bronnen die slechts gedeeltelijk gezuiverd zijn en nog steeds restniveaus van DNA en HCP kunnen bevatten.
Bij het opschonen van monsters voor analyse moet een belangrijk evenwicht worden gevonden tussen het creëren van een voldoende schoon te maken sample, waarbij de variabiliteit in de bioreactor behouden blijft. De twee meest voorkomende verontreinigingen die van invloed zijn op het product zijn DNA en HCP, die kunnen worden gecontroleerd door meting van de absorptie ratio bij 260/280 nm en via SDS-PAGE of μCE-SDS. De hier gepresenteerde assays zijn niet gevoelig voor lage niveaus van DNA-inhoud. De zuiverheid van het product is > 95% zuiver, zoals bepaald door μCE-SDS.
De charge-variant analyse met een microcapillair elektroforese systeem biedt een hoge doorvoer methode om Laad varianten te identificeren, met chips en reagentia die relatief eenvoudig te implementeren zijn. De aard van de techniek en de chemie van het etiketteer reagens zijn zowel gevoelig voor hulpstoffen als andere primaire aminen, waardoor voor de meeste monster matrixen een ontziltings-stap nodig is. Uit ervaring, lage niveaus van DNA co-migreren met de Free-Dye van de labeling reactie en hebben geen invloed op de kwaliteit van de resultaten. Hoewel de variabiliteit van basis-, hoofd-en zure piek kwantificering typisch < 1% is, kunnen hogere niveaus van DNA en andere verontreinigingen de variabiliteit van de assay verhogen. Het is uitermate belangrijk om consistent te zijn met de eiwit etikettering en ervoor te zorgen dat DMF snel wordt gebruikt na verwijdering uit de fles en vermengd met de kleurstof. Lysine en/of histidine normen worden aanbevolen als labeling besturingselementen. Na verloop van tijd en afhankelijk van de kwaliteit van het monster kunnen chips de coating op de microfluïdica-kanalen overtreding of verliezen, wat leidt tot meer ruis, de aanwezigheid van spook pieken en een grotere variatie in monster-to-sample. Om dit voorval te identificeren, werden blanco's en een standaard voor systeem geschiktheid (d.w.z. NISTmAb) gelijktijdig met de monsters geanalyseerd met regelmatige intervallen. Wanneer chip problemen ontstaan, kunnen de chips worden gewassen met de opslagoplossing of vervangen.
De methoden die worden gebruikt voor ontwikkelen-analyse van therapeutische glycoproteïnen betreft voornamelijk vloeistofchromatografie (LC) en/of massaspectrometrie (MS), waarbij lectine microarray-analyse aan populariteit wint als derde optie25. De in dit artikel beschreven methode maakt gebruik van zowel LC als MS, wat voordelen en nadelen heeft. Massaspectrometrische methoden hebben het voordeel van massale verificatie van de geanalyseerde glycans, wat niet mogelijk is met LC-gebaseerde methoden met behulp van een fluorescerende detectie-uitgang of lectine micro arrays. Deze methode gebruikt LC-en fluorescentiedetectie om ontwikkelen-identiteiten toe te wijzen met behulp van retentietijd vergelijking met een dextran-ladder standaard. Fluorescentie bewaking zorgt voor een verhoogde gevoeligheid en kwantificering door het gemak van de detectie, waarbij MS alleen niet in staat zijn om lage abundantie soorten te kwantificeren als gevolg van de slechte ionisatie-efficiëntie van oligosacchariden. De massa-informatie van MS wordt gebruikt om ontwikkelen-identiteiten te bevestigen, maar de verwerkingssoftware gebruikt geen massa-informatie als de primaire toewijzingscriteria. Vandaar, zonder reproduceerbare chromatografie en gemakkelijk te afwikkelen pieken, deze methode kan lijden met betrekking tot ontwikkelen toewijzingen. Gelukkig kan de massa-informatie helpen bij ontwikkelen-toewijzingen, zelfs in situaties waarin de chromatografie subpar is, zoals verschuivingen in de retentietijd die reproduceerbare ontwikkelen-toewijzingen belemmeren. Als deze methode zonder MS wordt gebruikt, moet de chromatografie zich op het hoogste niveau bevinden, aangezien massa-informatie niet kan worden gebruikt om te corrigeren voor tijd drift van verblijf.
De hier beschreven aminozuuranalyse methode gebruikt LC-MS voor snelle kwantificering van underivatized aminozuren in ruwe celkweek media. Alternatieve aminozuuranalyse methoden vereisen aminozuur bewerking agenten om UV-detectie in te schakelen26. De LC-MS-methode biedt belangrijke voordelen ten opzichte van de LC-UV-methode: het maakt identificatie mogelijk op basis van zowel de retentietijd als de ionen massa in tegenstelling tot de LC-UV-methode, die wordt beperkt door een gebrek aan massa karakterisering. Bovendien biedt de LC-MS-methode tijd-en reproduceer baarheids voordelen, aangezien de LC-UV-methode een tijdrovende Derivatiserings reactie vereist, die sample variabiliteit27kan veroorzaken. De injectie van ruwe celkweek media in de LC-MS-methode kan echter nadelige effecten op het MS-signaal veroorzaken als gevolg van het fouling van Ion skimmer. Een kalibratie ladder wordt regelmatig geïnjecteerd als een systeem geschiktheidscontrole, en sample order wordt gerandomiseerd om bias in de gegevens te voorkomen.
Het celkweek proces voor de productie van antilichamen met behulp van microbioreactoren wordt eerder beschreven9. In deze studie zijn gedetailleerde protocollen voor monoklonaal antilichaam karakterisatie methoden die de gegevens van beperkte monstervolumes maximaliseren, goed gedefinieerd. Beperkte hoeveelheden geoogste celkweek vloeistof kunnen soms de verkregen productinformatie beperken en de selectie van de juiste analytische procedures om productkwaliteits gegevens te verkrijgen is essentieel. Analytics zijn belangrijk om upstream-procesparameters te koppelen aan de wijzigingen in de productkwaliteit. Hier wordt een richtlijn gegeven voor gebruikers om mAbs te karakteriseren bij het werken met microbioreactoren.
The authors have nothing to disclose.
De auteurs willen Scott Lute bedanken voor de analytische ondersteuning die hij heeft verstrekt. Gedeeltelijke interne financiering en ondersteuning voor dit werk wordt geleverd door de CDER Critical Path Program (CA #1-13). Dit project wordt deels ondersteund door een aanstelling in het stage/Research participatie programma op het kantoor van biotechnologie producten, U.S. Food and Drug Administration, beheerd door het Oak Ridge Institute for Science and education via een interagentuur overeenkomst tussen het Amerikaanse ministerie van energie en FDA.
CHO DG44 Cell Line | Invitrogen | A1100001 | |
Akta Avant 25 | General Electric Life Sciences | 28930842 | |
Pro Sep vA Ultra Chromatography Resin | Millipore Sigma | 115115830 | Purification Stationary Phase |
Omnifit 10cm Column | Diba Fluid Intelligence | 006EZ-06-10-AA | Housing for Stationary Phase |
Tris Base | Fisher Scientific | BP154-1 | |
Superloop 10 mL | GE Healthcare | 18-1113-81 | |
µDawn Multi Angle Light Scattering Detector | Wyatt | WUDAWN-01 | |
0.22 µm Millex GV Filter Unit PVDF Membrane | Merck Millipore | SLGV033RB | |
10X Phosphate Buffered Saline | Corning | 46-013-CM | |
12 mL Syringe | Covidien | 8881512878 | |
1290 Infinity Binary Pump | Agilent Technologies | G4220A | |
1290 Infinity DAD | Agilent Technologies | G4212A | |
1290 Infinity Sampler | Agilent Technologies | G4226A | |
1290 Infinity Thermostat | Agilent Technologies | G1330B | |
1290 Infinity Thermostatted Column Compartment | Agilent Technologies | G1316C | |
15 mL Falcon tube | Corning Inc. | 352097 | |
150 uL Glass Inserts with Polymer Feet | Agilent Technologies | 5183-2088 | |
50 mL Falcon tube | Corning Inc. | 352070 | |
96-Well Plate | Bio-Rad | 127737 | |
Acetic Acid | Sigma-Aldrich | 695072 | |
Acetonitrile | Fisher Chemical | BPA996-4 | |
ACQUITY I-Class UPLC BSM | Waters Corporation | 18601504612 | |
ACQUITY I-Class UPLC Sample Manager | Waters Corporation | 186015000 | |
ACQUITY UPLC FLR Detector | Waters Corporation | 176015029 | |
Amicon Ultra-4 100 kDa centrifugal filters | Merck Millipore | UFC810096 | |
Amino Acid Standard, 1 nmol/µL | Agilent Technologies | 5061-3330 | |
Amino Acid Supplement | Agilent Technologies | 5062-2478 | |
Ammonium Formate Solution – Glycan Analysis | Waters Corporation | 186007081 | |
Blue Screw Caps with Septa | Agilent Technologies | 5182-0717 | |
CD OptiCHO AGT Medium | Thermo Fisher Scientific | A1122205 | |
Centrifuge Tubes | Eppendorf | 22363352 | |
Charge Variant Chip | Perkin Elmer | 760435 | |
Charge Variant Reagent Kit | Perkin Elmer | CLS760670 | |
Chromatography Water (MS Grade) | Fisher Chemical | W6-4 | |
Dimethylformamide | Thermo Scientific | 20673 | |
Extraction Plate Manifold for Oasis 96-Well Plates | Waters Corporation | 186001831 | |
Formic Acid | Fisher Chemical | A117-50 | |
GlycoWorks RapiFlour-MS N-Glycan Starter Kit – 24 Sample | Waters Corporation | 176003712 | |
GXII Buffer Tubes | E&K Scientific | 697075- NC | |
GXII Detection Window Cleaning Cloth | VWR | 21912-046 | |
GXII HT Touch | Perkin Elmer | CLS138160 | |
GXII Ladder Tubes | Genemate | C-3258-1 | |
GXII Lint-Free Swab | ITW Texwipe | TX758B | |
Hydrochloric Acid | Fisher Scientific | A144-500 | |
Intact mAb Mass Check Standard | Waters Corporation | 186006552 | |
Intrada Amino Acid Column 150 x 2 mm | Imtakt | WAA25 | |
NanoDrop One Microvolume UV-Vis Spectrophotometer | Thermo Fisher Scientific | 840274100 | |
Optilab UT-rEX Differential Refractive Index Detector | Wyatt | WTREX-11 | |
Perchloric acid | Aldrich Chemistry | 311421 | |
Pipet Tips with Microcapillary for Loading Gels | Labcon | 1034-960-008 | |
Polypropylene 96-Well Microplate, F-bottom, Chimney-style, Black | Greiner Bio-One | 655209 | |
RapiFlour-MS Dextran Calibration Ladder | Waters Corporation | 186007982 | |
Screw Top Clear Vial 2mL | Agilent Technologies | 5182-0715 | |
Sodium Chloride | Fisher Scientific | S271-1 | |
Sodium Iodide | Sigma Aldrich | 383112 | |
TSKgel UP-SW3000 4.6mm ID x 30 cm L | Tosoh Biosciences | 003449 | |
UNIFI Scientific Information System | Waters Corporation | 667005138 | |
Vacuum Manifold Shims | Waters Corporation | 186007986 | |
Vacuum Pump | Waters Corporation | 725000604 | |
Xevo G2 Q-ToF | Waters Corporation | 186005597 | |
Zeba Spin Desalting Column, 0.5 mL | Thermo Scientific | 89883 |