Un protocole détaillé pour la purification et l’analyse suivante d’un anticorps monoclonal du fluide de culture cellulaire récolté (HCCF) des microbioréacteurs automatisés a été décrit. L’utilisation de l’analyse pour déterminer les attributs de qualité critiques (CqA) et la maximisation du volume limité de l’échantillon pour extraire des informations vitales sont également présentées.
Les anticorps monoclonaux (mAbs) sont l’un des produits biologiques les plus populaires et les plus bien caractérisés fabriqués aujourd’hui. Le plus souvent produit à l’aide de cellules, de cultures et de conditions de processus de hamster chinois (CHO) doivent être optimisés pour maximiser les titreleurs d’anticorps et atteindre des profils de qualité cibles. En règle générale, cette optimisation utilise des bioréacteurs à micro-échelle automatisés (15 ml) pour filtrer les conditions de processus multiples en parallèle. Les critères d’optimisation comprennent la performance culturelle et les attributs de qualité critiques (CQA) du produit d’anticorps monoclonal (mAb), ce qui peut avoir une incidence sur son efficacité et son innocuité. Les indicateurs de performance de la culture comprennent la croissance cellulaire et la consommation d’éléments nutritifs, tandis que les ACQ comprennent les profils de n-glycosylation et d’agrégation du mAb, les variantes de charge et le poids moléculaire. Ce protocole détaillé décrit comment purifier et analyser par la suite les échantillons de HCCF produits par un système automatisé de microbioréacteurs afin d’obtenir des mesures et des extrants de performance précieux. Tout d’abord, une protéine automatisée Une méthode de chromatographie liquide à protéines rapides (FPLC) est utilisée pour purifier le mAb à partir d’échantillons de culture cellulaire récoltés. Une fois concentrés, les profils de glycane sont analysés par spectrométrie de masse à l’aide d’une plate-forme spécifique (voir le Tableau des Matériaux). Les poids moléculaires des anticorps et les profils d’agrégation sont déterminés à l’aide de la chromatographie d’exclusion de taille-diffusion de lumière à angle multiple (SEC-MALS), tandis que les variantes de charge sont analysées à l’aide de l’électrophorèse de zone capillaire de micropuce (mCZE). En plus des mesures de performance de la culture capturées au cours du processus de bioréacteur (c.-à-d. la viabilité de la culture, le nombre de cellules et les métabolites communs, y compris la glutamine, le glucose, le lactate et l’ammoniac), les médias usés sont analysés pour identifier les éléments nutritifs limitants à améliorer les stratégies d’alimentation et la conception globale des processus. Par conséquent, un protocole détaillé pour la quantification absolue des acides aminés par la spectrométrie de masse de chromatographie liquide (LC-MS) des médias dépensés est également décrit. Les méthodes utilisées dans ce protocole tirent parti des plates-formes à haut débit qui sont compatibles pour un grand nombre d’échantillons en petit volume.
Les thérapies protéiques sont utilisées pour traiter une variété croissante deconditions médicales, y compris les complications de greffe de tissu, les désordres autoimmuns, et les cancers 1. Depuis 2004, la Food and Drug Administration (USFDA) des États-Unis a documenté une proportion croissante de demandes de permis biologiques (BLA) de toutes les approbations réglementées par le Center for Drug Evaluation and Research (CDER), les BLA représentant plus de 25 % des demandes de permis biologiques en 2014 et 20152.
Compte tenu de ce marché en expansion, les fabricants de produits biopharmaceutiques sont mis au défi de livrer rapidement plus de produits avec une qualité constante. Les efforts visant à accroître le rendement des produits se sont concentrés sur l’ingénierie cellulaire CHO et le criblage de la chaîne de production, bien que les améliorations les plus significatives soient dues aux progrès de l’optimisation des stratégies médias/alimentation et des contrôles environnementaux de la culture cellulaire1, 3 (en) , 4 ( en plus) , 5 pendant le processus de fabrication.
Puisque les mAbs sont produits dans un système biologique, il peut y avoir une variabilité inhérente des protéines. La composition des anticorps peut être modifiée après la traduction, comme la glycosylation ou affectée par la dégradation ou les réactions enzymatiques. Ces variations structurelles peuvent provoquer des réactions immunitaires dangereuses ou altérer la liaison des anticorps, ce qui peut à son tour réduire ou éliminer la fonction thérapeutique prévue5. Ainsi, les attributs de qualité critique (CQA) des anticorps monoclonaux – profil N-glycan, distribution de variantes de charge, et le pourcentage d’anticorps sous forme monomeric – sont régulièrement surveillés et contrôlés dans le cadre d’une approche Qualité par conception (QbD) pendant processus de fabrication1,6. Dans un environnement de production réglementé, les protéines thérapeutiques doivent répondre aux critères d’acceptation pour être autorisées comme un médicament commercial approuvé7. Les méthodes présentées ici feraient généralement partie du processus de caractérisation de la qualité d’un anticorps7,8, et tout scientifique protéique sera familier avec leur utilisation.
Dans les travaux antérieurs9, l’application et l’exploitation de microbioréacteurs pour le dépistage à haut débit des conditions de culture cellulaire dans le biotraitement en amont a été décrite. Le produit purifié obtenu à partir des différentes conditions des médias est soumis à l’analyse N-glycan en utilisant LC-MS. Les modèles de glycosylation des protéines thérapeutiques peuvent être détectés et caractérisés en utilisant les techniques LC-MS10,11, et le la présence de diverses espèces de glycanes a été liée à des paramètres de bioprocessus tels que la stratégie d’alimentation, le pH et la température12. L’effet des différentes conditions des médias sur la qualité du produit, indiqué par le pourcentage de l’IgG résultant sous forme monomeric, est également évalué avec Size Exclusion Chromatography- Multi-Angle Light Scattering (SEC-MALS)13,14 , 15. Le profil de la variante de charge représente un certain nombre de modifications16 qui pourraient avoir un impact sur la fonction d’un produit. L’électrophorèse de zone microcapillaire (mCZE) est une technique qui offre un temps d’analyse considérablement plus rapide par rapport à la chromatographie traditionnelle d’échange de cation (CEX) et aux méthodes de mise au point isoélectrique capillaire (cIEF) utilisées pour l’analyse des variantes de charge17 ,18. Les médias de bioréacteurs dépensés ont été analysés pour suivre la consommation d’acides aminés pendant la production de protéines en ce qui concerne les changements dans les attributs d’identification de l’anticorps19,20,21,22 , 23.
L’analyse des protéines nous permet d’identifier les paramètres critiques des processus (CPP) en fonction des relations entre les entrées de processus et les changements dans les ACQ. Pendant le développement du bioprocessus, l’identification et la mesure des CpP démontrent fondamentalement le contrôle des processus et s’assurent que le produit n’a pas changé, ce qui est essentiel dans les environnements de fabrication hautement réglementés. Dans cet article, des techniques analytiques pour mesurer certaines des caractéristiques biochimiques de la protéine la plus pertinente pour les CQA de produit (profil de N-glycan, variantes de charge, et homogénéité de taille) sont présentées.
HCCF contient des débris et de grandes particules qui peuvent obstruer et détruire l’instrumentation coûteuse, de ce fait, la clarification de la culture est nécessaire avant le traitement en aval. La centrifugation est généralement la première approche pour séparer les cellules et autres particules insolubles des protéines suivies de filtration. Ce HCCF filtré est alors soumis à la chromatographie liquide de protéine rapide (FPLC) pour la purification. La purification du HCCF à partir de microbioréacteurs automatisés pour obtenir le produit est une étape importante dans le traitement en aval. Ici, un système FPLC de banc avec une colonne de protéine A est employé pour obtenir des anticorps monoclonaux du HCCF. L’analyse des processus en amont peut fournir un aperçu utile du comportement cellulaire et guider la conception des bioprocessus, aidant à obtenir un produit de qualité cohérent et fiable. L’analyse nous permet également de lier les attributs de qualité critique (CQA) aux processus en amont et en aval. Présentés ici sont quatre essais qui sont couramment utilisés dans la caractérisation des anticorps monoclonaux. Ces techniques sont robustes, fiables et facilement déployables pour l’analyse des procédés et des produits à partir d’une variété de sources en amont qui ne sont que partiellement purifiées et peuvent encore contenir des niveaux résiduels d’ADN et de HCP.
Lors du nettoyage d’échantillons pour l’analyse, un équilibre important doit être trouvé entre la création d’un échantillon suffisamment propre pour l’analyse tout en préservant la variabilité présente dans le bioréacteur. Les deux contaminants les plus courants qui ont un impact sur le produit sont l’ADN et le HCP, qui peuvent être vérifiés en mesurant l’absorption du ratio à 260/280 nm et par l’intermédiaire de SDS-PAGE ou de CE-SDS. Les essais présentés ici ne sont pas sensibles aux faibles niveaux de contenu en ADN. La pureté du produit est pure, comme le détermine le CE-SDS.
L’analyse des variantes de charge avec un système d’électrophorèse microcapillary fournit une méthode à haut débit pour identifier les variantes de charge, avec des puces et des réactifs qui sont relativement faciles à mettre en œuvre. La nature de la technique et la chimie du réactif d’étiquetage sont à la fois sensibles aux excipients et à d’autres amines primaires, ce qui nécessite une étape de dessalement pour la plupart des matrices d’échantillons. D’après l’expérience, de faibles niveaux d’ADN comigrent avec le colorant libre de la réaction d’étiquetage et n’ont pas d’impact sur la qualité des résultats. Bien que la variabilité de la quantification de pointe de base, principale et acide soit généralement de 1 %, des niveaux plus élevés d’ADN et d’autres contaminants peuvent augmenter la variabilité de l’analyse. Il est extrêmement important d’être compatible avec l’étiquetage des protéines et d’assurer l’utilisation rapide de DMF après l’enlèvement de la bouteille et d’être mélangé avec le colorant. Les normes de lysine et/ou d’histidine sont recommandées comme contrôles d’étiquetage. Au fil du temps et selon la qualité de l’échantillon, les puces peuvent encrasser ou perdre le revêtement sur les canaux microfluidiques, ce qui entraîne un plus grand bruit, la présence de pics fantômes et une plus grande variation d’échantillon en échantillon. Pour identifier cet événement, des blancs et une norme d’adéquation du système (c.-à-d. NISTmAb) ont été analysés simultanément avec les échantillons à intervalles réguliers. Lorsque des problèmes de puce surviennent, les puces peuvent être lavées avec la solution de stockage ou remplacées.
Les méthodes utilisées pour l’analyse glycane des glycoprotéines thérapeutiques impliquent principalement la chromatographie liquide (LC) et/ou la spectrométrie de masse (MS), avec l’analyse de microarray de lectine gagnant en popularité comme troisième option25. La méthode décrite dans le présent document utilise à la fois LC et MS, qui a des avantages et des inconvénients. Les méthodes spectrométriques de masse ont l’avantage de la vérification de masse des glycanes analysés, ce qui n’est pas possible avec les méthodes à base de LC en utilisant une sortie de détection fluorescente ou des microréseaux de lectine. Cette méthode utilise la détection de LC et de fluorescence pour attribuer des identités glycanes en utilisant la comparaison de temps de rétention à une norme d’échelle dextran. La surveillance de la fluorescence permet une sensibilité et une quantification accrues en raison de la facilité de sa détection, où la SP seule pourrait ne pas être en mesure de quantifier les espèces à faible abondance en raison de la faible efficacité d’ionisation des oligosaccharides. Les informations de masse de la SP sont utilisées pour confirmer les identités glycanes, mais le logiciel de traitement n’utilise pas l’information de masse comme critères d’affectation primaires. Par conséquent, sans chromatographie reproductible et des pics facilement résolvables, cette méthode peut souffrir en ce qui concerne les affectations de glycane. Heureusement, l’information de masse peut aider avec des affectations de glycan même dans les situations où la chromatographie est inférieure, telle que des décalages dans le temps de rétention qui entravent les affectations de glycane reproductible. Si cette méthode est utilisée sans SP, la chromatographie doit être au plus haut niveau puisque l’information de masse ne peut pas être utilisée pour corriger la dérive du temps de résidence.
La méthode d’analyse des acides aminés décrite ici utilise LC-MS pour la quantitation rapide des acides aminés sous-évalués dans les médias de culture cellulaire brut. D’autres méthodes d’analyse des acides aminés nécessitent des agents de dérivatisation des acides aminés pour permettre la détection des UV26. La méthode LC-MS offre d’importants avantages par rapport à la méthode LC-UV : elle permet l’identification basée à la fois sur le temps de rétention et la masse ionique par opposition à la méthode LC-UV, qui est limitée par un manque de caractérisation de masse. De plus, la méthode LC-MS offre des avantages en temps et en reproductibilité, car la méthode LC-UV nécessite une réaction de dérivation qui prend beaucoup de temps, ce qui peut donner une variabilité de l’échantillon27. Cependant, l’injection de supports de culture cellulaire brut dans la méthode LC-MS peut causer des effets néfastes sur le signal de SP en raison de l’encrassement de l’écumeur d’ion. Une échelle d’étalonnage est injectée fréquemment comme une vérification de l’aptitude du système, et l’ordre de l’échantillon est randomisé pour prévenir les biais dans les données.
Le processus de culture cellulaire pour la production d’anticorps à l’aide de microbioréacteurs est précédemment décrit9. Dans cette étude, les protocoles détaillés pour les méthodes de caractérisation des anticorps monoclonaux qui maximisent les données acquises à partir de volumes d’échantillons limités sont bien définis. Des quantités limitées de liquide de culture cellulaire récoltée peuvent parfois restreindre l’information sur le produit acquise et la sélection des bonnes procédures analytiques pour obtenir des données sur la qualité du produit est essentielle. L’analyse est importante pour relier les paramètres des processus en amont aux changements dans la qualité du produit. Ici, une ligne directrice est fournie pour les utilisateurs de caractériser mAbs lors de la collaboration avec des microbioréacteurs.
The authors have nothing to disclose.
Les auteurs tient à remercier Scott Lute pour le soutien analytique qu’il a fourni. Le Programme de cheminement critique du CDER (CA #1-13) fournit un financement interne partiel et un soutien pour ce travail. Ce projet est appuyé en partie par une nomination au Programme de participation au stage et à la recherche à l’Office of Biotechnology Products, Food and Drug Administration des États-Unis, administré par le Oak Ridge Institute for Science and Education par l’entremise d’un entre le département de l’Énergie des États-Unis et la 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 |