È stato descritto un protocollo dettagliato per la purificazione e la successiva analisi di un anticorpo monoclonale proveniente da fluido di coltura cellulare raccolto (HCCF) di microbiorici automatizzati. Viene inoltre presentato l’uso di analisi per determinare gli attributi di qualità critica (CQA) e massimizzare il volume di campione limitato per estrarre informazioni vitali.
Gli anticorpi monoclonali (mAbs) sono uno dei prodotti biologici più popolari e ben caratterizzati prodotti oggi. Più comunemente prodotto utilizzando cellule dell’ovaio di criceto cinese (CHO), coltura e condizioni di processo devono essere ottimizzati per massimizzare i titer anticorpe e raggiungere profili di qualità target. In genere, questa ottimizzazione utilizza bioreattori automatizzati su microscala (15 mL) per lo screening di più condizioni di processo in parallelo. I criteri di ottimizzazione includono le prestazioni di coltura e gli attributi di qualità critici (CQA) del prodotto anticorpo monoclonale (mAb), che possono influenzare la sua efficacia e sicurezza. Le metriche delle prestazioni legate alla cultura includono la crescita delle cellule e il consumo di nutrienti, mentre i CQA includono i profili di N-glicosilazione e aggregazione del mAb, le varianti di carica e il peso molecolare. Questo protocollo dettagliato descrive come purificare e successivamente analizzare i campioni HCCF prodotti da un sistema microbioriale automatizzato per ottenere preziose metriche e output delle prestazioni. In primo luogo, una proteina automatizzata Un metodo di cromatografia liquida a proteina veloce (FPLC) viene utilizzato per purificare il mAb da campioni di coltura cellulare raccolti. Una volta concentrati, i profili glicani vengono analizzati dalla spettrometria di massa utilizzando una piattaforma specifica (fare riferimento alla Tabella dei Materiali). I pesi molecolari dell’anticorpo e i profili di aggregazione sono determinati utilizzando la cromatografia ad esclusione di dimensioni- la dispersione della luce ad angolo multiplo (SEC-MALS), mentre le varianti di carica vengono analizzate utilizzando l’elettroforesi della zona capillare del microchip . Oltre alle metriche delle prestazioni culturali acquisite durante il processo di bioreattore (cioè la vitalità della coltura, il numero di cellule e i metaboliti comuni, tra cui glutammina, glucosio, lattato e ammoniaca), vengono analizzati i supporti spesi per identificare i nutrienti migliorare le strategie di alimentazione e la progettazione complessiva del processo. Pertanto, viene descritto anche un protocollo dettagliato per la quantificazione assoluta degli amminoacidi mediante spettrometria di massa di cromatografia liquida (LC-MS) dei supporti esauriti. I metodi utilizzati in questo protocollo sfruttano le piattaforme ad alta velocità effettiva compatibili per un numero elevato di campioni di piccoli volumi.
Le terapie proteiche vengono utilizzate per trattare una crescente varietà di condizioni mediche, tra cui complicazioni del trapianto di tessuto, disturbi autoimmuni e tumori1. Dal 2004, la Food and Drug Administration (USFDA) degli Stati Uniti ha documentato una percentuale crescente di domande di licenza biologica (BLA) di tutte le approvazioni regolate dal Center for Drug Evaluation and Research (CDER), con BLA che rappresentano oltre il 25% nel 2014 e nel 20152.
Considerando questo mercato in espansione, i produttori di biofarmaceutici sono sfidati con la fornitura rapida di più prodotti con qualità costante. Gli sforzi per aumentare la resa dei prodotti si sono concentrati sull’ingegneria delle celle CHO e sullo screening della linea di produzione, anche se i miglioramenti più significativi sono dovuti ai progressi nell’ottimizzazione della strategia media/feed e nei controlli ambientali della coltura cellulare1, 3 (COM del nome , 4 DEL psu’ , 5 durante il processo di produzione.
Poiché i mAb sono prodotti in un sistema biologico, ci può essere una variabilità intrinseca delle proteine. La composizione degli anticorpi può essere alterata post-traduzione, come la glicosilazione o influenzata da degradazione o reazioni enzimatiche. Queste variazioni strutturali possono provocare reazioni immunitarie pericolose o alterare il legame degli anticorpi, che a sua volta può ridurre o eliminare la funzione terapeutica prevista5. Pertanto, gli attributi di qualità critica (CQA) degli anticorpi monoclonali – profilo N-glican, distribuzione della variante di carica e percentuale di anticorpi in forma monomerica – sono regolarmente monitorati e controllati come parte di un approccio Quality by Design (QbD) durante processi di produzione1,6. In un ambiente di produzione regolamentato, le proteine terapeutiche devono soddisfare i criteri di accettazione per essere autorizzate come prodotto farmacologico commerciale approvato7. I metodi qui presentati sono in genere parte del processo di caratterizzazione di qualità per un anticorpo7,8, e qualsiasi scienziato proteico avrà familiarità con il loro utilizzo.
Nel lavoro precedente9, è stata descritta l’applicazione e il funzionamento di microbioricheper lo screening ad alta produttività delle condizioni di coltura cellulare nel bioprocesso a monte. Il prodotto purificato ottenuto dalle diverse condizioni dei supporti è sottoposto ad analisi N-glycan utilizzando modelli LC-MS. Glycosylation di proteine terapeutiche può essere rilevato e caratterizzato utilizzando tecniche LC-MS10,11, e la presenza di varie specie di glicani è stata collegata a parametri di bioprocesso quali strategia di alimentazione, pH e temperatura12. L’effetto delle diverse condizioni dei media sulla qualità del prodotto, indicato dalla percentuale dell’IgG risultante in forma monomerica, viene valutato anche con La cromatografia di esclusione delle dimensioni- Dispersione luminosa multi-angolo (SEC-MALS)13,14 , 15.Il profilo della variante di carica rappresenta una serie di modifiche16 che potrebbero influire sulla funzione di un prodotto. L’elettroforesi a zona microcapillare (mC) è una tecnica che offre un tempo di analisi notevolmente più veloce rispetto alla cromatografia tradizionale dello scambio di cation (CEX) e ai metodi di messa a fuoco isoelettrica capillare (cIEF) utilizzati per l’analisi delle varianti di carica17 ,18. Sono stati analizzati i supporti di bioreattori spesi per monitorare il consumo di amminoacidi durante la produzione di proteine in relazione ai cambiamenti negli attributi identificativi dell’anticorpo19,20,21,22 , 23.
L’analisi delle proteine ci consente di identificare i parametri di processo critici (CPP) in base alle relazioni tra gli input di processo e i cambiamenti nei CQA. Durante lo sviluppo del bioprocesso, l’identificazione e la misurazione dei CPC dimostra fondamentalmente il controllo dei processi e assicura che il prodotto non sia cambiato, il che è essenziale in ambienti di produzione altamente regolamentati. In questo documento vengono presentate tecniche analitiche per misurare alcune delle caratteristiche biochimiche delle proteine più pertinenti al prodotto CQA (profilo N-glican, varianti di carica e omogeneità delle dimensioni).
L’HCCF contiene detriti e particelle di grandi dimensioni che possono intasare e distruggere costose strumentazioni, quindi è necessario un chiarimento della coltura prima di un’ulteriore elaborazione a valle. La centrifugazione è generalmente il primo approccio per separare le cellule e altre particelle insolubili dalle proteine seguite dalla filtrazione. Questo HCCF filtrato viene quindi sottoposto alla cromatografia Liquida delle Proteine Veloci (FPLC) per la purificazione. La purificazione dell’HCCF da microbiorifici automatizzati per ottenere il prodotto è un passo importante nella lavorazione a valle. Qui, un sistema FPLC da banco con una colonna proteina A viene utilizzato per ottenere anticorpi monoclonali dall’HCCF. L’analisi per i processi a monte può fornire informazioni utili sul comportamento delle cellule e guidare la progettazione dei bioprocessi, contribuendo a ottenere un prodotto di qualità coerente e affidabile. Analytics ci permette anche di collegare gli attributi di qualità critica (CQA) ai processi a monte e a valle. Qui sono presentati quattro saggi che sono comunemente utilizzati nella caratterizzazione degli anticorpi monoclonali. Queste tecniche sono robuste, affidabili e facilmente dispiegabili per l’analisi dei processi e dei prodotti da una varietà di fonti a monte che sono solo parzialmente purificate e possono ancora contenere livelli residui di DNA e HCP.
Quando si puliscono i campioni per l’analisi, è necessario trovare un importante equilibrio tra la creazione di un campione sufficientemente pulito per l’analisi, preservando al contempo la variabilità presente nel bioreattore. I due contaminanti più comuni che colpiscono il prodotto sono il DNA e l’HCP, che possono essere controllati misurando l’assorbimento del rapporto a 260/280 nm e attraverso SDS-PAGE o .CE-SDS. I saggi qui presentati non sono sensibili a bassi livelli di contenuto di DNA. La purezza del prodotto è pura >95%, come determinato da .CE-SDS.
L’analisi delle varianti di carica con un sistema di elettroforesi microcapillare fornisce un metodo ad alta velocità effettiva per identificare le varianti di carica, con chip e reagenti che sono relativamente facili da implementare. La natura della tecnica e la chimica del reagente di etichettatura sono sensibili sia agli eccipienti che ad altre ammine primarie, richiedendo quindi una fase di salvifica per la maggior parte delle matrici campione. Per esperienza, bassi livelli di co-migrazione del DNA con il colorante libero dalla reazione di etichettatura e non influiscono sulla qualità dei risultati. Mentre la variabilità della quantificazione di picco di base, principale e acida è in genere <1%, livelli più elevati di DNA e altri contaminanti possono aumentare la variabilità del saggio. È estremamente importante essere coerenti con l'etichettatura delle proteine e garantire l'uso tempestivo di DMF dopo la rimozione dalla bottiglia e il composto con il tinrito. Lisina e/o standard di istina sono raccomandati come controlli di etichettatura. Nel corso del tempo e a seconda della qualità del campione, i trucioli possono fallire o perdere il rivestimento sui canali microfluidici, portando a un maggiore rumore, alla presenza di picchi fantasma e a una maggiore variazione da campione a campione. Per identificare questa occorrenza, gli spazi vuoti e uno standard di idoneità del sistema (ad esempio NISTmAb) sono stati analizzati contemporaneamente con i campioni a intervalli regolari. Quando si verificano problemi di trucioli, i trucioli possono essere lavati con la soluzione di stoccaggio o sostituiti.
I metodi utilizzati per l’analisi glicana delle glicoproteine terapeutiche coinvolgono principalmente la cromatografia liquida (LC) e/o la spettrometria di massa (MS), con l’analisi del microarray lectin che guadagna popolarità come terza opzione25. Il metodo descritto in questo documento utilizza sia LC che MS, che presenta vantaggi e svantaggi. I metodi spettrometrici di massa hanno il vantaggio di verificare di massa i glicani analizzati, il che non è possibile con i metodi basati su LC utilizzando un’uscita di rilevamento fluorescente o microarray di lectina. Questo metodo utilizza il rilevamento LC e fluorescenza per assegnare identità glicani utilizzando il confronto del tempo di conservazione a uno standard di scala dextran. Il monitoraggio della fluorescenza consente una maggiore sensibilità e quantificazione grazie alla facilità di rilevazione, dove la sola SM potrebbe non essere in grado di quantificare le specie a bassa abbondanza a causa della scarsa efficienza ionizzazione degli oligosaccari. Le informazioni di massa provenienti dalla SM vengono utilizzate per confermare le identità glican, ma il software di elaborazione non utilizza le informazioni di massa come criteri di assegnazione primari. Quindi, senza cromatografia riproducibile e picchi facilmente risolvibili, questo metodo può soffrire per quanto riguarda le assegnazioni di glicani. Fortunatamente, le informazioni di massa possono aiutare con le assegnazioni di glicani anche in situazioni in cui la cromatografia è scadente, come i cambiamenti nel tempo di ritenzione che ostacolano le assegnazioni di glicani riproducibili. Se questo metodo viene utilizzato senza SM, la cromatografia deve essere al livello più alto poiché le informazioni di massa non possono essere utilizzate per correggere la deriva del tempo di soggiorno.
Il metodo di analisi degli amminoacidi qui descritto utilizza LC-MS per la rapida quantificazione di aminoacidi non derivati nei media di coltura cellulare grezza. I metodi alternativi di analisi degli amminoacidi richiedono agenti di derivazione degli amminoacidi per abilitare il rilevamento UV26. Il metodo LC-MS offre importanti vantaggi rispetto al metodo LC-UV: consente l’identificazione in base sia al tempo di ritenzione che alla massa di ioni rispetto al metodo LC-UV, che è limitato dalla mancanza di caratterizzazione di massa. Inoltre, il metodo LC-MS offre vantaggi in termini di tempo e riproducibilità, in quanto il metodo LC-UV richiede una reazione di derivazione che richiede molto tempo, che può impartire variabilità del campione27. Tuttavia, l’iniezione di supporti per la coltura delle cellule grezze nel metodo LC-MS può causare effetti nocivi sul segnale MS a causa dell’incrostazione dello skimmer io. Una scala di calibrazione viene iniettata frequentemente come un controllo di idoneità del sistema e l’ordine dei campioni viene randomizzato per evitare distorsioni nei dati.
Il processo di coltura cellulare per la produzione di anticorpi mediante microbioriche è descritto in precedenza9. In questo studio, i protocolli dettagliati per i metodi di caratterizzazione dell’anticorpo monoclonale che massimizzano i dati acquisiti da volumi di campioni limitati sono ben definiti. Quantità limitate di fluido di coltura cellulare raccolte possono talvolta limitare le informazioni sui prodotti acquisite e la selezione delle giuste procedure analitiche per ottenere i dati sulla qualità del prodotto è essenziale. Le analisi sono importanti per collegare i parametri di processo a monte alle variazioni della qualità del prodotto. Qui, è prevista una linea guida per gli utenti per caratterizzare mAbs quando si lavora con microbiorici.
The authors have nothing to disclose.
Gli autori desiderano ringraziare Scott Lute per il supporto analitico che ha fornito. Il finanziamento interno parziale e il sostegno a questo lavoro sono forniti dal CDER Critical Path Program (CA #1-13). Questo progetto è sostenuto in parte da un appuntamento al programma di partecipazione tirocinio/ricerca presso l’Office of Biotechnology Products, U.S. Food and Drug Administration, amministrato dall’Oak Ridge Institute for Science and Education attraverso un accordo interagenzia tra il Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti e 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 |