Um protocolo detalhado para a purificação e a análise subseqüente de um anticorpo monoclonal do líquido de cultura de pilha colhido (HCCF) de microbioreactors automatizados foi descrito. O uso de análises para determinar os atributos críticos de qualidade (CQAs) e maximizar o volume de amostra limitado para extrair informações vitais também é apresentado.
Os anticorpos monoclonais (mAbs) são um dos produtos biológicos mais populares e bem caracterizados fabricados hoje. Mais comumente produzidos usando células de ovário de hamster chinês (CHO), cultura e condições de processo devem ser otimizados para maximizar os títulos de anticorpos e alcançar perfis de qualidade alvo. Normalmente, essa otimização usa biorreatores de microescala automatizados (15 mL) para a tela de várias condições de processo em paralelo. Os critérios de otimização incluem o desempenho da cultura e os atributos críticos de qualidade (CQAs) do produto anticorpo monoclonal (mAb), que pode impactar sua eficácia e segurança. As métricas de desempenho da cultura incluem crescimento celular e consumo de nutrientes, enquanto as CQAs incluem os perfis de N-glicosilação e agregação do mAb, variantes de carga e peso molecular. Este protocolo detalhado descreve como purificar e analisar subseqüentemente amostras de HCCF produzidas por um sistema automatizado do microbioreactor para ganhar métricas e saídas valiosas do desempenho. Primeiramente, uma proteína automatizada um método rápido da cromatografia líquida da proteína (FPLC) é usada para purificar o MAB das amostras colhidas da cultura de pilha. Uma vez concentrados, os perfis glicados são analisados por espectrometria de massas utilizando uma plataforma específica (consulte a tabela de materiais). Os pesos moleculares do anticorpo e os perfis da agregação são determinados usando a cromatografia da exclusão do tamanho-espalhamento claro do ângulo múltiplo (SEC-MALS), quando as variações da carga forem analisadas usando a electroforese da zona capilar do microchip (mCZE). Além das métricas de desempenho da cultura capturadas durante o processo de biorreator (ou seja, viabilidade da cultura, contagens de células e metabólitos comuns, incluindo glutamina, glicose, lactato e amônia), a mídia gasta é analisada para identificar os nutrientes limitantes para melhorar as estratégias de alimentação e o design geral do processo. Portanto, um protocolo detalhado para a quantificação absoluta de aminoácidos por cromatografia líquida-espectrometria de massas (LC-MS) de meios gastos também é descrito. Os métodos usados neste protocolo aproveitam as plataformas de alta taxa de transferência que são compatíveis para um grande número de amostras de pequeno volume.
A terapêutica proteica está sendo usada para tratar uma variedade crescente de condições médicas, incluindo complicações de transplante tecidual, distúrbios auto-imunes e cânceres1. Desde 2004, a administração de alimentos e drogas dos Estados Unidos (USFDA) documentou uma proporção crescente de aplicações de licença biológica (BLAs) de todas as aprovações reguladas pelo centro de avaliação e pesquisa de drogas (CDER), com BLAs representando mais de 25% em 2014 e 20152.
Considerando este mercado em expansão, os fabricantes biofarmacêuticos são desafiados com rapidamente entregando mais produto com qualidade consistente. Os esforços para aumentar o rendimento do produto concentraram-se na engenharia de células CHO e na triagem da linha de produção, embora as melhorias mais significativas sejam devidas aos avanços na otimização da estratégia de mídia/feed e controles ambientais da cultura celular1, 3. º , 4. º , 5 durante o processo de fabricação.
Desde que os mAbs são produzidos em um sistema biológico, pode haver uma variabilidade inerente da proteína. A composição do anticorpo pode ser alterada pós-translacionalmente, como a glicosilação ou impactada pela degradação ou reações enzimáticas. Estas variações estruturais podem provocar reações imunes perigosas ou alterar a ligação do anticorpo, que por sua vez pode reduzir ou eliminar a função terapêutica pretendida5. Assim, os atributos críticos da qualidade (CQAs) de anticorpos monoclonais-perfil de N-glycan, distribuição da variação da carga, e a porcentagem do anticorpo na forma monomérica-são monitorados e controlados regularmente como parte de uma aproximação da qualidade pelo projeto (QbD) durante processosdefabricação1,6. Em um ambiente de produção regulamentado, as proteínas terapêuticas devem atender aos critérios de aceitação a serem licenciados como um produto comercial aprovado de drogas7. Os métodos aqui apresentados seriam tipicamente parte do processo de caracterização da qualidade de um anticorpo7,8, e qualquer cientista protéico estará familiarizado com o seu uso.
No trabalho prévio9, a aplicação e a operação dos microbioreactors para a seleção elevada da produção de condições da cultura de pilha no Bioprocessamento ascendente foram descritas. O produto purificado obtido a partir das diferentes condições de mídia é submetido à análise de N-glycan usando LC-MS. os padrões de glicosilação de proteínas terapêuticas podem ser detectados e caracterizados usando técnicas de LC-MS10,11, e o a presença de várias espécies de glicanos tem sido associada a parâmetros Bioprocessos como estratégia alimentar, pH e temperatura12. O efeito das diferentes condições de mídia sobre a qualidade do produto, indicado pela porcentagem da IgG resultante na forma monomérica, também é avaliado com cromatografia de exclusão de tamanho-espalhamento de luz multiangulares (SEC-mals)13,14 , o perfil Variant da carga 15. The representa um número de modificações16 que poderiam impactar a função de um produto. A electroforese da zona microcapilar (mcze) é uma técnica que ofereça um tempo consideravelmente mais rápido da análise comparada à cromatografia tradicional da troca catiónica (CEx) e aos métodos de focalização isoelétrico capilares (CIEF) usados para a análise variante da carga17 ,18. A mídia de biorreator gasto foi analisada para rastrear o consumo de aminoácidos durante a produção protéica, pois relaciona-se com alterações nos atributos de identificação do anticorpo19,20,21,22 , a 23.
A análise protéica nos permite identificar os parâmetros críticos do processo (CPPs) com base nas relações entre as entradas do processo e as mudanças nas CQAs. Durante o desenvolvimento de Bioprocessos, identificar e medir CPPs demonstra fundamentalmente o controle do processo e assegura que o produto não tenha mudado, o que é essencial em ambientes de manufatura altamente regulamentados. Neste trabalho são apresentadas técnicas analíticas para mensurar algumas das características bioquímicas da proteína mais pertinente ao produto CQAs (perfil N-glycan, variantes de carga e homogeneidade de tamanho).
HCCF contem os restos e as grandes partículas que podem obstruir e destruir a instrumentação cara, assim o esclarecimento da cultura é necessário antes do processamento mais adicional do downstream. A centrifugação é geralmente a primeira aproximação às pilhas separadas e às outras partículas insolúveis das proteínas seguidas pela filtração. Este HCCF filtrado é submetido então à cromatografia líquida da proteína rápida (FPLC) para a purificação. A purificação de HCCF de microbioreatores automatizados para obter o produto é um passo importante no processamento a jusante. Aqui, um sistema FPLC de bancada com uma coluna de proteína a é usado para obter anticorpos monoclonais do HCCF. O Analytics para processos upstream pode fornecer insights úteis sobre o comportamento da célula e orientar o design de Bioprocessos, ajudando a obter um produto de qualidade consistente e confiável. O Analytics também nos permite vincular os atributos de qualidade crítica (CQAs) aos processos upstream e downstream. São apresentados aqui quatro ensaios que são comumente usados na caracterização de anticorpos monoclonais. Essas técnicas são robustas, confiáveis e prontamente destacáveis para análise de processos e produtos a partir de uma variedade de fontes upstream que são apenas parcialmente purificadas e ainda podem conter níveis residuais de DNA e HCP.
Ao limpar amostras para análise, um importante equilíbrio deve ser atingido entre a criação de uma amostra que está suficientemente limpa para análise, preservando a variabilidade presente no biorreator. Os dois contaminantes mais comuns que afetam o produto são o DNA e o HCP, que podem ser verificados medindo-se a absorbância da razão em 260/280 nm e através de SDS-PAGE ou μCE-SDS. Os ensaios aqui apresentados não são sensíveis a níveis baixos de conteúdo de DNA. A pureza do produto é > 95% puro, como determinado pelo μCE-SDS.
A análise de variante de carga com um sistema de eletroforese microcapilar fornece um método de alta taxa de transferência para identificar variantes de carga, com chips e reagentes que são relativamente fáceis de implementar. A natureza da técnica e a química do reagente de rotulagem são sensíveis a excipientes e outras aminas primárias, exigindo assim uma etapa de dessalinagem para a maioria das matrizes de amostras. Da experiência, os baixos níveis de DNA comigram com o livre-corante da reação de rotulagem e não impactam a qualidade dos resultados. Embora a variabilidade da quantificação de pico básico, principal e ácido seja tipicamente < 1%, níveis mais elevados de DNA e outros contaminantes podem aumentar a variabilidade do ensaio. É extremamente importante ser consistente com a rotulagem da proteína e assegurar o uso alerta do DMF após a remoção da garrafa e de ser misturado com o corante. Os padrões de lisina e/ou histidina são recomendados como controles de rotulagem. Ao longo do tempo e dependendo da qualidade da amostra, os cavacos podem perder o revestimento nos canais de microfluílicos, levando a um maior ruído, a presença de picos fantasmas e maior variação amostral-amostra. Para identificar esta ocorrência, os espaços em branco e um padrão da adequação do sistema (isto é NISTmAb) foram analisados simultaneamente com as amostras em intervalos regulares. Quando surgem problemas de chip, os chips podem ser lavados com a solução de armazenamento ou substituídos.
Os métodos utilizados para a análise glicônica de glicoproteínas terapêuticas envolvem principalmente cromatografia líquida (LC) e/ou espectrometria de massas (MS), com análise de Microarray de lectina ganhando popularidade como terceira opção25. O método descrito neste artigo usa LC e MS, que tem benefícios e desvantagens. Os métodos espectrométricos de massa têm a vantagem da verificação em massa dos glicanos analisados, o que não é possível com métodos baseados em LC usando uma saída de detecção fluorescente ou Microarrays de lectina. Este método usa a deteção do LC e da fluorescência para atribuir identidades do glicana usando a comparação do tempo de retenção a um padrão da escada do dextrano. A monitoração da fluorescência permite o aumento da sensibilidade e da quantificação devido à facilidade de sua deteção, onde o MS sozinho não pôde poder quantificar a baixa espécie da abundância devido à eficiência pobre da ionização dos oligosaccharides. As informações de massa do MS são usadas para confirmar as identidades do glicana, mas o software de processamento não usa informações de massa como os critérios de atribuição primária. Assim, sem cromatografia reprodutível e picos facilmente resolvíveis, este método pode sofrer em relação a atribuições de glicéis. Felizmente, as informações de massa podem ajudar com as atribuições de glicina mesmo em situações em que a cromatografia é subpar, como turnos no tempo de retenção que dificultam as atribuições de glicina reprodutíveis. Se este método é usado sem MS, a cromatografia deve estar ao mais alto nível desde que a informação de massa não pode ser usada para corrigir para a deriva do tempo de residência.
O método de análise de aminoácidos descrito aqui utiliza LC-MS para quantificação rápida de aminoácidos underivatized em meios de cultura de células brutas. Métodos alternativos de análise de aminoácidos requerem agentes de derivação de aminoácidos para permitir a detecção de UV26. O método LC-MS oferece vantagens importantes sobre o método LC-UV: permite a identificação com base no tempo de retenção e na massa de íons em oposição ao método LC-UV, que é limitado pela falta de caracterização em massa. Além disso, o método LC-MS oferece vantagens de tempo e reprodutibilidade, pois o método LC-UV requer uma reação de derivação demorada, o que pode transmitir a variabilidade da amostra27. No entanto, a injeção de meios de cultura de células brutas no método LC-MS pode causar efeitos prejudiciais no sinal de SM devido à incrustagem de escumadeira de íons. Uma escada de calibração é injetada freqüentemente como uma verificação de adequação do sistema, e a ordem da amostra é randomizada para evitar viés nos dados.
O processo de cultura celular para produção de anticorpos utilizando microbioreatores é descrito anteriormente9. Neste estudo, protocolos detalhados para métodos de caracterização de anticorpos monoclonais que maximizam os dados adquiridos de volumes de amostra limitados são bem definidos. Quantidades limitadas de fluido de cultura de células colhidas podem às vezes restringir as informações do produto adquiridas e a seleção dos procedimentos analíticos certos para obter dados de qualidade do produto é essencial. As análises são importantes para vincular os parâmetros de processo upstream às alterações na qualidade do produto. Aqui, um Guideline é fornecido para que os usuários caracterizem mAbs ao trabalhar com microbioreactors.
The authors have nothing to disclose.
Os autores gostariam de agradecer a Scott lute pelo apoio analítico que ele forneceu. O financiamento interno parcial e o suporte para este trabalho são fornecidos pelo programa de caminho crítico CDER (CA #1-13). Este projeto é apoiado em parte por uma nomeação para o estágio/programa de participação de pesquisa no escritório de produtos de biotecnologia, E.U. alimentos e administração de drogas, administrado pelo Oak Ridge Institute for Science and Education através de um acordo interinstitucional entre o departamento de energia dos EUA e a 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 |