Описан подробный протокол очистки и последующего анализа моноклональных антител из собранной жидкости клеточной культуры (HCCF) автоматизированных микробиореакторов. Также представлена аналитика для определения критических атрибутов качества (КЗА) и максимизации ограниченного объема выборки для извлечения жизненно важной информации.
Моноклональные антитела (mAbs) являются одним из самых популярных и хорошо охарактеризованных биологических продуктов, производимых сегодня. Чаще всего производится с использованием китайских хомяков яичников (CHO) клетки, культура и условия процесса должны быть оптимизированы, чтобы максимизировать антитела титры и достичь целевых профилей качества. Как правило, эта оптимизация использует автоматизированные микромасштабные биореакторы (15 мл) для параллельного скрининга нескольких условий процесса. Критерии оптимизации включают производительность культуры и критические атрибуты качества (КЗА) моноклонального продукта антител (mAb), которые могут повлиять на его эффективность и безопасность. Показатели производительности культуры включают рост клеток и потребление питательных веществ, в то время как C’As включают n-гликозилации mAb и агрегирования профилей, варианты заряда, и молекулярный вес. Этот подробный протокол описывает, как очистить и впоследствии проанализировать образцы HCCF, производимые автоматизированной системой микробиореактора, чтобы получить ценные показатели производительности и выходы. Во-первых, автоматизированный метод быстрой белковой жидкости хроматографии (FPLC) используется для очищения mAb от собранных образцов клеточной культуры. После концентрации гликановые профили анализируются масс-спектрометрией с помощью определенной платформы (см. таблицу материалов). Молекулярные веса антител и профили агрегации определяются с помощью микрографа-версия хроматографии-многократное рассеяние углового света (SEC-MALS), в то время как варианты заряда анализируются с помощью электрофораса зоны капилляров микрочипа (mC’E). В дополнение к метрикам производительности культуры, захваченным в процессе биореактора (т.е. жизнеспособность культуры, количество клеток и общие метаболиты, включая глутамин, глюкозу, лактат и аммиак), анализируются расходные средства массовой информации для определения ограничивающих питательных веществ улучшить стратегии кормления и общий дизайн процесса. Поэтому также описан подробный протокол абсолютной количественной оценки аминокислот жидкой хроматографической масс-спектрометрией (LC-MS) отработанных носителей. Методы, используемые в этом протоколе, используют высокопроизводительные платформы, совместимые для большого количества малообъемных образцов.
Белковые терапии используются для лечения растущего разнообразия заболеваний, включая осложнения трансплантации тканей, аутоиммунные расстройства и рак1. С 2004 года Управление по контролю за продуктами и лекарствами США (USFDA) задокументировало увеличение доли биологических заявок на лицензии (BLAs) всех утверждений, регулируемых Центром по оценке и исследованиям лекарственных средств (CDER), при этом на БЛО приходится более 25% в 2014 и 2015 годах2.
Учитывая этот расширяющийся рынок, биофармацевтические производители сталкиваются с проблемой быстрого доставки большего количества продукции с последовательным качеством. Усилия по увеличению урожайности продукции были сосредоточены на CHO клеточной инженерии и скрининга производственной линии, хотя наиболее значительные улучшения связаны с достижениями в области медиа / питания стратегии оптимизации и клеточной культуры экологического контроля1, 3 , 4 , 5 в процессе производства.
Так как mAbs производятся в биологической системе, может быть присущая изменчивость белка. Состав антител может быть изменен пост-переводически, такие как гликозилирование или влияние деградации или ферментативных реакций. Эти структурные изменения могут спровоцировать опасные иммунные реакции или изменить связывание антител, которые, в свою очередь, могут уменьшить или устранить предполагаемую терапевтическую функцию5. Таким образом, критические атрибуты качества (КЗА) моноклональных антител – N-гликанский профиль, распределение вариантов заряда и процент антител в мономерной форме – регулярно контролируются и контролируются в рамках подхода «Качество по дизайну» (кбД) во время производственныепроцессы 1,6. В регулируемой производственной среде терапевтические белки должны соответствовать критериямпринятия лицензии в качестве утвержденного коммерческого лекарственного продукта 7. Методы, представленные в этом вопросе, как правило, являются частью процесса характеристики качества для антитела7,8, и любой ученый белка будет знаком с их использованием.
В предыдущей работе9, применение и эксплуатация микробиореакторов для высокой пропускной мощности скрининга клеточной культуры условия хроноув биообработки была описана. Очищенный продукт, полученный из различных медиа-условий подвергается N-гликананализа анализа с использованием LC-MS. Гликозилирование моделей терапевтических белков могут быть обнаружены и охарактеризованы с помощью методов LC-MS10,11, и наличие различных видов гликанов было связано с параметрами биопроцесса, такими как стратегия корма, рН и температура12. Влияние различных условий мультимедиа на качество продукции, о чем свидетельствует процент полученного IgG в мономерной форме, также оценивается с помощью хроматографии отчуждения размера- Многоугловое рассеяние света (SEC-MALS)13,14 , 15. Профиль варианта заряда представляет ряд модификаций16, которые могут повлиять на функцию продукта. Микрокапиллярная зона электрофорексис (mC’E) является методом, который предлагает значительно более быстрое время анализа по сравнению с традиционной катионной обмен (CEX) хроматографии и капиллярной изоэлектрической фокусировки (cIEF) методы, используемые для анализа варианта заряда17 ,18. Отработанные биореакторные носители были проанализированы для отслеживания потребления аминокислот во время производства белка, поскольку это относится к изменениям в определяющих атрибутах антитела19,20,21,22 , 23.
Белковая аналитика позволяет нам определить критические параметры процесса (CPP) на основе взаимосвязи между входными данными процесса и изменениями в C’As. Во время разработки биопроцесса, выявление и измерение КТГ фундаментально демонстрирует контроль процесса и гарантирует, что продукт не изменился, что имеет важное значение в строго регулируемых производственных средах. В этой работе представлены аналитические методы измерения некоторых биохимических характеристик белка, наиболее уместного для продукта СЗА (профиль N-гликанов, варианты заряда и однородность размера).
HCCF содержит мусор и крупные частицы, которые могут засорять и уничтожать дорогостоящие приборы, поэтому перед дальнейшей обработкой ниже по течению необходимо прояснение культуры. Центрифугация, как правило, первый подход к отдельным клеткам и другим нерастворимым частицам от белков с последующей фильтрацией. Этот отфильтрованный HCCF затем подвергается быстрой протеиновидной жидкой хроматографии (FPLC) для очистки. Очистка HCCF от автоматизированных микробиореакторов для получения продукта является важным шагом в обработке ниже по течению. Здесь для получения моноклональных антител от HCCF используется система fPLC с колонкой белка А. Аналитика для процессов восходящего потока может дать полезную информацию о поведении клеток и руководство дизайн биопроцесса, помогая получить последовательный и надежный качественный продукт. Аналитика также позволяет нам связывать критические атрибуты качества (КЗА) с процессами вверх и вниз по течению. Здесь представлены четыре анализы, которые обычно используются в характеристике моноклональных антител. Эти методы являются надежными, надежными и легко развертываемыми для анализа процессов и продуктов из различных источников, которые лишь частично очищены и могут по-прежнему содержать остаточные уровни ДНК и HCP.
При очистке образцов для аналитики необходимо найти важный баланс между созданием образца, достаточно чистого для анализа, сохраняя при этом изменчивость, присутствующую в биореакторе. Двумя наиболее распространенными загрязняющими веществами, влияющими на продукт, являются ДНК и HCP, которые могут быть проверены путем измерения абсорбции соотношения на уровне 260/280 нм и через SDS-PAGE или ЗСЕ-СДС. Представленные здесь анализы не чувствительны к низким уровням содержания ДНК. Чистота продукта является чистым, как это определено в соответствии с «CE-SDS».
Анализ варианта заряда с системой микрокапиллярного электрофорасиса обеспечивает высокопроизводительный метод для определения вариантов заряда, с чипами и реагентами, которые относительно просты в реализации. Характер техники и химия реагента маркировки чувствительны к excipients и другим главным образом amines, таким образом требуя шаг опреснения для большинств матриц образца. По опыту, низкие уровни ДНК комигрируют со свободным красителями от реакции маркировки и не влияют на качество результатов. В то время как вариативность основной, основной и кислой пиковой количественной оценки, как правило, является йт-1, более высокие уровни ДНК и других загрязняющих веществ могут увеличить изменчивость анализа. Чрезвычайно важно быть в соответствии с маркировкой белка и обеспечить оперативное использование DMF после удаления из бутылки и смешивания с красителя. В качестве контроля маркировки рекомендуется использовать стандарты лизин и/или гистидина. С течением времени и в зависимости от качества образца, чипы могут фол или потерять покрытие на микрофлюидных каналов, что приводит к большему шуму, наличие призрак пиков, и больше выборки к образцу изменения. Для выявления этого явления с регулярными интервалами одновременно анализировались пробелы и стандарт пригодности системы (т.е. NISTmAb). При возникновении проблем с чипами чипы можно промыть раствором для хранения или заменить.
Методы, используемые для гликанового анализа терапевтических гликопротеинов, в первую очередь включают в себя жидкую хроматографию (LC) и/или масс-спектрометрию (MS), при этом анализ микроаррей лектин набирает популярность в качестве третьего варианта25. Метод, описанный в настоящем документе, использует как LC, так и MS, который имеет преимущества и недостатки. Масс-спектрометрические методы имеют преимущество массовой проверки проанализированных гликанов, что невозможно с помощью LC-методов с использованием флуоресцентного обнаружения выход или лектин microarrays. Этот метод использует обнаружение LC и флуоресценции для присвоения гликанов идентификационных данных, используя сравнение времени удержания к стандарту dextran лестницы. Мониторинг флуоресценции позволяет повысить чувствительность и количественную оценку в связи с легкостью его обнаружения, где MS только не может быть в состоянии количественно низкого изобилия видов из-за низкой эффективности ионизации олигосахаридов. Массовая информация от MS используется для подтверждения гликановых идентификационных данных, но программное обеспечение для обработки не использует массовую информацию в качестве основного критерия назначения. Таким образом, без воспроизводимой хроматографии и легко разрешимых пиков, этот метод может пострадать в отношении гликанских заданий. К счастью, массовая информация может помочь с гликанзан назначений даже в ситуациях, когда хроматография является subpar, таких как сдвиги во времени удержания, которые препятствуют воспроизводимых назначений гликанов. Если этот метод используется без MS, хроматография должна быть на самом высоком уровне, так как массовая информация не может быть использована для коррекции для дрейфа времени проживания.
Метод анализа аминокислот, описанный здесь, использует LC-MS для быстрой количественной оценки недоивтатных аминокислот в сырых средствах культуры клеток. Альтернативные методы анализа аминокислот требуют аминокислотных агентов производнозации, чтобы уф-обнаружить26. Метод LC-MS предлагает важные преимущества перед методом LC-UV: он позволяет идентифицировать на основе времени удержания и ионной массы, в отличие от метода LC-UV, который ограничен отсутствием массовой характеристики. Кроме того, метод LC-MS предлагает преимущества времени и воспроизводимости, так как метод LC-UV требует длительной реакции производной, которая может придать изменчивости образца27. Тем не менее, инъекция сырой среды культуры клеток в методе LC-MS может вызвать пагубное воздействие на сигнал MS из-за ионного скиммера загрязнения. Калибровка лестницы вводится часто в качестве проверки пригодности системы, и выборка порядка рандомизированы для предотвращения предвзятости в данных.
Процесс культуры клеток для производства антител с использованием микробиореакторов ранее описано 9. В этом исследовании четко определены подробные протоколы для методов характеристик моноклональных антител, которые максимизируют данные, полученные из ограниченных объемов выборки. Ограниченное количество собранной жидкости клеточной культуры иногда может ограничить полученную информацию о продукте, и выбор правильных аналитических процедур для получения данных о качестве продукции имеет важное значение. Аналитика важна для объединения параметров процесса восходящего потока с изменениями в качестве продукции. Здесь предусмотрено руководство для пользователей для характеристики mAbs при работе с микробиореакторами.
The authors have nothing to disclose.
Авторы хотели бы поблагодарить Скотта Лютза за аналитическую поддержку, оказанную им. Частичное внутреннее финансирование и поддержка этой работы обеспечивается Программой критического пути CDER (CA #1-13). Этот проект частично поддерживается назначением на стажировку/программу участия в исследованиях в Управлении биотехнологических продуктов, Управление по контролю за продуктами и лекарствами США, находящемся в ведении Института науки и образования Оук-Ридж, через межведомственное соглашение между Министерством энергетики США и 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 |