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文章分享:全柱成像毛細管等電聚焦電泳-質譜串聯技術(iCIEF-MS)用于單克隆抗體的電荷異質性分析

關鍵詞:ms icief 單細胞抗體
時間:2023-02-14 17:51:36

  近期,在Analytical Chemistry上發表的一篇文章,為我們展示了一種新的用于抗體藥物電荷異質性表征的分析技術——iCIEF-MS,它不僅能獲得與SCX-MS類似的分析效果,但同時也表現出了比SCX-MS更為出色的能力,如更好的檢測靈敏度、更佳的重復性和更低的殘留,這將為蛋白藥物的電荷異質性分析提供了一種全新的策略。

  本文將對文章的部分內容進行介紹,如有感興趣的讀者,可閱讀原文章以獲取更多內容。

  原文見:Anal. Chem. 2023, 95, 4, 2548–2560

  蛋白質的電荷異質性是多種機制綜合作用的結果,包括細胞過程、化學降解和制 造過程中的生產條件。例如,許多翻譯后修飾(PTMs ) 的發生,包括 c 端賴氨酸截斷、焦谷氨酸形成、脫酰胺化、唾液化和糖基化可導致電荷變異體的形成。在上述修飾中,許多修飾會引起蛋白質等電點 (pI) 值的變化,從而對藥物的穩定性和溶解度產生負面影響。因此,必須強調需要對電荷變異體進行可靠的表征,以評估關鍵質量屬性 (CQA),并確保在整個臨床和商業開發期間治療性mAbs的制造過程中保持一致的質量。

  全柱成像毛細管等電聚焦 (iCIEF) 和離子交換色譜 (IEX)是治療性mAbs在研發和質量控制中進行電荷異質性分析的兩種常用技術。IEX已被開發為MS檢測的前端分離技術,在蛋白質表征方面有很大的應用。然而,iCIEF-MS聯用技術在發現蛋白質電荷變異體方面仍然還存在的關鍵瓶頸,包括不令人滿意的重復性、復雜的操作以及與MS離子源的不兼容。

CEInfinite iCIEF分析兼制備型全柱成像毛細管電泳系統

  基于芯片的iCIEF-MS技術平臺,使用加拿大AES公司開發的分析與制備一體的CEInfinte系統用于實現快速iCIEF分離,后端使用高分辨率的Thermo Q-Exactive Plus質譜平臺進行蛋白質的電荷變異體的鑒定。iCIEF分離部分采用了與MS兼容的兩性電解質、不使用甲基纖維素( MC ) 和尿素的毛細管柱,通過創新的微升ESI接口提高檢測蛋白質藥物電荷變異的靈敏度,這種無縫的MS連接方式使得整個iCIEF-HRMS分析可以在35 min內完成,遠遠快于傳統cIEF-MS,后者通常需要60 min以上。此外,該iCIEF-MS平臺通過更換μg級的制備iCIEF毛細管柱,即可靈活切換到 iCIEF餾分收集模式,對蛋白質的電荷變異體組分進行組分收集,并進行深入的表征,包括LC-MS肽圖分析、生物相互作用等研究。整合 iCIEF-MS 和基于iCIEF 的餾分收集將進一步有助于在mAb 電荷異質性表征方面建立全面的基于iCIEF 的MS 策略。

圖1 iCIEF-MS的原理圖

  利用該iCIEF-MS系統,對9種不同的治療性mAb的電荷變異體進行表征,并對 iCIEF-MS 的方法進行了系統驗證。同時,利用SCX-MS分析了所研究的mAb的電荷異質性。兩種手段的分析結果比較表明,iCIEF在分離分辨率、靈敏度、低殘留效應和精確分子量測量精度方面比SCX-MS有明顯優勢,盡管SCX-MS的分析通量更高。

表1 九種單抗的等電點信息和使用的iCIEF試劑

  iCIEF和SCX分離9種單克隆抗體的性能比較

  在最優化的條件下,通過 iCIEF-UV和 SCX-UV 分別分離了9種單克隆抗體,并進行了比較。兩種分離工具均在10 min內實現了高通量分離,所研究的單克隆抗體獲得了相同的峰序列。首先洗脫的是酸性最強的變體,其次是主峰和堿性變體。對于大多數異質性 mAb 混 合物,iCIEF 基于pI差異的分離度顯著高于SCX。在某些情況下,如英夫利西單抗,通過iCIEF可以實現 4 種電荷變異體和一個主成分的基線分離,但使用 SCX 的分離度卻不理想。類似地,對于帕博利珠單抗、阿替利珠單抗和地諾單抗,使用iCIEF可以很好地檢測出所有電荷變異體; 然而,在使用SCX時,一些電荷變體卻丟失了。在分離的選擇性方面,盡管 iCIEF 由于不同的分離機制而比SCX具有更寬的峰寬,但由于其pI的細微差異,iCIEF表現出了更好的性能。

圖2 九種mAb的iCIEF-UV圖譜和SCX-UV譜圖

  iCIEF和SCX 串聯MS的比較

  如圖3所示,iCIEF-S和SCX-MS 鑒定了阿替利珠單抗的電荷變異體,并比較了它們的結果。在SCX分離中,MS檢測到的酸堿峰順序與UV一致。而在iCIEF分離中,堿性峰首先被推向ESI源,因此MS檢測中的酸堿峰順序與UV檢測的順序相反。另一個顯著的區別是,由于SCX-MS使用更高的流速,從UV到MS檢測,柱外的峰展寬程度都較輕,這意味著UV峰形狀與MS峰形狀更一致。相比之下,iCIEF-MS 較低的遷移流速意味著柱外效應對iCIEF分離的影響更大;從UV 檢測到MS檢測,峰呈現更為明顯的展寬,尤其是主峰,強度更高,并與稍低 pI 的酸性峰部分重疊。這種重疊可以通過使用窄pH的兩性電解質和新型的涂層分離毛細管柱,以進一步提高 iCIEF-MS的分離度,以克服峰展寬造成的分辨率損失。

圖3 以阿替利珠單抗為研究對象,比較iCIEF-MS 和 SCX-MS分離效果:UV譜圖(左)和MS-TIC譜圖(右)。

  iCIEF-MS分析的靈敏度遠高于SCX-MS

  在QE Plus上使用SCX -MS方法分析單克隆抗體時,TIC的響應非常低。以阿替利珠單抗為例,即使將100 μg的 mAb 加載到 SCX 柱上,其主成分的 TIC 響應為 5 E5,電荷變異體則沒有被檢測到。單克隆抗體在 Orbitrap Exploris 240上的完整質量響應得到了很大提高。如圖 3 所示,加載 20 μg 阿替利珠單抗后,主成分的TIC 響應為 3.82 E8。因此,SCX-MS 對所有單克隆抗體的分析在 Orbitrap Exploris 240 上進行,靈敏度更高。

  與SCX-MS相比,iCIEF-MS 的信號響應更高。雖然 iCIEF-MS的樣品載量只有SCX-MS的十分之一,但iCIEF-QE Plus MS的TIC 強度與SCX -Orbitrap Exploris 240 相同(如圖3所示)。iCIEF-MS比SCX-MS靈敏度高的原因有兩個。首先,iCIEF-MS所用的流速(小于6 μ L/min)遠低于SCX-MS所用的流速 (300 μL/ min)。較低的流速導致較高的蒸發效率和MS效率。iCIEF-MS微流體系統的低流量操作顯著提高了MS靈敏度,并增加了動態范圍,即使樣品量低至1 ng 。其次,文章中用于SCX-MS的洗脫流動相的pH接近mAb的pI點 (pH 7~10) ,因此洗脫是在中性堿性條件下進行的。在iCIEF-MS中,補償液采用含0.5 % FA的50 %乙腈,流速為5 μL/ min,注射泵流速為80 nL/ min。在此比例下,進入MS的最終流動相處于酸性條件。因此,SCX-MS 中性/堿性流動相進入MS,而iCIEF-MS是酸性流動相進入MS,在中性/堿性條件下,蛋白質與質子結合的能力比酸性條件下弱得多,因此與iCIEF-MS相比,SCX-MS在較低的電荷狀態下電荷數量較少。處于較低電荷態的蛋白質更容易結合加合物。因此,SCX-MS 洗脫的蛋白質比iCIEF-MS洗脫的蛋白質有更多的加合物。蛋白質的加合物抑制了電離,導致SCX-MS的質譜效率低于iCIEF -MS。


圖4 阿替利珠單抗的高靈敏度iCIEF-MS表征分析:不同濃度(0.0 5 ~ 2 mg/mL ) 阿替利珠單抗(A) 的UV譜圖,TIC (B) 和 MS(C )譜均為0.05 mg/mL;電荷變異體的濃度與MS響應強度的關系如圖(D)所示。

  iCIEF-QE Plus MS 檢測出不同濃度的阿替利珠單抗,見圖4。從酸性變異體和堿性變異體的 TIC和MS譜圖來看,即使在 0.05 mg/ mL的最低濃度 (3倍S/N的UV信號)下,TIC仍然檢測到所有電荷變異體的明顯信號。而SCX-QE Plus MS不能達到0.05 mg/ml的檢出限。而在已報道的傳統cIEF-MS研究中,典型的蛋白質分析濃度為 0.1~ 2 mg/mL。

  iCIEF-MS和SCX-MS的質量準確度比較

  除靈敏度差異外,iCIEF-MS的質量準確度也優于SCX-MS。MS檢測的準確性取決于MS的分辨率??蛇_到的質量分辨率不僅取決于儀器的質量分辨率極限,而且受到電離過程的嚴重影響。加合物使離子信號變寬,因為它們不僅來自于多重質子化的分析物,而且來自于攜帶加合物的分析物。因此,更多的加合物導致較差的分辨率和較大的質量誤差 (較差的精度) 。雖然源內碰撞誘導裂解(CID) 可以將加合物還原為蛋白質,但并不是所有加合物都可以被去除。如表2所示,盡管使用了110 V 的源內CID值,但SCX-MS獲得的質譜峰仍然比 iCIEF-MS獲得的質譜峰寬,導致SCX-MS 主成分MW 偏差 (5.4 ppm )大于iCIEF-MS (2.7 ppm )。另一個例子是貝伐珠單抗。在沒有脫鹽預處理的情況下,SCX-MS對貝伐珠單抗的MW偏差高達33.9 ppm。脫鹽后進行分析,貝伐珠單抗的偏差降低到 12.8 ppm。而iCIEF-MS,由于加合離子形成較少,即使不脫鹽, 獲得的貝伐珠單抗的偏差也僅為9.6 ppm。

表2 阿替利珠單抗的電荷變異體的iCIEF-MS和SCX-MS分析結果比較

  iCIEF -MS 和SCX-MS 的殘留效應

  iCIEF-MS的殘留效應比SCX-MS小得多。阿替利珠單抗在分析后,以水作為空白樣本用于SCX-MS分析,含4% HR 8.5?9.5兩性電解質的水溶液作為空白樣本用于iCIEF-MS分析。iCIEF-UV未見明顯信號,而SCX-UV 在阿替利珠單抗峰值處檢出小信號。SCX-TIC 和iCIEF-TIC的保留時間分別為6.82和21.5 min ,信號峰相對明顯。從這兩個信號峰提取的MS。通過去卷積,確定SCX-TIC檢測到的殘余信號是阿替利珠單抗,而iCIEF-TIC檢測到的信號只是兩性電解質,這意味著iCIEF-MS中沒有檢測到殘余分析信號。低殘留率使iCIEF-MS對微量蛋白電荷變異體的檢測更加準確和可靠,避免了假陽性結果。

圖5 iCIEF-MS和SCX-MS的殘留效應的比較:SCX-MS (A-C)顯示殘留阿替利珠單抗信號,而iCIEF (D-F)沒有殘留分析物信號。

  如圖4和圖5所示,觀察到1500~2500 m/z 的背景信號,MS信息證實它們不是蛋白質,而是來自兩性電解質和溶劑背景。背景離子不干擾mAb電荷變異體的鑒定。

  iCIEF-MS鑒定蛋白質的可重復性

  iCIEF-MS平臺的重復性考察結果表明,對阿替利珠單抗電荷變異體的測定表現出良好的重復性。通過iCIEF-MS 進行批次間蛋白質樣品鑒定,所有批間檢測到的相同電荷變異的質量偏差很小 (<10 ppm ) ,可以保證可靠性和一致性。

圖 6 使用阿替利珠單抗進行的iCIEF-MS蛋白鑒定的重復性考察(n=5)

  9種mAb的iCIEF-MS表征結果

  表3列出了所有9種mAb的電荷變異體的修飾鑒定結果。酸性變異體的表征比堿性變異體更具挑戰性,因為酸性變異體具有更復雜的修飾。雖然這種酸性修飾通??梢酝ㄟ^ pI 來區分,但它們在分子質量上的差異相當小。iCIEF在線串聯高分辨率質譜可以通過結合完整的蛋白質分子量和測量的pI值來闡明蛋白質的結構信息,為解決酸性電荷變異體的難題提供一個有用的串聯平臺。

表3 九種單克隆抗體的電荷變異體的iCIEF-MS表征結果

  使用 iCIEF-MS 和SCX-MS 來表征一系列不同的治療性單克隆抗體的電荷變異體可以獲得類似的結果。然而,iCIEF-MS 在分離分辨率、靈敏度、低殘留效應和MW測量精度方面比SCX-MS 表現出更多的優勢。因此,將iCIEF-HRMS分析與更常見的SCX-MS 相結合,通過正交的驗證,可以為分離和鑒別蛋白電荷變異體提供一個有前景且全面的策略。

  參考文獻:略

  原文請參考:GangWu, ChuanfeiYu, WenboWang. Mass Spectrometry-Based Charge Heterogeneity Characterization of The rapeutic mAbs with Imaged Capillary Isoelectric Focusing and Ion-Exchange Chromatography as Separation Techniques . Analytical Chemistry. 2023, 95, 4, 2548–2560..

  https://doi.org/10.1021/acs.analchem.2c05071

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