用于基于抗体的治疗分子质量数计算的开源框架

Summary

本文介绍了如何使用软件应用程序mAbScale来计算基于单克隆抗体的蛋白质疗法的质量数。

Abstract

生物治疗肿块是验证身份和结构完整性的一种手段。完整蛋白质或蛋白质亚基的质谱 （MS） 为生物制药开发的不同阶段提供了一种简单的分析工具。当MS的实验质量数在理论质量数的预定义质量数误差范围内时，蛋白质的身份得到确认。虽然有几种计算工具可用于计算蛋白质和肽分子量，但它们要么不是为直接应用于生物治疗实体而设计的，要么由于付费许可证而存在访问限制，要么需要将蛋白质序列上传到主机服务器。

我们开发了一种模块化质量数计算程序，可以轻松测定治疗性糖蛋白（包括单克隆抗体 （mAb）、双特异性抗体 （bsAb） 和抗体-药物偶联物 （ADC））的平均或单同位素质量数和元素组成。这个基于 Python 的计算框架的模块化特性将允许该平台在未来扩展到其他模式，例如疫苗、融合蛋白和寡核苷酸，并且该框架也可用于自上而下的质谱数据查询。通过创建具有图形用户界面 （GUI） 的开源独立桌面应用程序，我们希望克服在无法将专有信息上传到基于 Web 的工具的环境中使用的限制。本文介绍了mAbScale工具在不同基于抗体的治疗方式中的算法和应用。

Introduction

在过去的二十年里，生物治疗药物已经发展成为现代制药工业的中流砥柱。SARS-CoV2 大流行和其他危及生命的疾病进一步增加了对更快、更广泛地开发生物制药分子的需求 ^1,2,3。

生物治疗药物分子量与其他分析检测相结合，对于分子的鉴定至关重要。完整和减少的亚基质量数用于整个发现和开发生命周期，作为旨在保持质量的控制策略的一部分，如QTPP（质量目标产品简介）⁴中所述。

生物制药行业的分析开发在很大程度上依赖于质量测量，以使用肽图分析或多属性方法（MAM）监测进行完整质量分析和深度表征。利用现代质谱 （MS） 平台的这些技术的核心是能够提供高分辨率的精确质量 （HR/AM） 测量。大多数HR/AM仪器的质量精度在0.5-5 ppm范围内，与质量范围成正比。准确测量完整大分子质量数的能力能够快速、可靠地鉴定大分子治疗药物。由于使用大分子（>10 kDa）的典型实验条件无法获得同位素分辨率，因此必须计算平均质量数以进行比较和鉴定^5,6。<....

Protocol

mAbScale 的高级工作流程 如图 2 所示。每个步骤都有更复杂的内部决策分支、循环和组合函数。描述计算过程的详细算法工作流程见 补充图 1。应用程序输出以电子表格格式保存在用户选择的文件夹中。输出文件由多个单独的工作表组成，这些工作表可以归类为用户输入、分子量计算和平均同位素质量数推导的参考（补充表中提供了示例输出）。用户输入的工作表包括用户输入的蛋白质氨基酸序列和其他信息、平均元素质量和聚糖质量，用于计算元素组成和不同分子量。分子量计算表包括各种形式的化学组成、有和没有糖基化和化学修饰的还原质量数，以及有和没有糖基化和化学修饰的完整质量数。如果用户在用户输入页面中输入两种不同的 HC 和/或两种不同的 LC，则将自动生成含有半抗体质量的纸，因为半抗体是需要相对于所需异二聚体进行鉴定和定量的主要杂质。mAbScale 的源代码可通过以下存储库访问:https://github.com/kkhatri99/mAbScale。

Results

选择多种单克隆抗体来代表不同类型的单克隆抗体。选择市售的mAb标准品来表示在Fc区域具有相同重链、相同轻链和一个N-连接糖基化位点的常规mAb。此外，还选择了具有额外轻链 N-连接糖基化的单克隆抗体、双特异性单克隆抗体和抗体-药物偶联物 （ADC） 单克隆抗体，以扩大应用范围。 表1总结了这些示例mAb的化学成分、计算质量数、测量质量和质量数误差。mAbScale报告的蛋白质化学组成和计算质量数已通过GPMAW¹⁶（一种用于蛋白质和肽一级结构分析的程序）确认。

对于完整质量数分析，使用LC-MS级水将mAb样品稀释至1 mg/mL，然后进样进行分析。对于还原分析，首先用二硫苏糖醇处理样品，并在37°C下孵育15分钟以切割链间二硫键。所有样品均使用与质谱仪联用的Acquity UPLC系统进行分析。采用BEH 200 SEC色谱柱进行在线脱盐，采用等度法，以水/乙腈（65:35）和0.1% TFA为流动相分离重链和轻链。质谱仪在正离子模式下运行，扫描范围为700-5,000 m/z。

Discussion

mAbScale提供了一个直观的用户界面，可以灵活地改变质量数和元素计算的构建模块。用户应对目标分子有基本的了解，以便使用该应用程序，得出正确的质量数，并解释结果。例如，由于完整或减少质量数的行数众多，完整或减少的质量输出表可能会让人不知所措，因为默认的聚糖数据库包含88种N-连接聚糖，这些聚糖通常存在于治疗性抗体的Fc部分，并且该应用程序计算了数据库¹⁸中包含的所有可能的糖型质量数^，19.虽然大多数治疗性单克隆抗体被设计为去除 Fab 区域的糖基化，但一些单克隆抗体可能会保留该糖基化位点，这可能会进一步增加糖基化蛋白型的总数。建议用户建立一个聚糖数据库，重点关注给定分子最合适的糖型，以降低输出的复杂性，并更好地将结果与测量的质量数对齐，以进行质量峰鉴定。

由于轻链和重链的异质性，bsAb 的复杂性进一步增加。该软件应用程序使用提供的 LC 和 HC 序列和糖型生成所有可能的排列和组合，以允许从抗体亚基（如半抗体）的错配或不完全配对中产生所有潜在的副产物。这就让用户.......

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Acquity UPLC 系统	Waters Corp.， Milford， MA	N/A	模块化系统
抗体-药物偶联物 （ADC）	葛兰素史克	N/A	专有分子
BEH 200 SEC 色谱柱	Waters Corp.，马萨诸塞州米尔福德	176003904
双特异性单克隆抗体	葛兰素史克	N/A	专有分子
Byos	Protein Metrics，加利福尼亚州库比蒂诺	https://proteinmetrics.com/byos/ 版本 4.5
GPMAW	GPMAW	http://www.gpmaw.com/
LC-MS 级水	Thermo Fisher Scientific，马萨诸塞州沃尔瑟姆	W6-1
mAb 标准品	Waters Corp.，马萨诸塞州米尔福德	186009125	Waters 人源化 mAb 质量检查标准
mAbScale	葛兰素史克	Apache 许可证，版本 2.0
Xevo G2 Q-TOF 质谱仪	Waters Corp.， Milford， MA	N/A	模块化系统