Un marco de código abierto para el cálculo masivo de moléculas terapéuticas basadas en anticuerpos

Summary

En este artículo se describe el uso de una aplicación de software, mAbScale, para el cálculo de masas para terapias con proteínas basadas en anticuerpos monoclonales.

Abstract

Las masas bioterapéuticas son un medio para verificar la identidad y la integridad estructural. La espectrometría de masas (MS) de proteínas intactas o subunidades proteicas proporciona una herramienta analítica sencilla para las diferentes etapas del desarrollo biofarmacéutico. La identidad de la proteína se confirma cuando la masa experimental de la EM está dentro de un rango de error de masa predefinido de la masa teórica. Si bien existen varias herramientas computacionales para el cálculo de los pesos moleculares de proteínas y péptidos, no fueron diseñadas para su aplicación directa a entidades bioterapéuticas, tienen limitaciones de acceso debido a licencias pagas o requieren cargar secuencias de proteínas en servidores host.

Hemos desarrollado una rutina modular de cálculo de masas que permite determinar fácilmente las masas medias o monoisotópicas y las composiciones elementales de las glicoproteínas terapéuticas, incluidos los anticuerpos monoclonales (mAb), los anticuerpos biespecíficos (bsAb) y los conjugados anticuerpo-fármaco (ADC). La naturaleza modular de este marco de cálculo basado en Python permitirá la extensión de esta plataforma a otras modalidades como vacunas, proteínas de fusión y oligonucleótidos en el futuro, y este marco también podría ser útil para la interrogación de datos de espectrometría de masas de arriba hacia abajo. Al crear una aplicación de escritorio independiente de código abierto con una interfaz gráfica de usuario (GUI), esperamos superar las restricciones de uso en entornos donde la información propietaria no se puede cargar en herramientas basadas en la web. En este artículo se describen los algoritmos y la aplicación de esta herramienta, mAbScale, a diferentes modalidades terapéuticas basadas en anticuerpos.

Introduction

En las últimas dos décadas, la bioterapéutica ha evolucionado hasta convertirse en un pilar de la industria farmacéutica moderna. La pandemia de SARS-CoV2 y otras afecciones potencialmente mortales han aumentado aún más la necesidad de un desarrollo más rápido y amplio de moléculas biofarmacéuticas ^1,2,3.

El peso molecular bioterapéutico es crítico para la identificación de la molécula, en combinación con otros ensayos analíticos. Las masas de subunidades intactas y reducidas se utilizan a lo largo de los ciclos de vida de descubrimiento y desarrollo como parte de las estrategias de control destinadas a mantener la calidad, como se describe en el QTPP (Quality Target Product Profile)⁴.

El desarrollo analítico en la industria biofarmacéutica se basa en gran medida en las mediciones de masa para el análisis de masa intacta y la caracterización profunda mediante el mapeo de péptidos o el monitoreo del método multiatributo (MAM). En el centro de estas técnicas que utilizan plataformas modernas de espectrometría de masas (MS) se encuentra la capacidad de proporcionar mediciones de masa precisas de alta resolución (HR/AM). La mayoría de los instrumentos HR/AM producen precisiones de masa en el rango de 0,5-5 ppm, que se escalan con el rango de masa. La capacidad de medir masas con precisión para moléculas grandes intactas permite la identificación rápida y confiable de terapias de moléculas grandes. Dado que la resolución isotópica no puede alcanzarse utilizando las condiciones experimentales típicas para moléculas grandes (>10 kDa), se deben calcular las masas medias para su comparación e identificación ^5,6.

Un espectro típico de masa de proteína intacta o subunidad representa el perfil proteoforme general, que contiene información compuesta sobre las diversas formas moleculares resultantes de las modificaciones postraduccionales (PTM) y cualquier diferencia de estructura primaria, como clips o variantes de secuencia. La naturaleza relativamente fácil y de alto rendimiento de estas mediciones las hace atractivas para la caracterización y como controles de monitoreo durante el proceso ^7,8. El análisis de datos para estos experimentos generalmente requiere que el usuario defina el espacio de búsqueda de formas moleculares (rango de PTM u otras formas moleculares). En el caso de las proteínas glicosiladas, este espacio de búsqueda está impulsado en gran medida por la heterogeneidad de los glicoformes. Las combinaciones de múltiples PTM, las configuraciones de enlaces disulfuro y otras variaciones a lo largo de la estructura primaria hacen que el cálculo de todas las formas moleculares posibles sea una tarea tediosa. Por lo tanto, el cálculo manual de las posibles formas moleculares es un proceso que consume tiempo y recursos con un alto potencial de error humano.

Aquí, presentamos una herramienta de cálculo de masa que fue desarrollada considerando las características más importantes de las moléculas bioterapéuticas, tales como mAbs, bsAbs, ADCs, etc. La herramienta permite la fácil incorporación de variables de espacio de búsqueda para el cálculo consistente de masas y composiciones elementales. El carácter modular de esta herramienta permitirá seguir desarrollándola y aplicándola al cálculo de masas y a la adaptación de masas para otras modalidades.

El módulo GUI permite al usuario especificar la entrada para el cálculo de masa, como se muestra en la Figura 1; En concreto, el usuario introduce secuencias de aminoácidos de una sola letra para cadenas de anticuerpos ligeros y pesados. Las modificaciones comunes para la ciclación de N-terminal de cadena pesada y el recorte de lisina C-terminal se incluyen como casillas de verificación. Además, la fórmula química/composición elemental se puede agregar/restar de estas cadenas de proteínas a través del cuadro de texto Chem Mod respectivo. Esto permite al usuario la flexibilidad de agregar una composición elemental que incluye múltiples modificaciones postraduccionales o una carga útil de molécula pequeña en el caso de un ADC. Como la mayoría de los anticuerpos monoclonales terapéuticos están diseñados para eliminar los sitios de glicosilación en la cadena ligera, la glicosilación en la cadena ligera se deja opcional y se puede especificar mediante una casilla de verificación en la interfaz gráfica de usuario.

Una variación típica del análisis de masa intacta para anticuerpos es un análisis de masa de subunidades reducidas, en el que la cadena ligera se separa de la cadena pesada mediante la reducción de los enlaces disulfuro entre cadenas. Dependiendo de la fuerza del agente reductor utilizado, los enlaces disulfuro intracadena pueden o no escindirse. Los usuarios tienen la flexibilidad de introducir el número total de enlaces disulfuro en función del subtipo de IgG o en el caso de un^{ADC 9} conjugado con cisteína.

La aplicación calcula las masas de forma ascendente, en la que las composiciones elementales se calculan primero para las cadenas pesadas y ligeras individuales. A continuación, se tiene en cuenta la ciclación N-terminal de cadena pesada (HC) Lys-clipping ajustando las composiciones elementales calculadas. A continuación, se aplican las modificaciones químicas especificadas a las cadenas pesadas y/o ligeras. Dependiendo del tipo de análisis y de los patrones de enlace disulfuro especificados por el usuario, el número de hidrógenos se ajusta para las dos cadenas polipeptídicas. Las masas de HC glicosilado y de cadena ligera (LC) (opcional) se calculan en función de la entrada del usuario. Finalmente, se combinan múltiples masas HC y LC, y los números de enlace disulfuro se actualizan automáticamente para el cálculo de masa intacta.

Con moléculas más grandes, como proteínas intactas, las masas monoisotópicas no se pueden medir debido al defecto de masa aditivo cuando se utilizan espectrómetros de masas con un poder de resolución típico. En cambio, se miden o informan masas nominales o promedio 5,10,11,12,13. Las masas elementales medias pueden variar en función de la fuente utilizada para las masas seleccionadas^14,15. Si bien las diferencias en las masas elementales pueden ser pequeñas, pueden sumar valores significativos para los cálculos de peso molecular de moléculas grandes. Las masas elementales medias utilizadas por defecto en la aplicación de software se muestran en la Tabla Suplementaria 1. Para entornos regulados como el campo de la investigación y el desarrollo (I&D) biofarmacéutico, es importante mantener masas moleculares consistentes porque los cambios en las masas pueden implicar cambios en la entidad molecular durante las presentaciones regulatorias. Para permitir la coherencia en el uso de masas elementales, se incluye un diccionario de masas elementales con la herramienta de software como un archivo de texto de valores separados por comas (csv): Element_Mass.csv (Archivo de codificación suplementario 1). Del mismo modo, se incluye una lista curada de composiciones de glicanos que se ven típicamente en mAbs: Glycan.csv (Supplemental Coding File 2). Ambos archivos se guardan en la misma ubicación de carpeta que una aplicación ejecutable y pueden ser modificados por el usuario para usar una lista de masa elemental específica o una biblioteca de glicanos.

Figura 1: Interfaz gráfica de usuario para la aplicación mAbScale. El módulo GUI permite al usuario especificar la entrada para el cálculo de masa. El usuario introduce secuencias de aminoácidos de una sola letra para las cadenas de anticuerpos ligeros y pesados. Las modificaciones comunes para la ciclación del terminal N de cadena pesada y el recorte de lisina del terminal C se incluyen como casillas de verificación. Las fórmulas químicas/composiciones elementales se pueden sumar/restar a través del cuadro de texto respectivo de Chem Mod . Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Protocol

El flujo de trabajo de alto nivel para mAbScale se muestra en la figura 2. Cada paso tiene ramas de decisión internas, bucles y combinatoria más sofisticados. En la Figura complementaria 1 se presenta un flujo de trabajo algorítmico detallado que describe el proceso de cálculo. La salida de la aplicación se guarda en formato de hoja de cálculo en la carpeta seleccionada por el usuario. El archivo de salida consta de varias hojas de cálculo independientes, que se pueden clasificar como la entrada del usuario, los cálculos de peso molecular y las referencias para las derivaciones de masa isotópica promedio (se proporciona un ejemplo de salida en tablas complementarias). Las hojas de trabajo de entrada del usuario incluyen las secuencias de aminoácidos de proteínas y otra información ingresada por el usuario, masas elementales promediadas y masas de glicanos, que se utilizan para calcular la composición elemental y los diferentes pesos moleculares. Las hojas de cálculo de peso molecular incluyen la composición química de varias formas, la masa reducida con y sin glicosilación y modificación química, y la masa intacta con y sin glicosilación y modificación química. Las hojas que contienen masas de medios anticuerpos se generarán automáticamente si el usuario ingresa dos HC diferentes y/o dos LC diferentes en la página de entrada del usuario, ya que los medios anticuerpos son impurezas primarias que deben identificarse y cuantificarse en relación con el heterodímero deseado. Se puede acceder al código fuente de mAbScale a través del siguiente repositorio: https://github.com/kkhatri99/mAbScale.

Figura 2: Resumen de los pasos involucrados en el cálculo de composiciones elementales y masas utilizando la aplicación. El código de colores se puede utilizar para vincular el flujo de proceso descrito en la Figura complementaria 1. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

1. Abrir la aplicación mAbscale

1. Abra la aplicación de software haciendo doble clic en el icono del archivo ejecutable.

2. Entrada de secuencia

1. Introduzca las secuencias de cadenas pesadas y ligeras en los respectivos cuadros de texto marcados con 1 sin espacios.
   1. Para bsAbs, agregue cadenas pesadas o ligeras adicionales en el segundo conjunto de cuadros de texto marcados con 2. Deje 2 en blanco para los mAbs con cadenas pesadas y cadenas ligeras idénticas.
   2. Marque las casillas de verificación Ciclación de N-terminal y/o Recorte de terminal C , si estas variantes de terminales de cadena pesada son aplicables.
   3. Agregue cualquier modificación química, incluido el enlazador y la carga útil para las moléculas ADC, a los cuadros de texto Heavy Chain Chem Mod y/o Light Chain Chem Mod .
      1. Especifique las modificaciones como composiciones elementales, como CaCl₂. La modificación se agregará a la subunidad o cadena de proteína respectiva.
         NOTA: También se puede restar una composición química de una subunidad o cadena prefijando la composición elemental con un signo -. Por ejemplo, -H₂O restará una molécula de agua de la composición y masa de la subunidad.

3. Especificación del número de enlaces disulfuro

1. Especifique el número de enlaces disulfuro en las moléculas de proteína en el cuadro de texto marcado Número total de disulfuros.
2. Introduzca el número de disulfuros de HC no reducidos en el cuadro de texto Disulfuros de HC no reducidos y el número de disulfuros de HC no reducidos en el cuadro de texto Disulfuros de HC no reducidos , en función del grado de reducción (completa o parcial).
   NOTA: El análisis de masa reducida de las subunidades de mAb implica la reducción/separación de las cadenas pesadas y ligeras ligadas al disulfuro.
3. Si la glicosilación está presente en la cadena ligera de anticuerpos monoclonales, marque la casilla de verificación La cadena ligera está glicosilada .

4. Configuración de la carpeta de salida y ejecución de la aplicación

1. Haga clic en el botón Examinar para seleccionar una carpeta de salida para el cuadro de texto Carpeta de salida .
2. Introduzca el nombre del archivo de salida sin una extensión de archivo (se guarda automáticamente como .xlsx) en el cuadro de texto Archivo de Excel (sin ext).
3. Haga clic en el botón Enviar para iniciar la solicitud. El archivo de salida se puede encontrar en la carpeta designada.
   NOTA: Las masas elementales y la lista de glicanos se pueden personalizar editando los archivos de texto delimitados Element_Mass.csv (Archivo de codificación suplementaria 1) y Glicano.csv (Archivo de codificación suplementaria 2), respectivamente. Estos archivos deben colocarse en la misma carpeta que el archivo ejecutable mAbScale.exe (archivo de codificación suplementario 3) para que se ejecute la aplicación. La aplicación se cerrará automáticamente después de una ejecución. El usuario tendrá que volver a iniciar la aplicación si necesita un segundo cálculo.

Results

Se seleccionó una variedad de anticuerpos monoclonales para representar diferentes tipos de anticuerpos monoclonales. Se seleccionó un estándar de AcM disponible comercialmente para representar un AcM convencional con cadenas pesadas idénticas, cadenas ligeras idénticas y un sitio de glicosilación ligado a N en la región Fc. También se eligió un AcM con una glicosilación Nligada a N de cadena ligera adicional, un AcM biespecífico y un AcM conjugado anticuerpo-fármaco (ADC) para ampliar el uso de la aplicación. La composi...

Discussion

mAbScale proporciona una interfaz de usuario intuitiva con la flexibilidad de alterar los componentes básicos para los cálculos de masa y elementales. Se espera que los usuarios tengan un conocimiento básico de la molécula objetivo para usar la aplicación, derivar masas correctas e interpretar los resultados. Por ejemplo, la hoja de salida de masa intacta o reducida puede ser abrumadora debido a las numerosas filas de masas intactas o reducidas, ya que la base de datos de glicanos predeterminada contiene 88 glicanos liga...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Sistema ACQUITY UPLC	Waters Corp., Milford, MA	N/A	Sistema modular
Conjugado anticuerpo-fármaco (ADC)	GlaxoSmithKline	N/A	Molécula patentada
BEH 200 SEC column	Waters Corp., Milford, MA	176003904
mAb biespecífico	GlaxoSmithKline	N/A	Molécula patentada
Byos	Protein Metrics, Cupertino, CA	https://proteinmetrics.com/byos/ Versión 4.5
GPMAW	GPMAW	http://www.gpmaw.com/
Agua de grado LC-MS	Thermo Fisher Scientific, Waltham, MA	W6-1
mAb estándar	Waters Corp., Milford, MA	186009125	Waters Humanized mAb Mass Check Standard
mAbScale	GlaxoSmithKline	Apache License, Version 2.0
Espectrómetro de masas Xevo G2 Q-TOF	Waters Corp., Milford, MA	N/A	Sistema modular