Dit artikel beschrijft het gebruik van een softwaretoepassing, mAbScale, voor de berekening van massa's voor op monoklonale antilichamen gebaseerde eiwittherapieën.
Method Article
Dit artikel beschrijft het gebruik van een softwaretoepassing, mAbScale, voor de berekening van massa's voor op monoklonale antilichamen gebaseerde eiwittherapieën.
Biotherapeutische massa's zijn een middel om identiteit en structurele integriteit te verifiëren. Massaspectrometrie (MS) van intacte eiwitten of eiwitsubeenheden biedt een eenvoudig analytisch hulpmiddel voor verschillende stadia van biofarmaceutische ontwikkeling. De identiteit van het eiwit wordt bevestigd wanneer de experimentele massa van MS binnen een vooraf gedefinieerd massafoutbereik van de theoretische massa ligt. Hoewel er verschillende computationele tools bestaan voor de berekening van eiwit- en peptidemolecuulgewichten, zijn ze ofwel niet ontworpen voor directe toepassing op biotherapeutische entiteiten, hebben ze toegangsbeperkingen als gevolg van betaalde licenties, of vereisen ze het uploaden van eiwitsequenties naar hostservers.
We hebben een modulaire massaberekeningsroutine ontwikkeld die het mogelijk maakt om eenvoudig de gemiddelde of mono-isotopische massa's en elementaire samenstellingen van therapeutische glycoproteïnen te bepalen, waaronder monoklonale antilichamen (mAb), bispecifieke antilichamen (bsAb) en antilichaam-geneesmiddelconjugaten (ADC). Het modulaire karakter van dit op Python gebaseerde berekeningsraamwerk zal het mogelijk maken om dit platform in de toekomst uit te breiden naar andere modaliteiten zoals vaccins, fusie-eiwitten en oligonucleotiden, en dit raamwerk zou ook nuttig kunnen zijn voor het ondervragen van top-down massaspectrometriegegevens. Door een open-source standalone desktoptoepassing met een grafische gebruikersinterface (GUI) te maken, hopen we de beperkingen rond gebruik in omgevingen te overwinnen waar bedrijfseigen informatie niet kan worden geüpload naar webgebaseerde tools. Dit artikel beschrijft de algoritmen en toepassing van deze tool, mAbScale, op verschillende op antilichamen gebaseerde therapeutische modaliteiten.
In de afgelopen twee decennia zijn biotherapeutica geëvolueerd tot een steunpilaar van de moderne farmaceutische industrie. De SARS-CoV2-pandemie en andere levensbedreigende omstandigheden hebben de behoefte aan een snellere en bredere ontwikkeling van biofarmaceutische moleculen verder vergroot 1,2,3.
Het biotherapeutische molecuulgewicht is van cruciaal belang voor de identificatie van het molecuul, in combinatie met andere analytische tests. De intacte en gereduceerde subeenheidmassa's worden gedurende de hele ontdekkings- en ontwikkelingscyclus gebruikt als onderdeel van controlestrategieën die gericht zijn op het handhaven van de kwaliteit, zoals beschreven in het QTPP (Quality Target Product Profile)4.
Analytische ontwikkeling in de biofarmaceutische industrie is sterk afhankelijk van massametingen voor intacte massa-analyse en diepe karakterisering met behulp van peptidemapping of multi-attribute method (MAM) monitoring. Centraal in deze technieken die gebruik maken van moderne massaspectrometrieplatforms (MS) staat de mogelijkheid om nauwkeurige massametingen (HR/AM) met hoge resolutie te leveren. De meeste HR/AM-instrumenten leveren massanauwkeurigheden in het bereik van 0,5-5 ppm, die schalen met het massabereik. Het vermogen om massa's nauwkeurig te meten voor intacte grote moleculen maakt de snelle en betrouwbare identificatie van therapieën met grote moleculen mogelijk. Aangezien de isotopenresolutie niet kan worden bereikt onder typische experimentele omstandigheden voor grote moleculen (>10 kDa), moeten de gemiddelde massa's worden berekend voor vergelijking en identificatie 5,6.
Een typisch intact of subeenheid eiwitmassaspectrum vertegenwoordigt het algemene proteoforme profiel, dat samengestelde informatie bevat over de verschillende moleculaire vormen die het gevolg zijn van posttranslationele modificaties (PTM) en eventuele verschillen in de primaire structuur, zoals clips of sequentievarianten. Het relatief eenvoudige en hoge doorvoerkarakter van deze metingen maakt ze aantrekkelijk voor karakterisering en als controlemechanismen tijdens het proces 7,8. Data-analyse voor deze experimenten vereist meestal dat de gebruiker de zoekruimte voor moleculaire vormen (bereik van PTM's of andere moleculaire vormen) definieert. Voor geglycosyleerde eiwitten wordt deze zoekruimte grotendeels bepaald door glycoforme heterogeniteit. Combinaties van meerdere PTM's, disulfidebindingsconfiguraties en andere variaties langs de primaire structuur maken het berekenen van alle mogelijke moleculaire vormen een vervelende taak. Daarom is de handmatige berekening van de mogelijke moleculaire vormen een tijdrovend en tijdrovend proces met een grote kans op menselijke fouten.
Hier presenteren we een massaberekeningstool die is ontwikkeld rekening houdend met de belangrijkste kenmerken van biotherapeutische moleculen, zoals mAbs, bsAbs, ADC's, enz. De tool maakt het mogelijk om eenvoudig zoekruimtevariabelen op te nemen voor de consistente berekening van massa's en elementaire samenstellingen. Het modulaire karakter van deze tool zal het mogelijk maken om deze verder te ontwikkelen en toe te passen op massaberekening en massa-matching voor andere modaliteiten.
De GUI-module stelt de gebruiker in staat om de invoer voor de massaberekening te specificeren, zoals weergegeven in figuur 1; In het bijzonder voert de gebruiker aminozuursequenties van één letter in voor lichte en zware antilichaamketens. Veelvoorkomende modificaties voor zware keten N-terminale cyclisatie en C-terminale lysineclipping zijn opgenomen als selectievakjes. Verder kan de chemische formule/elementaire samenstelling worden opgeteld/afgetrokken van deze eiwitketens via het respectievelijke Chem Mod-tekstvak . Dit geeft de gebruiker de flexibiliteit om een elementaire samenstelling toe te voegen die meerdere posttranslationele modificaties of een kleine molecuullading bevat in het geval van een ADC. Aangezien de meeste therapeutische mAbs zijn ontworpen om de glycosyleringsplaatsen in de lichte keten te verwijderen, wordt glycosylering in de lichte keten optioneel gelaten en kan deze worden gespecificeerd met behulp van een selectievakje op de GUI.
Een typische variatie op intacte massa-analyse voor antilichamen is een verminderde subeenheidmassa-analyse, waarbij de lichte keten wordt losgemaakt van de zware keten door de disulfidebindingen tussen de ketens te verminderen. Afhankelijk van de sterkte van het gebruikte reductiemiddel kunnen de disulfidebindingen binnen de keten al dan niet worden gesplitst. De gebruikers hebben de flexibiliteit om het totale aantal disulfidebindingen in te voeren, afhankelijk van het IgG-subtype of in het geval van een cysteïne-geconjugeerde ADC9.
De applicatie berekent massa's op een bottom-up manier, waarbij eerst de elementaire samenstellingen worden berekend voor de individuele zware ketens en lichte ketens. Vervolgens wordt rekening gehouden met zware keten (HC) N-terminale cyclisatie Lys-clipping door de berekende elementaire samenstellingen aan te passen. Eventuele gespecificeerde chemische modificaties worden vervolgens toegepast op de zware en/of lichte kettingen. Afhankelijk van het type analyse en de door de gebruiker gespecificeerde disulfidebindingspatronen, wordt het aantal waterstofatomen aangepast voor de twee polypeptideketens. De geglycosyleerde HC en lichte keten (LC) (optioneel) massa's worden berekend op basis van de input van de gebruiker. Ten slotte worden meerdere HC- en LC-massa's gecombineerd en worden de disulfidebindingsnummers automatisch bijgewerkt voor de berekening van de intacte massa.
Bij grotere moleculen, zoals intacte eiwitten, kunnen mono-isotopische massa's niet worden gemeten vanwege het additieve massadefect bij gebruik van massaspectrometers met een typisch oplossend vermogen. In plaats daarvan worden nominale of gemiddelde massa's gemeten of gerapporteerd 5,10,11,12,13. De gemiddelde elementaire massa's kunnen variëren op basis van de bron die wordt gebruikt voor de samengestelde massa's14,15. Hoewel de verschillen in elementaire massa's klein kunnen zijn, kunnen ze oplopen tot significante waarden voor berekeningen van het molecuulgewicht van grote moleculen. De gemiddelde elementaire massa's die standaard in de softwaretoepassing worden gebruikt, worden weergegeven in aanvullende tabel 1. Voor gereguleerde omgevingen zoals het biofarmaceutische onderzoeks- en ontwikkelingsveld (R&D) is het belangrijk om consistente molecuulmassa's te behouden, omdat veranderingen in massa's veranderingen in de moleculaire entiteit kunnen impliceren tijdens regelgevende deponeringen. Om consistentie in het gebruik van elementaire massa's mogelijk te maken, is een woordenboek van elementaire massa's bij de softwaretool opgenomen als een door komma's gescheiden waarde (csv) tekstbestand: Element_Mass.csv (Supplementary Coding File 1). Evenzo is een samengestelde lijst van glycaansamenstellingen opgenomen die typisch zijn voor mAbs: Glycaan.csv (Supplementary Coding File 2). Beide bestanden worden opgeslagen op dezelfde maplocatie als een uitvoerbare toepassing en kunnen door de gebruiker worden gewijzigd om een specifieke elementaire massalijst of glycaanbibliotheek te gebruiken.

Figuur 1: GUI-interface voor de mAbScale-applicatie. De GUI-module stelt de gebruiker in staat om de invoer voor de massaberekening te specificeren. De gebruiker voert aminozuursequenties van één letter in voor de lichte en zware antilichaamketens. Veelvoorkomende modificaties voor de zware-keten N-terminale cyclisatie en C-terminale lysineclipping zijn opgenomen als selectievakjes. Chemische formules/elementaire samenstellingen kunnen worden opgeteld/afgetrokken via het respectievelijke Chem Mod-tekstvak . Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
De workflow op hoog niveau voor mAbScale wordt weergegeven in afbeelding 2. Elke stap heeft meer geavanceerde interne beslissingstakken, lussen en combinatoriek. Een gedetailleerde algoritmische workflow die het berekeningsproces beschrijft, wordt weergegeven in aanvullende figuur 1. De uitvoer van de toepassing wordt opgeslagen in een spreadsheetindeling in de door de gebruiker geselecteerde map. Het uitvoerbestand bestaat uit meerdere afzonderlijke werkbladen, die kunnen worden gecategoriseerd als de gebruikersinvoer, berekeningen van het molecuulgewicht en referenties voor de gemiddelde isotopenmassa-afleidingen (voorbeelduitvoer wordt gegeven in aanvullende tabellen). De werkbladen voor gebruikersinvoer bevatten de eiwitaminozuursequenties en andere informatie die door de gebruiker is ingevoerd, gemiddelde elementaire massa's en glycaanmassa's, die worden gebruikt om de elementaire samenstelling en verschillende molecuulgewichten te berekenen. De berekeningsbladen van het molecuulgewicht bevatten de chemische samenstelling van verschillende vormen, de gereduceerde massa met en zonder glycosylering en chemische modificatie, en de intacte massa met en zonder glycosylering en chemische modificatie. Bladen met halve antilichaammassa's worden automatisch gegenereerd als de gebruiker twee verschillende HC's en/of twee verschillende LC's invoert op de gebruikersinvoerpagina, aangezien half-antilichamen primaire onzuiverheden zijn die moeten worden geïdentificeerd en gekwantificeerd ten opzichte van het gewenste heterodimeer. De broncode voor mAbScale is toegankelijk via de volgende repository: https://github.com/kkhatri99/mAbScale.

Figuur 2: Overzicht van de stappen die betrokken zijn bij de berekening van elementaire samenstellingen en massa's met behulp van de applicatie. Kleurcodering kan worden gebruikt om te koppelen aan de processtroom die wordt beschreven in aanvullende figuur 1. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
1. De mAbscale-applicatie openen
2. Sequentie-invoer
3. Specificatie van het aantal disulfidebindingen
4. De uitvoermap instellen en de applicatie uitvoeren
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
Er werden verschillende mAbs geselecteerd om verschillende soorten mAbs te vertegenwoordigen. Er werd een in de handel verkrijgbare mAb-standaard geselecteerd om een conventionele mAb weer te geven met identieke zware ketens, identieke lichte ketens en één N-gebonden glycosyleringsplaats in de Fc-regio. Er werd ook gekozen voor een mAb met een extra lichte keten N-gebonden glycosylering, een bispecifieke mAb en een antilichaam-geneesmiddelconjugaat (ADC) mAb om het gebruik van de toepassing te verbreden. De chemische sam...
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
mAbScale biedt een intuïtieve gebruikersinterface met de flexibiliteit om de bouwstenen voor massa- en elementaire berekeningen te wijzigen. Van de gebruikers wordt verwacht dat ze een basiskennis hebben van het doelmolecuul om de applicatie te gebruiken, de juiste massa's af te leiden en de resultaten te interpreteren. Het blad met intacte of gereduceerde massa-output kan bijvoorbeeld overweldigend zijn vanwege de vele rijen intacte of gereduceerde massa's, aangezien de standaard glycaandatabase 88 N-gebonden glycanen b...
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
Deze software wordt uitgebracht onder de Apache 2.0-licentie. Copyright (2022) van GlaxoSmithKline Research & Development Limited. Alle rechten voorbehouden. Gelicentieerd onder de Apache-licentie, versie 2.0 (de "Licentie"); u mag dit bestand alleen gebruiken in overeenstemming met de Licentie. U kunt een kopie van de Licentie verkrijgen op http://www.apache.org/licenses/LICENSE-2.0. Tenzij vereist door de toepasselijke wetgeving of schriftelijk overeengekomen, wordt software die onder de Licentie wordt gedistribueerd gedistribueerd op een "as is"-basis, zonder garanties of voorwaarden van welke aard dan ook, expliciet of impliciet. Zie de Licentie voor de specifieke taal die van toepassing is op toestemmingen en beperkingen onder de Licentie. L.C. is een werknemer van GlaxoSmithKline (GSK). T.H. en K.K. ontwikkelden deze software als werknemers van GSK en zijn nu partners van respectievelijk Merck en Moderna.
De auteurs bedanken Robert Schuster voor zijn hulp bij de verificatie van de gegevens.
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
|---|---|---|---|
| Acquity UPLC system | Waters Corp., Milford, MA | N/A | Modulair systeem |
| Antibody-drug conjugate (ADC) | GlaxoSmithKline | N/A | Gepatenteerd molecuul |
| BEH 200 SEC kolom | Waters Corp., Milford, MA | 176003904 | |
| Bispecifiek mAb | GlaxoSmithKline | N/A | Gepatenteerd molecuul |
| Byos | Protein Metrics, Cupertino, CA | https://proteinmetrics.com/byos/ Versie 4.5 | |
| GPMAW | GPMAW | http://www.gpmaw.com/ | |
| LC-MS grade water | Thermo Fisher Scientific, Waltham, MA | W6-1 | |
| mAb standaard | Waters Corp., Milford, MA | 186009125 | Waters Humanized mAb Mass Check Standard |
| mAbScale | GlaxoSmithKline | Apache License, versie 2.0 | |
| Xevo G2 Q-TOF massaspectrometer | Waters Corp., Milford, MA | N/A | Modulair systeem |
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article
Request Permission