Ten artykuł opisuje użycie aplikacji mAbScale do obliczania mas dla terapii białkowych opartych na przeciwciałach monoklonalnych.
Method Article
Ten artykuł opisuje użycie aplikacji mAbScale do obliczania mas dla terapii białkowych opartych na przeciwciałach monoklonalnych.
Masy bioterapeutyczne są sposobem weryfikacji tożsamości i integralności strukturalnej. Spektrometria mas (MS) nienaruszonych białek lub podjednostek białkowych stanowi łatwe narzędzie analityczne dla różnych etapów rozwoju biofarmaceutyków. Tożsamość białka jest potwierdzona, gdy masa doświadczalna z MS mieści się w predefiniowanym zakresie błędu masy masy teoretycznej. Chociaż istnieje kilka narzędzi obliczeniowych do obliczania mas cząsteczkowych białek i peptydów, albo nie zostały one zaprojektowane do bezpośredniego zastosowania w jednostkach bioterapeutycznych, mają ograniczenia dostępu ze względu na płatne licencje, albo wymagają przesyłania sekwencji białek na serwery hosta.
Opracowaliśmy modułową procedurę obliczania masy, która umożliwia łatwe określenie średnich lub monoizotopowych mas i składu pierwiastkowego terapeutycznych glikoprotein, w tym przeciwciał monoklonalnych (mAb), przeciwciał bispecyficznych (bsAb) i koniugatów przeciwciało-lek (ADC). Modułowy charakter tej ramy obliczeniowej opartej na Pythonie pozwoli w przyszłości na rozszerzenie tej platformy na inne modalności, takie jak szczepionki, białka fuzyjne i oligonukleotydy, a struktura ta może być również przydatna do badania danych spektrometrii mas z góry na dół. Tworząc samodzielną aplikację komputerową typu open source z graficznym interfejsem użytkownika (GUI), mamy nadzieję przezwyciężyć ograniczenia związane z użytkowaniem w środowiskach, w których zastrzeżone informacje nie mogą być przesyłane do narzędzi internetowych. W tym artykule opisano algorytmy i zastosowanie tego narzędzia, mAbScale, do różnych metod terapeutycznych opartych na przeciwciałach.
W ciągu ostatnich dwóch dekad bioterapia ewoluowała, stając się filarem nowoczesnego przemysłu farmaceutycznego. Pandemia SARS-CoV2 i inne stany zagrażające życiu jeszcze bardziej zwiększyły potrzebę szybszego i szerszego rozwoju cząsteczek biofarmaceutycznych1,2,3.
Bioterapeutyczna masa cząsteczkowa jest kluczowa dla identyfikacji cząsteczki, w połączeniu z innymi testami analitycznymi. Nienaruszone i zredukowane masy podjednostek są wykorzystywane w całym cyklu życia odkrywania i rozwoju jako część strategii kontroli mających na celu utrzymanie jakości, zgodnie z opisem w QTPP (Quality Target Product Profile)4.
Rozwój analityczny w przemyśle biofarmaceutycznym opiera się głównie na pomiarach masy do analizy masy w stanie nienaruszonym i głębokiej charakterystyce za pomocą mapowania peptydów lub monitorowania metodą wieloatrybutową (MAM). U podstaw tych technik wykorzystujących nowoczesne platformy spektrometrii mas (MS) leży możliwość zapewnienia dokładnych pomiarów masy (HR/AM) o wysokiej rozdzielczości. Większość przyrządów HR/AM daje dokładności masy w zakresie 0,5-5 ppm, które skalują się wraz z zakresem masy. Możliwość dokładnego pomiaru mas dla nienaruszonych dużych cząsteczek umożliwia szybką i pewną identyfikację leków wielkocząsteczkowych. Ponieważ rozdzielczość izotopowa nie może być osiągnięta przy użyciu typowych warunków eksperymentalnych dla dużych cząsteczek (>10 kDa), należy obliczyć średnie masy w celu porównania i identyfikacji5,6.
Typowe spektrum masowe nienaruszonych lub podjednostkowych białek reprezentuje ogólny profil proteoformu, który zawiera złożone informacje o różnych formach molekularnych wynikających z modyfikacji potranslacyjnych (PTM) i wszelkich różnicach w strukturze podstawowej, takich jak klipy lub warianty sekwencji. Stosunkowo łatwy i wysokoprzepustowy charakter tych pomiarów sprawia, że są one atrakcyjne do charakteryzacji i jako elementy sterujące monitorowania w trakcie procesu7,8. Analiza danych na potrzeby tych eksperymentów zwykle wymaga od użytkownika zdefiniowania przestrzeni wyszukiwania dla form molekularnych (zakres PTM lub innych form molekularnych). W przypadku białek glikozylowanych ta przestrzeń wyszukiwania jest w dużej mierze napędzana przez niejednorodność glikoformu. Kombinacje wielu PTM, konfiguracje wiązań dwusiarczkowych i inne zmiany wzdłuż struktury podstawowej sprawiają, że obliczanie wszystkich możliwych form molekularnych jest żmudnym zadaniem. W związku z tym ręczne obliczanie możliwych form molekularnych jest procesem czasochłonnym i zasobochłonnym, z dużym ryzykiem błędu ludzkiego.
Tutaj prezentujemy narzędzie do obliczania masy, które zostało opracowane z uwzględnieniem najważniejszych cech cząsteczek bioterapeutycznych, takich jak mAbs, bsAbs, ADC, itp. Narzędzie umożliwia łatwe wprowadzanie zmiennych w przestrzeni wyszukiwania w celu spójnego obliczania mas i składów pierwiastków. Modułowy charakter tego narzędzia umożliwi jego dalszy rozwój i zastosowanie do obliczania masy i dopasowywania masy dla innych modalności.
Moduł GUI pozwala użytkownikowi określić dane wejściowe do obliczenia masy, jak pokazano w Rysunek 1; w szczególności, użytkownik wprowadza jednoliterowe sekwencje aminokwasów dla lekkich i ciężkich łańcuchów przeciwciał. Typowe modyfikacje cyklizacji N-końca łańcucha ciężkiego i obcinania lizyny C-końcowej są uwzględnione jako pola wyboru. Ponadto wzór chemiczny/skład pierwiastkowy można dodawać/odejmować od tych łańcuchów białkowych za pomocą odpowiedniego pola tekstowego Chem Mod. Pozwala to użytkownikowi na elastyczność w dodawaniu kompozycji pierwiastkowej, która obejmuje wiele modyfikacji potranslacyjnych lub ładunek małocząsteczkowy w przypadku ADC. Ponieważ większość terapeutycznych przeciwciał monoklonalnych jest zaprojektowana tak, aby usuwać miejsca glikozylacji w łańcuchu lekkim, glikozylacja w łańcuchu lekkim jest opcjonalna i można ją określić za pomocą pola wyboru w graficznym interfejsie użytkownika.
Typową odmianą analizy masy nienaruszonej dla przeciwciał jest zredukowana analiza masy podjednostki, w której lekki łańcuch jest odłączany od ciężkiego łańcucha poprzez redukcję międzyłańcuchowych wiązań dwusiarczkowych. W zależności od siły zastosowanego środka redukującego, wewnątrzłańcuchowe wiązania dwusiarczkowe mogą, ale nie muszą zostać rozszczepione. Użytkownicy mają możliwość elastycznego wprowadzania całkowitej liczby wiązań dwusiarczkowych w zależności od podtypu IgG lub w przypadku ADC9.
Aplikacja oblicza masy w sposób oddolny, w którym najpierw obliczane są składy pierwiastkowe dla poszczególnych ciężkich łańcuchów i lekkich łańcuchów. Następnie, cyklizacja N-końcowa łańcucha ciężkiego (HC) Lys-clipping jest uwzględniana poprzez dostosowanie obliczonych składów pierwiastkowych. Wszelkie określone modyfikacje chemiczne są następnie nakładane na łańcuchy ciężkie i/lub lekkie. W zależności od rodzaju analizy i charakterystyki wiązań dwusiarczkowych określonych przez użytkownika, liczba wodorów jest dostosowywana dla dwóch łańcuchów polipeptydowych. Masy glikozylowanego HC i łańcucha lekkiego (LC) (opcjonalnie) są obliczane na podstawie danych wejściowych użytkownika. Na koniec łączy się wiele mas HC i LC, a liczby wiązań dwusiarczkowych są automatycznie aktualizowane w celu obliczenia masy nienaruszonej.
W przypadku większych cząsteczek, takich jak nienaruszone białka, masy monoizotopowe nie mogą być mierzone z powodu addytywnego defektu masy przy użyciu spektrometrów masowych o typowej zdolności rozdzielczej. Zamiast tego mierzone lub raportowane są masy nominalne lub średnie5,10,11,12,13. Średnie masy pierwiastków mogą się różnić w zależności od źródła użytego dla wyselekcjonowanych mas14,15. Chociaż różnice w masach pierwiastków mogą być niewielkie, mogą sumować się do znaczących wartości dla obliczeń masy cząsteczkowej dużych cząsteczek. Średnie masy pierwiastków używane domyślnie w aplikacji są przedstawione w tabeli uzupełniającej 1. W środowiskach regulowanych, takich jak badania i rozwój biofarmaceutyczny (R&D), ważne jest utrzymanie stałych mas cząsteczkowych, ponieważ zmiany mas mogą oznaczać zmiany w jednostce molekularnej podczas składania wniosków regulacyjnych. Aby zapewnić spójność w stosowaniu mas elementarnych, do narzędzia programowego dołączony jest słownik mas elementarnych w postaci pliku tekstowego z wartościami rozdzielanymi przecinkami (csv): Element_Mass.csv (Supplementary Coding File 1). Podobnie, dołączona jest wyselekcjonowana lista kompozycji glikanów zwykle spotykanych w mAb: Glycan.csv (Uzupełniający plik kodowania 2). Oba pliki są zapisywane w tym samym folderze, co aplikacja wykonywalna i mogą być modyfikowane przez użytkownika w celu użycia określonej listy mas elementarnych lub biblioteki glikanów.

Rysunek 1: Interfejs GUI dla aplikacji mAbScale. Moduł GUI pozwala użytkownikowi określić dane wejściowe do obliczeń masy. Użytkownik wprowadza jednoliterowe sekwencje aminokwasów dla lekkich i ciężkich łańcuchów przeciwciał. Typowe modyfikacje cyklizacji N-końca łańcucha ciężkiego i obcinania lizyny C-końcowej są uwzględnione jako pola wyboru. Wzory chemiczne/kompozycje pierwiastkowe można dodawać/odejmować za pomocą odpowiedniego pola tekstowego Chem Mod. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
Wysokopoziomowy przepływ pracy dla mAbScale jest pokazany w Rysunek 2. Każdy krok ma bardziej wyrafinowane wewnętrzne gałęzie decyzyjne, pętle i kombinatorykę. Szczegółowy algorytmiczny przebieg pracy opisujący proces obliczeniowy przedstawiono na rysunku uzupełniającym 1. Dane wyjściowe aplikacji są zapisywane w formacie arkusza kalkulacyjnego w folderze wybranym przez użytkownika. Plik wyjściowy składa się z wielu oddzielnych arkuszy, które można podzielić na kategorie jako dane wejściowe użytkownika, obliczenia masy cząsteczkowej i odniesienia do wyprowadzeń średniej masy izotopowej (przykładowe dane wyjściowe znajdują się w tabelach uzupełniających). Arkusze wejściowe użytkownika zawierają sekwencje aminokwasów białkowych i inne informacje wprowadzone przez użytkownika, uśrednione masy pierwiastków i masy glikanów, które są używane do obliczania składu pierwiastkowego i różnych mas cząsteczkowych. Arkusze obliczeniowe masy cząsteczkowej obejmują skład chemiczny różnych form, zredukowaną masę z glikozylacją i modyfikacją chemiczną i bez niej oraz masę nienaruszoną z glikozylacją i modyfikacją chemiczną oraz bez niej. Arkusze zawierające masy półprzeciwciał zostaną wygenerowane automatycznie, jeśli użytkownik wprowadzi dwa różne HC i/lub dwa różne LC na stronie wejściowej użytkownika, ponieważ półprzeciwciała są pierwotnymi zanieczyszczeniami, które należy zidentyfikować i określić ilościowo w stosunku do pożądanego heterodimemu. Dostęp do kodu źródłowego mAbScale można uzyskać za pośrednictwem następującego repozytorium: https://github.com/kkhatri99/mAbScale.

Rysunek 2: Przegląd etapów związanych z obliczaniem składu pierwiastkowego i mas za pomocą aplikacji. Kodowanie kolorami może być użyte do połączenia z przepływem procesu opisanym na rysunku uzupełniającym 1. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.
1. Otwieranie aplikacji mAbscale
2. Wpis sekwencji
3. Określanie liczby wiązań dwusiarczkowych
4. Ustawianie folderu wyjściowego i uruchamianie aplikacji
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
Wybrano różne rodzaje mAbs. Wybrano dostępny na rynku wzorzec mAb tak, aby reprezentował konwencjonalny mAb z identycznymi łańcuchami ciężkimi, identycznymi łańcuchami lekkimi i jednym miejscem glikozylacji sprzężonym z N w regionie Fc. Wybrano również mAb z dodatkową glikozylacją sprzężoną z łańcuchem lekkim N, bispecyficzny mAb i mAb koniugat przeciwciało-lek (ADC) w celu poszerzenia zastosowania aplikacji. Skład chemiczny, obliczoną masę, zmierzoną masę i błąd masy tych przykładowych mAb podsumowano w tabeli 1...
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
mAbScale zapewnia intuicyjny interfejs użytkownika z elastycznością w zakresie zmiany elementów składowych do obliczeń masy i pierwiastków. Oczekuje się, że użytkownicy będą mieli podstawową wiedzę na temat cząsteczki docelowej, aby korzystać z aplikacji, wyprowadzać prawidłowe masy i interpretować wyniki. Na przykład arkusz wyjściowy nienaruszonej lub o zmniejszonej masie może być przytłaczający ze względu na liczne rzędy nienaruszonych lub zredukowanych mas, ponieważ domyślna baza danych glikanów zawiera 88 glikanów po...
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
To oprogramowanie jest wydawane na licencji Apache 2.0. Prawa autorskie (2022) GlaxoSmithKline Research & Development Limited. Wszelkie prawa zastrzeżone. Licencjonowane na podstawie Licencji Apache, wersja 2.0 ("Licencja"); nie możesz używać tego pliku, chyba że jest to zgodne z Licencją. Licencjobiorca może uzyskać kopię Licencji pod adresem http://www.apache.org/licenses/LICENSE-2.0. O ile nie jest to wymagane przez obowiązujące prawo lub nie zostało to uzgodnione na piśmie, oprogramowanie rozpowszechniane na podstawie Licencji jest rozpowszechniane na zasadzie "tak jak jest", bez jakichkolwiek gwarancji lub warunków, wyraźnych lub dorozumianych. Zapoznaj się z Licencją, aby zapoznać się z konkretnym językiem regulującym uprawnienia i ograniczenia w ramach Licencji. L.C. jest pracownikiem GlaxoSmithKline (GSK). T.H. i K.K. opracowali to oprogramowanie jako pracownicy GSK, a obecnie są współpracownicy odpowiednio firm Merck i Moderna.
Autorzy dziękują Robertowi Schusterowi za pomoc w weryfikacji danych.
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
|---|---|---|---|
| System Acquity UPLC | Waters Corp., Milford, MA | N/A | System modułowy |
| Koniugat przeciwciało-lek (ADC) | GlaxoSmithKline | N/A | Zastrzeżona cząsteczka |
| BEH 200 SEC kolumna | Waters Corp., Milford, Massachusetts | 176003904 | |
| Bispecyficzny mAb | GlaxoSmithKline | N/A | Zastrzeżona cząsteczka |
| Byos | Protein Metrics, Cupertino, Kalifornia | https://proteinmetrics.com/byos/ Wersja 4.5 | |
| GPMAW | GPMAW | http://www.gpmaw.com/ | |
| Woda klasy LC-MS | Thermo Fisher Scientific, Waltham, MA | W6-1 | |
| mAb wzorzec | Waters Corp., Milford, Massachusetts | 186009125 | Waters Humanizowana masowa kontrola mAb Standardowa |
| mAbScale | GlaxoSmithKline | Apache, wersja 2.0 | |
| Spektrometr masowy Xevo G2 Q-TOF | Waters Corp., Milford, Massachusetts | N/A | System modułowy |
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