Ten artykuł opisuje użycie aplikacji mAbScale do obliczania mas dla terapii białkowych opartych na przeciwciałach monoklonalnych.
Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.
Artykuł metodologiczny
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 bioterapeutyki ewoluowały, stając się filarem nowoczesnego przemysłu farmaceutycznego. Pandemia SARS-CoV2 oraz inne zagrażające życiu schorzenia dodatkowo zwiększyły zapotrzebowanie na szybszy i szerszy rozwój cząsteczek biofarmaceutycznych1,2,3.
Masa cząsteczkowa preparatu bioterapeutycznego jest kluczowa dla identyfikacji cząsteczki w połączeniu z innymi analizami analitycznymi. Masy nienaruszonej oraz zredukowanych podjednostek są wykorzystywane w całym cyklu odkrywania i rozwoju leku jako część strategii kontrolnych mających na celu utrzymanie jakości, zgodnie z opisem w QTPP (Quality Target Product Profile)4.
Rozwój analityczny w przemyśle biofarmaceutycznym w dużym stopniu opiera się na pomiarach masy w celu analizy masy nienaruszonych cząsteczek oraz szczegółowej charakterystyki z wykorzystaniem mapowania peptydowego lub monitorowania metodą wieloatrybutową (MAM). W centrum tych technik, wykorzystujących nowoczesne platformy spektrometrii mas (MS), znajduje się możliwość dostarczania pomiarów masy o wysokiej rozdzielczości i wysokiej dokładności (HR/AM). Większość instrumentów HR/AM zapewnia dokładność pomiaru masy w zakresie 0,5-5 ppm, co skaluje się wraz z zakresem masy. Zdolność do dokładnego pomiaru mas dużych, nienaruszonych cząsteczek umożliwia szybką i pewną identyfikację terapeutyków wielkocząsteczkowych. Ponieważ w typowych warunkach eksperymentalnych dla dużych cząsteczek (>10 kDa) nie można uzyskać rozdzielczości izotopowej, do porównania i identyfikacji należy obliczyć masy średnie5,6.
Typowe widmo masy białka w całości lub jego podjednostek reprezentuje ogólny profil proteoform, który zawiera złożone informacje na temat różnych form molekularnych wynikających z modyfikacji potranslacyjnych (PTM) oraz wszelkich różnic w strukturze pierwotnej, takich jak cięcia lub warianty sekwencji. Stosunkowo łatwy i wysokoprzepustowy charakter tych pomiarów sprawia, że są one atrakcyjne w celach charakterystyki oraz jako kontrole monitorowania procesu w toku7,8. Analiza danych dla tych eksperymentów zazwyczaj wymaga od użytkownika zdefiniowania przestrzeni poszukiwań dla form molekularnych (zakresu PTM lub innych form molekularnych). W przypadku białek glikozylowanych przestrzeń ta jest w dużej mierze determinowana przez heterogenność glikoform. Kombinacje wielu PTM, konfiguracje mostków dwusiarczkowych i inne warianty w obrębie struktury pierwotnej sprawiają, że obliczanie wszystkich możliwych form molekularnych jest żmudnym zadaniem. W związku z tym manualne obliczanie możliwych form molekularnych jest procesem czasochłonnym i zasobochłonnym, obarczonym dużym ryzykiem błędów ludzkich.
W niniejszej pracy przedstawiamy narzędzie do obliczeń masy, które opracowano z uwzględnieniem najważniejszych cech cząsteczek bioterapeutycznych, takich jak przeciwciała monoklonalne (mAbs), przeciwciała bispecyficzne (bsAbs), konjugaty przeciwciało-lek (ADCs) i inne. Narzędzie to umożliwia łatwe wprowadzenie zmiennych przestrzeni poszukiwań w celu spójnego obliczania mas i składu elementarnego. Modułowa budowa narzędzia pozwoli na jego dalszy rozwój oraz zastosowanie do obliczeń masy i dopasowywania mas dla innych modalności.
Moduł GUI umożliwia użytkownikowi określenie danych wejściowych do obliczeń masy, jak pokazano na Rysunku 1; w szczególności użytkownik wprowadza sekwencje aminokwasów zapisane jednoliterowo dla lekkich i ciężkich łańcuchów przeciwciał. Powszechne modyfikacje, takie jak cyklizacja N-końca i odcinanie lizyny z C-końca łańcucha ciężkiego, są dostępne jako pola wyboru. Ponadto, wzór chemiczny/skład pierwiastkowy może zostać dodany lub odjęty od tych łańcuchów białkowych za pomocą odpowiedniego pola tekstowego Chem Mod. Daje to użytkownikowi możliwość dodania składu pierwiastkowego obejmującego wiele modyfikacji potranslacyjnych lub ładunek w postaci małej cząsteczki w przypadku ADC. Ponieważ większość terapeutycznych przeciwciał monoklonalnych (mAbs) jest projektowana w celu usunięcia miejsc glikozylacji w łańcuchu lekkim, glikozylacja łańcucha lekkiego pozostaje opcjonalna i może zostać określona za pomocą pola wyboru w GUI.
Typową modyfikacją analizy masy nienaruszonej przeciwciał jest analiza masy zredukowanych podjednostek, w której łańcuch lekki zostaje oddzielony od łańcucha ciężkiego poprzez redukcję międzyłańcuchowych mostków disiarczkowych. W zależności od siły zastosowanego środka redukującego, wewnątrzłańcuchowe mostki disiarczkowe mogą zostać rozcięte lub nie. Użytkownicy mają możliwość wprowadzenia całkowitej liczby mostków disiarczkowych w zależności od podtypu IgG lub w przypadku ADC sprzężonego z cysteiną9.
Aplikacja oblicza masy w sposób oddolny (bottom-up), w którym w pierwszej kolejności obliczane są składy pierwiastkowe dla poszczególnych ciężkich i lekkich łańcuchów. Następnie uwzględniana jest cyklizacja N-końca łańcucha ciężkiego (HC) poprzez odcięcie lizyny (Lys-clipping), co realizowane jest poprzez skorygowanie obliczonych składów pierwiastkowych. Następnie do łańcuchów ciężkich i/lub lekkich stosowane są wszelkie określone modyfikacje chemiczne. W zależności od rodzaju analizy i określonych przez użytkownika wzorów wiązań dwusiarczkowych, korygowana jest liczba atomów wodoru dla obu łańcuchów polipeptydowych. Masy glikozylowanego HC oraz łańcucha lekkiego (LC) (opcjonalnie) są obliczane na podstawie danych wprowadzonych przez użytkownika. Na koniec łączone są masy wielu HC i LC, a liczba wiązań dwusiarczkowych jest automatycznie aktualizowana w celu obliczenia masy nienaruszonej (intact mass).
W przypadku większych cząsteczek, takich jak nienaruszone białka, pomiary mas monoizotopowych są niemożliwe ze względu na addytywny deficyt masy podczas stosowania spektrometrów mas o typowej rozdzielczości. Zamiast tego mierzy się lub podaje masy nominalne lub średnie5,10,11,12,13. Średnie masy pierwiastków mogą się różnić w zależności od źródła wykorzystanego do opracowania mas kuratowanych14,15. Choć różnice w masach pierwiastków mogą być niewielkie, mogą one sumować się do znaczących wartości przy obliczeniach masy cząsteczkowej dużych cząsteczek. Średnie masy pierwiastków używane domyślnie w aplikacji programowej przedstawiono w Tabeli uzupełniającej 1. W środowiskach regulowanych, takich jak obszar badań i rozwoju (R&D) w biofarmaceutyce, ważne jest zachowanie spójności mas cząsteczkowych, ponieważ zmiany mas mogą sugerować zmiany w strukturze cząsteczkowej podczas zgłoszeń regulacyjnych. Aby zapewnić spójność w stosowaniu mas pierwiastków, do narzędzia programowego dołączono słownik mas pierwiastków w formie pliku tekstowego z wartościami rozdzielonymi przecinkami (csv): Element_Mass.csv (Uzupełniający plik kodu 1). Podobnie dołączono kuratowaną listę składów glikanów typowo występujących w przeciwciałach monoklonalnych (mAbs): Glycan.csv (Uzupełniający plik kodu 2). Oba pliki są zapisane w tym samym folderze co plik wykonywalny aplikacji i mogą być modyfikowane przez użytkownika w celu zastosowania konkretnej listy mas pierwiastków lub biblioteki glikanów.

Rycina 1: Interfejs GUI aplikacji mAbScale. Moduł GUI umożliwia użytkownikowi określenie danych wejściowych do obliczeń masy. Użytkownik wprowadza jednoliterowe sekwencje aminokwasowe dla lekkich i ciężkich łańcuchów przeciwciała. Powszechne modyfikacje, takie jak cyklizacja N-końca łańcucha ciężkiego oraz odcinanie lizyny z C-końca, zostały uwzględnione w formie pól wyboru. Wzory chemiczne/składy pierwiastkowe można dodawać lub odejmować za pomocą odpowiedniego pola tekstowego Chem Mod. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Ogólny schemat procesu dla mAbScale przedstawiono na Rysunku 2. Każdy krok zawiera bardziej złożone wewnętrzne rozgałęzienia decyzyjne, pętle i kombinatorykę. Szczegółowy schemat algorytmiczny opisujący proces obliczeniowy przedstawiono na Rysunku uzupełniającym 1. Wyniki aplikacji są zapisywane w formacie arkusza kalkulacyjnego w wybranym przez użytkownika folderze. Plik wynikowy składa się z wielu oddzielnych arkuszy, które można podzielić na dane wejściowe użytkownika, obliczenia masy cząsteczkowej oraz referencje dla wyprowadzeń średniej masy izotopowej (przykład wyników znajduje się w tabelach uzupełniających). Arkusze danych wejściowych użytkownika zawierają sekwencje aminokwasowe białek i inne informacje wprowadzone przez użytkownika, średnie masy pierwiastków oraz masy glikanów, które są wykorzystywane do obliczenia składu pierwiastkowego i różnych mas cząsteczkowych. Arkusze obliczeń masy cząsteczkowej zawierają skład chemiczny różnych form, masę zredukowaną z glikozylacją i bez niej oraz z modyfikacją chemiczną i bez niej, a także masę nienaruszoną z glikozylacją i bez niej oraz z modyfikacją chemiczną i bez niej. Arkusze zawierające masy półprzeciwciał zostaną wygenerowane automatycznie, jeśli użytkownik wprowadzi dwa różne HC i/lub dwa różne LC na stronie danych wejściowych, ponieważ półprzeciwciała są głównymi zanieczyszczeniami, które muszą zostać zidentyfikowane i ilościowo określone w stosunku do pożądanego heterodimeru. Kod źródłowy mAbScale jest dostępny w następnym repozytorium: https://github.com/kkhatri99/mAbScale.

Rycina 2: Przegląd kroków zaangażowanych w obliczanie składu pierwiastkowego i mas za pomocą aplikacji. Kodowanie kolorystyczne może służyć do powiązania z przepływem procesu opisanym w Rycini uzupełniającej 1. Proszę kliknąć tutaj, aby wyświetlić większą wersję tej ryciny.
1. Uruchamianie aplikacji mAbscale
2. Wprowadzanie sekwencji
3. Określanie liczby mostków dwusiarczkowych
4. Ustawienie folderu wyjściowego i uruchomienie aplikacji
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
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...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
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...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
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.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| 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 |
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.