Introduction
Monoklonala antikroppar (mAb) är bioterapeutiska proteiner med ökande intresse på grund av deras förmåga att agera mot flera kroniska och degenerativa sjukdomar 1. Liksom andra biomolekyler, mAbs är benägna att genomgå flera fysikalisk-kemiska modifieringar på alla stadier av deras livscykel (dvs. från biosyntesen till slutprodukten). Sådana modifieringar innefattar, men är inte begränsade till: deamidering, glykosylering, oxidation, cyklisering, isomerisering, aggregering och proteolytisk klyvning 2. Därför är analytiska tekniker kapabla att lösa inneboende isoformer behövs för att övervaka mAbs heterogenitet och stabilitet för att fastställa kvalitetsspecifikationer.
Kapillärelektrofores (CE) är en högpresterande separationsteknik genom outinside av en smal kvartsröret (um intervall) fylld med en bakgrund elektrolyt (BGE). Vid applicering av ett elektriskt fält (upp till 30000 V), laddad molekyls migrerar mot elektroden med motsatt laddning (dvs elektrodrivna separation). Användningen av höga spänningar i CE tillåter snabba analyser och ökad effektivitet, som är överlägsna klassisk gelelektrofores. Kapillärzonelektrofores (CZE) är en CE-baserad teknik som rutinmässigt används inom den biofarmaceutiska industrin för bedömning produktkvalitet 3-9. Till skillnad från andra typer av CE (t.ex. kapillär gelelektrofores, kapillär isoelektrisk fokusering) eller kromatografi baserade metoder kan CZE genomföras utan användning av denatureringsmedel eller fast fas-gränssnitt, vilket möjliggör analys av den inneboende heterogenitet mAbs nära deras naturliga tillstånd 10 . CZE separation av mAb isoformer sker inuti en kvarts kapillär täckt med en hydrofil polymer (neutral kapillär) och är baserad på deras olika elektroforetisk mobilitet, som styrs av kostnad, vikt, storlek och form (eller hydrodynamiska volym) 11. mAb delar upptäcks närde är mobiliserade och passerar genom detekteringsfönstret, vilket avkänns av en ultraviolett (UV) absorbans-detektor vid 214 nm 4.
Ett framgångsrikt genomförande av denna analysteknik kommer att bero på riktig uppmärksamhet på detaljer före och under försöket. Agerar annars kommer att öka kostnaderna och tiden för att genomföra analysen, vilket slutligen leder till konstant misslyckande och frustration.
Här presenterar vi en steg-för-steg-guide för att genomföra en framgångsrik analys av mAb heterogenitet genom CZE genom detaljerad förklaring av beredning av lösningar och prover, framställning av CE-system, instrumentet metoder som inrättats, datainsamling, och bearbetningen. Vid tillämpningen av denna handledning, en rekombinant helt human anti-tumor necrosis factor alfa (anti-TNF) mAb användes som proteinmodell; dock kan detta protokoll enkelt anpassas för analys av andra proteiner överväger korta ändringar. endditionally, flera rekommendationer mildra eventuella problem föreslås. Läsaren uppmanas att strikt följa det föreslagna protokollet, som sannolikheten att lyckas ökar.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Beredning av lösningar
- Förbered BGE lösning.
- Bereda 100 ml av en lösning som består av 0,05% (m / v) hydroxipropylmetylcellulosa (HPMC), 200 mM ε-amino-n-kapronsyra (EACA) och 30 mM litiumacetat.
OBS: Som HPMC är en viskoelastisk polymer, häll pulvret i en glasbägare, tillsätt 80 ml vatten och tillsätt slutligen den omrörarstav. Fortsätt att lägga de återstående reagens som normalt. Skyddsglasögon vid hantering av litiumacetat eftersom det kan orsaka ögonirritation. - Justera till pH-värde 4,8 ± 0,1 med 50% (volym / volym) ättiksyra. Låt lösningen stabiliseras under 5 min och justera vid behov.
- Tillsätt vatten för att göra upp till en slutlig volym av 100 ml i volumetrisk kolv.
- Filtrera genom ett hydrofilt membran med en 0,2 | im porstorlek.
- Förvaras vid 2-8 ° C i upp till 7 dagar.
- Bereda 100 ml av en lösning som består av 0,05% (m / v) hydroxipropylmetylcellulosa (HPMC), 200 mM ε-amino-n-kapronsyra (EACA) och 30 mM litiumacetat.
- Förbered intern standard.
- Förbereda ett mLav en lösning bestående av 1% (m / v) histamin.
- Filtrera genom ett hydrofilt membran med en 0,2 | im porstorlek.
- Förvaras vid 2-8 ° C under upp till en dag.
2. Provberedning
- Förbereda 180 pl av mAb utspäddes provet med Tris-buffert (50 mM tris (hydroximetyl) aminometan, pH 8,0) till en slutkoncentration av 1 mg / ml.
- Tillsätt 20 ul av 1% (m / v) histamin.
- Blanda och centrifugera vid 1000 xg under 5 sek.
- Placera en mikroflaska inuti en universell flaska.
- Överföra provet i mikro flaskan och locket universalflaska. Dispensera provet uppåt för att undvika att införa några bubblor.
- Förvaras vid 2-8 ° C under upp till en dag.
- Placera universal flaskan (med mikroinjektionsflaskan provlösningen) i intagsfacket.
3. Beredning av CE System.
- CE systemrengöring.
OBS: Genomför thär förfarandet åtminstone en gång i veckan för att undvika elektrisk strömläckage som härrör från ansamling av damm och skräp. Men beroende på tillämpning (t.ex. användning av en BGE med ökad viskositet eller med hög saltkoncentration, prover med ökad viskositet) elektroder och öppningsspakarna kan behöva rengöras oftare för att förhindra korskontaminering och prov överföring.- Stäng av strömbrytaren på CE instrumentet och öppna ytterdörren.
- Rengör ytan av provet täcka, prov håller systemet (prov- och buffertmagasin), patronlocket, kläm bar, gränssnittsblocket och elektroder med en vatten dämpas nonwoven torka. Upprepa proceduren med en etanol-fuktad torka och torra innan de används.
- Skölj öppningsspakarna noga med vatten. Rengör deras yta med en icke-vävd torka. Upprepa proceduren med en etanol-fuktad torka och torra innan installation.
- Rengöra de två ändarna av den fiberoptiska kabeln försiktigly med en vatten-fuktad mikrofiberduk. Upprepa proceduren med en etanol-fuktad trasa.
- Kassetten.
- Ta en ny neutral kapillär (50 pm inre diameter) ur förpackningen.
- Tejp ned en ände av kapillären skyddande slangen till arbetsbänken. Rulla, räta och dra kapillär ut slangen.
- Sticka en bit tejp eller papper till arbetsbänken och tillmätningsmarkeringar enligt följande: längd till detektom (30 cm), kapillär fönster (0,2 cm) och längd till utloppsänden (10 cm) (dvs 40,2 cm i total längd, 30,0 cm effektiv längd).
- Rikta kapillär fönstret till 0,2 cm Mätmärke i referensdokument. Fäst kapillär med tejp och markera kapillär slutar 2 mm utanför mätningsmärkena.
- Skär skyddshättan vid kapillärinlopp änden (längst från fönster) i en enda rak rörelser med flush kanten av klyvnings stenen.
- Sänk ned kapilläränden i en capped universalflaska fylld med vatten i syfte att undvika permanent skada på den kapillära inre beläggningen. Upprepa denna procedur varje gång det kapillära änden är exponerad för den omgivande i mer än 1 min.
- För in kapillär inloppsänden till utloppssidan av patronen.
- Push and pull kapillären genom patronen vid behov tills kapillär fönstret är centrerad till patronfönstret.
- Sätt i öppningspluggen (100 | j, m x 200 | j, m) i patronfönstret.
OBS: Kontrollera att vitt ljus passerar genom fönstret när den utsätts för en vit ljuskälla. Om ljuset som passerar genom har en aktig färg, justera efter behov. - Sätt kapillär i kylvätskan slangen förformad för en total kapillär längd 40,2 cm (med förinstallerade rör mutter, hylsan och O-ring i båda ändarna i den ordningen).
- Driva kapillären genom coolant slang vid behov tills kapillär visas på den andra sidan av slangen.
- In änden av kylmedel slangen i utloppssidan av patronen i och dra slangen muttern.
- För in kapillär inloppsänden till inloppssidan av patronen.
- Push and pull kapillären genom patronen vid behov tills kapillär visas på inloppssidan av kassetten.
- In änden av kylmedel slangen i inloppssidan av kassetten i och dra slangen muttern.
- Skära skyddslocket vid kapillär utloppsände (änden närmast från fönstret) i en enda rak rörelse med hjälp av spolnings kanten av klyvnings sten.
- Sätt tätnings-hållare klipp över kapillär ändarna och tryck att snäppa på plats. Okulärbesiktiga kapillär slutar. Om de inte ens, upprepa proceduren.
- Placera mall kapillären längd på kanten av arbetsbänken.
- Placera patronen nedåt against mall kapillären-längd och rikta kapillären slutar med referenslinjerna på mallen. Om kapillär mätningsmärkena (se 3.2.4) inte i linje med de referenslinjer, justera vid behov.
- Hålla kapillären mot mallen kapillären-längd och skär båda ändarna av kapillären med hjälp av spolnings kanten på klyva stenen 2 mm under referenslinjerna på mallen.
- Visuellt inspektera kapillär avslutas med ett förstoringsglas. Om kapillära ändar är ojämna, polera dem med hjälp av mjuka ansikte klyvnings sten.
- Sätt i öppningen O-ringen in i öppningen plugghålet med hjälp av O-ringen införingsverktyg.
- Installera utjämnade universella flaskor fyllda med vatten i patronhylsan och plats kassetten i fall omedelbart med kapillära ändar införda i flaskor. För korta och långtidsförvaring hålla vid 2-8 ° C.
- Framställning av buffertmagasin.
- Fyll och placera utjämnade universal flaskor i bufferten inlopp och utlopp fack (Figur 1). Upprepa flask positioner i banorna 2, 3, 4 och 5 i enlighet med det antal prover som ska analyseras, placera ett körfält för varje sex provinjektioner.
OBS: Undvik att väta flasklock för att förhindra strömläckage.
- Fyll och placera utjämnade universal flaskor i bufferten inlopp och utlopp fack (Figur 1). Upprepa flask positioner i banorna 2, 3, 4 och 5 i enlighet med det antal prover som ska analyseras, placera ett körfält för varje sex provinjektioner.
Figur 1: Position och fylla nivå på samhällsomfattande flaskor i buffert och utlopps brickor. Fyll nivåer: 1/1 = 1400 il, 3/4 = 1300 mikroliter och 1/2 = 1000 mikroliter. Förkortningar: W = vatten, HCI = 0,1 M saltsyra. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
- CE-system komponenter montering.
- Installera UV-detektor.
- Montera öppningsspakarnagenom att trycka upp i gränssnittsblocket.
- Montera fiberoptisk kabel. Sätt motsvarande änden till kläm bar och medan du håller båda ändar, rotera medurs. Anslut den andra änden till UV-detektor.
OBS: Hantera fiberoptiska kabeln med omsorg under denna procedur, eftersom böjning kan orsaka dess brott. - Placera provet och buffertmagasin i provhållsystemet och snäpper på plats.
- Placera kapillära kassetten i gränssnittsblocket och samtidigt trycka på kläm bar vid båda ändarna, dra åt rattarna.
4. Instrumentmetoder Set-up
- Skapa luftkonditionering, kör och avstängning instrumentmetoder enligt följande parametrar och tabell 1: Spänning, max: 30,0 kV; Ström, max: 300,0 iA; Patron temperatur: 20,0 ° C; Provlagringstemperatur: 10,0 ° C; UV detektor begynnelsevillkor: våglängd: 214 nm; Datahastighet: 4 Hz; Filter: Normal; Toppbredd (Parlamentet): 16-25; Absorbans signal: Direkt.
OBS: Dataregistrering hastigheten kan ökas upp till 25 Hz för att förbättra täckningen av smala separationszoner.
| Conditioning metod tidsprogram | |||||||
| Tid (min) | Händelse | Värde | Varaktighet | inlopps ampull | utlopps ampull | Sammanfattning | kommentarer |
| - | Skölj - Tryck | 2068 mbar | 1,0 min | BI: C1 | BO: C1 | Framåt | HCl 0,1 M |
| - | Skölj - Tryck | 2068 mbar | 2,0 min | BI: B1 | BO: C1 | Framåt | <td> Vatten|
| - | Skölj - Tryck | 2068 mbar | 10,0 min | BI: E1 | BO: C1 | Framåt | BGE |
| 0,00 | Separat - Spänning | 15,0 KV | 10,0 min | BI: D1 | BO: D1 | 0,17 Min ramp, normal polaritet | Separat |
| 10,00 | Skölj - Tryck | 2758 mbar | 10,0 min | BI: E1 | BO: C1 | Framåt | BGE |
| 20,01 | Vänta | - | 0,0 min | BI: A1 | BO: A1 | - | Skölj tips |
| Rinnande metod tidsprogram | |||||||
| Tid (min) | Händelse | Värde | Varaktighet | inlopps ampull | Sammanfattning | kommentarer | |
| - | Skölj - Tryck | 2068 mbar | 1,0 min | BI: C1 | BO: C1 | Forward, in / ut flaskan inc 6 | HCl 0,1 M |
| - | Skölj - Tryck | 2068 mbar | 2,0 min | BI: B1 | BO: C1 | Forward, in / ut flaskan inc 6 | Vatten |
| - | Skölj - Tryck | 2068 mbar | 4,0 min | BI: E1 | BO: C1 | Forward, in / ut flaskan inc 6 | BGE |
| - | Injicera - Tryck | 34 mbar | 20,0 sek | SI: A1 | BO: B1 | Åsido, Framåt | provinjektion |
| - | Vänta | - | 0,4 min | BI: A1 | BO: A1 | In / ut flaskan inc 6 | Tvätta tips |
| 0 | Separat - Spänning | 15,0 KV | 30,0 min | BI: D1 | BO: D1 | 0,17 Min ramp, normal polaritet, In / Ut flaska inkl 6 | prov Separation |
| 0,5 | automatisk nollställning | - | - | - | - | - | - |
| 30,01 | stoppa data | - | - | - | - | - | - |
| 30,02 | Skölj - Tryck | 2068 mbar | 2,0 min | BI: B1 | BO: C1 | Forward, in / ut flaskan inc 6 | Vatten |
| 32,03 | Vänta | - | 0,0 min | BI: A1 | BO: A1 | In / ut flaskan inc 6 | Skölj tips |
| 32,04 | Slutet | - | - | - | - | - | Slutet |
| Avstängningsmetoden tidsprogram | |||||||
| Tid (min) | Händelse | Värde | Varaktighet | inlopps ampull | utlopps ampull | Sammanfattning | kommentarer |
| - | Skölj - Tryck | 2068 mbar | 1,0 min | BI: E6 | BO: E6 | Framåt | HCl 0,1 M |
| - | Skölj - Tryck | 2068 mbar | 6,0 min | BI: F6 | BO: F6 | Framåt | Vatten |
| - | Lampa - Av | - | - | - | - | - | - |
| - | Vänta | - | 0,0 min | BI: A1 | BO: A1 | - | Skölj tips |
Tabell 1: Conditioning, löpning och avstängning tidsprogram.
5. datainsamling och databehandling
- Programmera provuppsättning.
- Programmera kapillären för konditionering med användning av konditioneringsinstrumentet metoden. När kapillär används för första gången, program fyra upprepningar; annars programmera endast två repetitioner av konditionemetoden.
- Programmera prover som ska analyseras med hjälp av rinnande instrument metoden.
- Programmera kapillär för lagring med hjälp av avstängningsinstrumentmetod och upprepa proceduren som anges i avsnitt 3.2.22.
- Köra experimentet.
- Exportera elektroferogram.
- Beräkna tid migration och procentandelen av grundläggande, huvud ennd sura isoformer använder fallhöjd linje integration av elektroferogram profil.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Figur 2 visar den typiska elektriska strömprofilen av en 200 mM EACA, 30 mM litiumacetat, pH 4,8 BGE med anti-TNFa mAb utspäddes provet med Tris-buffert (50 mM, pH 8,0). Som kan observeras, är den nuvarande stabila hela analysen och kan svänga mellan värden på 30 till 35 | iA. Figur 3 visar CZE elektroferogram över ett blankprov där den detekterade toppen motsvarar histamin intern standard. Det förväntas för histamin har en migration tid av 3,7 till 4,1 min. Figur 4 visar CZE elektroferogram av anti-TNFa mAb. Som kan noteras, är huvudtoppen föregås och följs av toppar av mindre intensitet. Eftersom separation sker under normal polaritet (dvs, från positiv till negativ), avslöjar analys grundläggande isoformer (mAb varianter med positiv laddning) migrerar snabbare och sura isoformer (mAb varianter med negativ laddning) migrerar långsammare än huvud isoformen.
Figur 2: Elektrisk ström av en typisk CZE körning. Den BGE strömmen är stabilt kring 30 pA när mAb provet späds med Tris-buffert (50 mM, pH 8,0). Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 3: CZE elektroferogram av blankprov. Observera att inga toppar detekteras bortsett från den för den histamin intern standard. AU = absorbansenheter. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 4: fysikalisk heterogenitet av anti-TNFa mAb bestämdes genom CZE. Detta prov består av grundläggande, huvud- och sura isoformer. Infällda bilden visar en expanderad vy av varianterna lösas genom CZE. AU = absorbansenheter. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
I denna handledning, vi betona vikten av lämpliga metoder när de utför CZE analyser av mAb för att öka sannolikheten att lyckas. Men när CZE används rutinmässigt, problem uppstår oundvikligen 12.
För bästa resultat, är det viktigt att följa de anteckningar som ingick i hela protokollet, eftersom de kommer att hjälpa analytiker att övervinna och felsöka svåra steg. En viktig fråga för att få optimal upplösning vid en given uppsättning betingelser är korrekt beredning av BGE lösning. Denna process kräver att ha strikt kontroll över jonstyrka av buffertmedel, koncentrationen av icke-buffrande tillsatser och pH. Sammantaget kräver CE systemet omsorg och uppmärksamhet på detaljer. Det kan lätt skadas om någon steg om systemet rengöring eller montering ignoreras.
Föreliggande förfarande anser att användning av ett neutralt kapillär. Till skillnad från nakna kvarts kapillärer,neutrala kapillärer minska proteinadsorption på kapillär innerväggen, vilket förbättrar separationseffektiviteten, noggrannhet och repeterbarhet 9. Emellertid är dess användning begränsad av mängden av injektioner som kan utföras. Enligt vår erfarenhet kan 120 till 150 injektioner utföras utan effekt på upplösning på grund av den gradvisa nedbrytningen av den inre beläggningen. När kapillären har nått denna gräns, kommer en ny kapillär krävas.
Andra protokoll har rapporterats för analysen av fysikalisk heterogenitet mAbs av CZE, vilket inkluderar användning av permanently- och dynamiskt belagda kapillärer 13,14. Dessa studier föreslår tillämpning av en fast uppsättning villkor för att analysera den stora mångfalden av mAbs. I motsats till existerande metoder, tror vi att optimal prestanda kan endast uppnås genom att skräddarsy experimentella betingelser. Till exempel, har det protokoll som presenteras här använts och justeras iförflutna för att analysera isoform heterogenitet fyra andra olika mAbs och mAb-fragment 10. För att anpassa detta protokoll för att utvärdera andra mAbs, rekommenderar vi moduleringen av BGE jonstyrka och pH enligt varianter mångfald och isoelektrisk punkt av molekylen som skall analyseras.
Ytterligare steg efter att behärska denna teknik bör innehålla en utvärdering av metoden prestanda. Parametrar såsom selektivitet och repeterbarhet (i termer av den relativa standardavvikelsen för migrationstiden och området i procent) måste testas för att bekräfta att metoden är lämplig för den avsedda användningen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Glacial acetic acid | Tecsiquim | AT0035-7 | |
| ACS grade hydrochloric acid | J.T. Baker | 9535-05 | |
| Histamine dihydrochloride | Fluka | 53300 | |
| (Hydroxypropyl) methyl cellulose | Fluka | 09963 | |
| Lithium acetate | Sigma-Aldrich | 517992 | |
| 6-Aminocaproic acid | Sigma-Aldrich | A2504 | |
| eCAP Tris Buffer, 50.0 mM, pH 8 | Beckman Coulter | 477427 | |
| PA 800 Plus Pharmaceutical Analysis System | Beckman Coulter | A66528 | |
| eCAP Neutral capillary | Beckman Coulter | 477441 | |
| Vial, Micro, 200 µl | Beckman Coulter | 144709 | |
| Universal Vial Caps | Beckman Coulter | A62250 | |
| Universal Vials | Beckman Coulter | A62251 | |
| Cable, Optics, UV/Vis | Beckman Coulter | 144093 | |
| UV/Vis Detector Module | Beckman Coulter | 144733 | |
| Cartridge Assembly Kit, Blank | Beckman Coulter | 144738 |
References
- Bruno, V., Battaglia, G., Nicoletti, F. The advent of monoclonal antibodies in the treatment of chronic autoimmune diseases. Neurol. Sci. 31, 283-288 (2011).
- Liu, H., Gaza-Bulseco, G., Faldu, D., Chumsae, C., Sun, J. Heterogeneity of monoclonal antibodies. J. Pharm. Sci. 97 (7), 2426-2447 (2008).
- Creamer, J. S., Oborny, N. J., Lunte, S. M. Recent advances in the analysis of therapeutic proteins by capillary and microchip electrophoresis. Anal. Methods. 6 (15), 5427-5449 (2014).
- Fekete, S., Guillarme, D., Sandra, P., Sandra, K. Chromatographic, Electrophoretic, and Mass Spectrometric Methods for the Analytical Characterization of Protein Biopharmaceuticals. Anal. Chem. 88 (1), 480-507 (2016).
- He, Y., et al. Analysis of identity, charge variants, and disulfide isomers of monoclonal antibodies with capillary zone electrophoresis in an uncoated capillary column. Anal. Chem. 82 (8), 3222-3230 (2010).
- He, Y., Isele, C., Hu, W., Ruesch, M. Rapid analysis of charge variants of monoclonal antibodies with capillary zone electrophoresis in dynamically coated fused-silica capillary. J. Sep. Sci. 34 (5), 548-555 (2011).
- Zhao, S. S., Chen, D. D. Y. Applications of capillary electrophoresis in characterizing recombinant protein therapeutics. Electrophoresis. 35 (1), 96-108 (2014).
- Štěpánová, S., Kašička, V. Determination of impurities and counterions of pharmaceuticals by capillary electromigration methods. J. Sep. Sci. 37 (15), 2039-2055 (2014).
- Štěpánová, S., Kašička, V. Recent applications of capillary electromigration methods to separation and analysis of proteins. Anal. Chim. Acta. 933, 23-42 (2016).
- Espinosa-de la Garza, C. E., et al. Analysis of recombinant monoclonal antibodies by capillary zone electrophoresis. Electrophoresis. 34 (8), 1133-1140 (2013).
- Staub, A., Guillarme, D., Schappler, J., Veuthey, J. L., Rudaz, S. Intact protein analysis in the biopharmaceutical field. J. Pharm. Biomed. Anal. 55 (4), 810-822 (2011).
- Altria, K. D. Troubleshooting. Methods in Molecular Biology, Vol 52. Capillary Electrophoresis Guidebook: Principles, Operation and Applications. Altria, K. D. , Chapter 10 (1996).
- Ma, S., Nashabeh, W. Analysis of protein therapeutics by capillary electrophoresis. Chromatographia. 53 (5), 75-89 (2001).
- Jaccoulet, E., Smadja, C., Prognon, P., Taverna, M. Capillary electrophoresis for rapid identification of monoclonal antibodies for routine application in hospital. Electrophoresis. 36 (17), 2050-2056 (2015).
