Применение мембранной хроматографии для последующей очистки белков

Мембранная хроматография — это технология, используемая для разделения и очистки белков и биомолекул во время последующей обработки. Он считается эффективной альтернативой традиционной колоночной хроматографии, поскольку может значительно улучшить хроматографические характеристики в режимах сродства, гидрофобного взаимодействия и ионного-обмена.

 

 

Мембранная хроматография в основном используется в биофармацевтической промышленности, особенно для очистки препаратов антител, вирусов и моноклональных антител.

Основной принцип мембранной хроматографии. Мембранная хроматография использует места связывания внутри мембранной матрицы для разделения и очистки биомолекул. По сравнению с обычной колоночной хроматографией мембранная хроматография сокращает время контакта между биомолекулами и адсорбентом, помогая сохранить их нативную конформацию, удаляя примеси и поддерживая биологическую активность целевых молекул. Внутренняя структурная конструкция мембранной хроматографии обеспечивает относительно большие поры и минимизирует эффекты исключения размера, тем самым значительно увеличивая рабочую скорость потока.

 

I. История развития мембранной хроматографии.

1. Происхождение (1980-е)

Ионно--фильтровальная бумага:Ионно--функциональные группы впервые были введены на глубинную-фильтровальную бумагу для удаления ДНК-клеток-хозяев. Однако эти ранние материалы имели низкую связывающую способность и высокий уровень экстрагируемых веществ.

Рождение серии Sartobind:Мембраны из модифицированного ацетата целлюлозы улучшили качество продукции и заложили основу для биопереработки на основе мембран-. На ранней стадии разработки эту технологию обычно называли«адсорбционные мембраны».

2. Технологические прорывы (1990–2000-е гг.)

Мембранная хроматография Мустанга:Компания Pall оптимизировала плотность лигандов, достигая динамической способности связывания, превосходящей таковую у обычных хроматографических смол, и приближая мембранную хроматографию к истинному«очистка и разделение»приложения.

Коммерциализация:После 2012 года такие компании, как Guidling, Sartorius и Pall, представили продукты для мембранной хроматографии, основанные на анионообменных, катионообменных, гидрофобных взаимодействиях и механизмах сродства, постепенно расширяя их использование в качестве альтернативы традиционной насадочной хроматографии.

3. Интеллектуализация и расширение (2020-е годы – настоящее время)

Аффинная мембранная хроматография:Продукты для мембранной хроматографии, такие как мембраны Guidling Q, SP, CM и DEAE, обеспечивают время пребывания всего 10 секунд и динамическую связывающую способность до 55 г/л, что приводит к увеличению эффективности очистки до 15 раз.

Мультимодальная и непрерывная-поточная обработка:Сочетая механизмы ионного-обмена и гидрофобного взаимодействия, мембранная хроматография обеспечивает двухэтапную очистку моноклональных антител, одновременно снижая расход буфера до 85 %.

 

II. Текущее состояние развития мембранной хроматографии

1. Технические преимущества

Высокая скорость потока:Размер пор мембраны составляет 3–5 мкм по сравнению с примерно 0,04 мкм для обычных хроматографических сред. Рабочая скорость потока может достигать 500–1000 см/ч по сравнению со 100–150 см/ч для традиционной насадочной хроматографии.

Высокая связывающая способность:Конвективный массоперенос сводит к минимуму диффузионные ограничения, обеспечивая динамическую связывающую способность более 2500 г/м², например, продемонстрированную мембранной хроматографией Guidling Q.

Простота эксплуатации:Предварительно собранная и готовая к использованию мембранная хроматография исключает этапы упаковки и регенерации колонки. Он хорошо подходит для одноразовых-систем и позволяет сократить общее время обработки до 60 %.

2. Области применения

Биофармацевтика:Моноклональные антитела (удаление HCP/ДНК), вирусные векторы (аденовирус, AAV) и вакцины (грипп, VLP COVID-19).

Промышленная очистка:Детоксикация полисахаридов (например,Стрептококк пневмонии), захват рекомбинантного белка и удаление эндотоксина.

Экологические применения:Очистка сточных вод (адсорбция тяжелых-металлов) и удаление фосфатов из сточных вод, покрытых водорослями.

 

III. Тенденции развития мембранной хроматографии

1. Технологические инновации

Умные-адаптивные медиа:Интеллектуальные композитные пористые материалы обеспечивают контролируемую адсорбцию и высвобождение, снижая зависимость от условий с высоким-солевым содержанием.

Нановолокна:Пяти-кратное увеличение удельной поверхности обеспечивает высокоэффективное связывание крупных биомолекул, таких как плазмидная ДНК.

Мультимодальная хроматография:Тандемные анион-обменные и гидрофобные мембраны позволяют обеспечить до 100 % удаление агрегатов моноклональных антител при сокращении количества стадий очистки на 50 %.

2. Обновления процессов

Непрерывная обработка:Интеграция глубинной фильтрации, мембранной хроматографии и ультрафильтрации может сократить цикл производства моноклональных антител с 4 дней до 1 дня.

Модульная конструкция:Оборудование Z2 с поперечной-поточной подачей обеспечивает разрешение, сравнимое с ВЭЖХ, при этом увеличивая скорость потока до 40 раз, что делает его пригодным для очистки векторов генной терапии.

3. Расширение приложения

Генная терапия:Разделение пустых и полных капсидов AAV с помощью мембранной хроматографии, обеспечивающей связывающую способность до 1 × 10¹³ VP/мл.

Очистка внеклеточных везикул:Мембраны из сульфатированной целлюлозы обеспечивают избирательную адсорбцию экзосом со степенью восстановления, превышающей 80%.

Пищевая промышленность:Разделение сывороточных белков и удаление афлатоксинов, что является альтернативой традиционным методам экстракции фенолом.

 

IV. Вызовы и перспективы на будущее

1. Текущие ограничения

Стоимость лиганда:Аффинные мембраны основаны на дорогих лигандах, таких как белок А, что ограничивает экономическую целесообразность одноразового-применения.

Масштабируйте-проблемы:По мере увеличения площади мембраны неравномерное распределение жидкости может стать проблемой, требующей оптимизации конструкции модуля, например конфигураций спиральной-намотки и полых-волокон.

2. Прорывные направления

Развитие лиганда:Создавайте лиганды широкого-спектра на основе взаимодействия вирус-хозяин, например лиганды на основе сульфатированных полисахаридов-, имитирующие гепарин.

Зеленая обработка:Трегалозу можно использовать в качестве альтернативы глицерину для снижения вязкости раствора, при этом расход буфера можно снизить до 85%.

Оптимизация на основе искусственного интеллекта-:Моделирование вычислительной гидродинамики (CFD) можно использовать для прогнозирования загрязнения мембраны, оптимизации гидродинамики и улучшения распределения пор-по размерам.

 

V. Типичные случаи применения

1. Производство моноклональных антител

Руководство Вопрос:Для захвата моноклональных антител в масштабе 2000 л объем мембраны составляет всего 5 л по сравнению с 60 л обычных хроматографических сред, что снижает затраты на 80%.

2. Очистка вирусов

Вакцины против гриппа:Псевдо-аффинная мембранная хроматография обеспечивает степень извлечения 80 % при остаточной ДНК менее 0,5 %.

Аденовирусные векторы:Zn²⁺-хелатные мембраны обеспечивают связывающую способность 1 × 10¹³ ВП/мл, при этом удаление белка из клетки-хозяина- превышает 99 %.

Мембранная хроматография преодолевает ограничения традиционной хроматографии за счет конвективного массопереноса, что делает ее ключевой технологией для снижения затрат и повышения эффективности биофармацевтического производства. В будущем, когда интеллектуальные материалы будут интегрированы в непрерывные-поточные процессы, мембранная хроматография, как ожидается, распространится на генную терапию, точную медицину и устойчивое производство, что приведет биоперерабатывающую промышленность к новой эреболее высокая эффективность и меньшее потребление ресурсов.