Исследование по замене традиционной колоночной хроматографии мембранной хроматографией для очистки моноклональных антител

Традиционная хроматография с насадочным слоем является зрелой и надежной, но ее ограничивают такие ограничения, как низкая диффузионная эффективность, высокое противодавление и низкая скорость обработки, что делает все более трудным идти в ногу с постоянно растущей производительностью предшествующих процессов. Недавно исследование, опубликованное вБиотехнологический прогресспринесла потенциальный прорыв в отрасль: благодаря своим преимуществам исключительно высокой производительности и надежности мембранная хроматография может стать эффективной альтернативой хроматографии на насадочном слое и фундаментально изменить ландшафт последующей очистки моноклональных антител.

Предыстория исследования

 

В ходе исследования систематически оценивались различные типы мембранных хроматографических устройств, включая ионообменные мембраны и мембраны, аффинные к белку А, а также проводилось всестороннее сравнение с традиционной насадочной хроматографией по нескольким параметрам, включая связывающую способность, удаление примесей, срок службы и общую эффективность очистки. Для исследования были выбраны три рекомбинантных белка:-одно моноклональное антитело (mAb) и два Fc-слитых белка-, охватывающие весь последующий процесс очистки от захвата до очистки. Основные результаты испытаний следующие:

 

1. Этап захвата: мембранная хроматография белка А - Высокая связывающая способность при коротком времени пребывания

Хроматография на белке А является важным этапом захвата моноклональных антител. В ходе исследования оценивались характеристики четырех мембран с белком А (три коммерческих продуктов и одна мембрана-прототип) по сравнению с двумя эталонными упакованными-смолами:

• Выдающаяся способность динамического связывания (DBC):Две мембраны достигли значений DBC, превышающих 50 г/л. Некоторые мембраны сохраняли связывающую способность 35–65 г/л даже при чрезвычайно коротком времени пребывания (0,2 мин), что сравнимо с традиционными смолами с насадочным слоем (37–55 г/л).
• Резкое увеличение производительности:Время пребывания при мембранной хроматографии составляло всего 1/6–1/30 от времени традиционной колоночной хроматографии (0,13–0,33 мин по сравнению с . 2–6 мин), что приводило кУвеличение производительности пакетной обработки в 12–35 раз.
• Стабильное восстановление:Восстановление белка превысило 85% для всех мембранных устройств. Мембрана GORE достигла самого высокого коэффициента извлечения — 96 %, что по сути сравнимо с традиционными смолами с насадочным слоем (94–98 %).
• Ограничения, которые следует учитывать:Мембранная хроматография давала объем элюатав 1,4–5 раз вышечем традиционные упакованные-смолы, в то время как клиренс HCP был немного хуже. Для некоторых мембран уровни HCP в элюате достигали 7000 ppm по сравнению с 4700 ppm для традиционных упакованных смол. Поэтому,для компенсации этого ограничения могут потребоваться дополнительные этапы полировки..

 

2. Этап полировки: ионно--обменные/мультимодальные мембраны -. Эффективное удаление примесей с помощью быстрой обработки.

Основная цель этапа полировки — удаление остаточных примесей, таких как агрегаты с высокой-молекулярной-массой (HMW) и белки клеток-хозяев (HCP). В исследовании оценивались три типа мембранной хроматографии: анионообменные (AEX), катионообменные (CEX) и мультимодальные (MM) мембраны.

• Рекордная-производительность:Время пребывания для мембранной хроматографии составляло всего0,17 мин., по сравнению с2–4 мин.для традиционной колоночной хроматографии, представляющей собойСокращение времени пребывания в 12–24 разаи резкое увеличение эффективности обработки.
• Удаление примесей сравнимо с традиционной колоночной хроматографией:Достигнута мембранная хроматографияКоэффициенты клиренса HMW 4,2–5,5., приближаясь к характеристикам смолы Capto Adhere (6).Фактор клиренса HCP достиг 60, причем некоторые мембраны превосходят традиционную насадочную хроматографию.
• Конкурентное восстановление белка:Большинство мембран достигнутоизвлечение белка выше 90%, а для некоторых слитых белков Fc- извлечение было даже выше, чем полученное с помощью традиционной колоночной хроматографии.

 

3. Полная-проверка процесса: мембранная хроматография обеспечивает очистку высокой-чистоты.

Исследование установилоинтегрированный мембранный-процесс очистки, сочетающий захват белка А с доработкойи непосредственно сравнили его с традиционным процессом насадочной хроматографии:

• Высокая-производительность:После полной мембранной-очистки уровни HCP в слитых белках Fc- снизились дониже 50 частей на миллион, с агрегатами (виды HMW) приМеньше или равно 0,5%. Для моноклонального антитела HCP было уменьшено до226 частей на миллион, с агрегатами в1.0%, приближаясь к производительности обычного процесса хроматографии на насадочном слое (11 ppm HCP и 0,7% агрегатов).
• Более высокое общее восстановление:Общее восстановление слитого белка Fc- достигло89%, который былна 19% вышечем при обычной хроматографии на насадочном слое. Для моноклональных антител восстановление было73%, что сравнимо с обычным процессом с уплотненным слоем.
• Сильная устойчивость к загрязнению:Мембранная хроматография продемонстрировала лучшую толерантность к сырью с высоким содержанием примесей и оставалась эффективной даже припервоначальная концентрация HCP достигла 150 000 ppm.

 

4. Срок службы: стабильная работа в течение 100+ циклов соответствует производственным требованиям.

Долговечность мембраны является решающим фактором для промышленного применения. В ходе исследования оценивалась стабильность мембран посредством201 последовательный рабочий цикл:

• Увеличенный срок службы:Семь из восьми мембран завершеныболее 100 циклов, в то время как прототип мультимодальной (ММ) мембраны достиг201 циклбез существенного ухудшения производительности.
• Стабильная производительность:На протяжении всего исследования велоспортавосстановление белка осталось около 90%, без значительного снижения эффективности удаления HMW или HCP. Профили давления также оставались стабильными.
• Подходит для производства:Большинство мембран были способны поддерживатьхотя бы один полный производственный цикл, хотя некоторые могут поддерживать несколько пакетов. Накопленное повышение давления можно смягчить за счет оптимизациистратегия очистки-на-месте (CIP).

 

Технические моменты: почему мембранная хроматография может заменить традиционную колоночную хроматографию?

Основные преимущества мембранной хроматографии обусловлены ее уникальной плоско-структурой мембраны. По сравнению с обычными пористыми смолами для хроматографии мембранная хроматография имеет три ключевых отличия:

1. Инновационный механизм массообмена:Мембраны полагаются в первую очередь на конвективный массоперенос, устраняя необходимость диффузии белков в пористую среду. Это значительно сокращает время пребывания и обеспечивает гораздо более быструю обработку.
2. Значительно меньшее противодавление:Плоская-структура обеспечивает низкое сопротивление потоку и позволяет работать с более высокими скоростями потока, преодолевая ограничения по противодавлению, обычно связанные с традиционной колоночной хроматографией.
3. Сильная адаптивность процесса:Мембранная хроматография совместима с непрерывным производством и может лучше соответствовать высокой производительности предшествующих процессов. Кроме того, меньшая площадь оборудования и меньшие требования к мембранному материалу могут помочь снизить общие производственные затраты.

Конечно, мембранная хроматография также имеет определенные ограничения. К ним относятсябольшие объемы элюирования, которые требуют дополнительного потребления буфера; необходимость дальнейшего улучшения очистки от примесей для сложных образцов, таких какбиспецифические антитела (bsAbs); и ограниченная доступность некоторых мембранных продуктов в крупных производственных масштабах. Однако эти проблемы можно постепенно решать за счет оптимизации конструкции оборудования, внедрения дополнительных этапов глубинной-фильтрации и других усовершенствований процесса.

Влияние на отрасль: производство моноклональных антител вступает в эпоху высокоэффективной-очистки

Результаты этого исследования дают биофармацевтической промышленности четкое направление для технологического прогресса. Для традиционных процессов очистки слитых белков mAb и Fc-, в которых приоритетом является высокая производительность,Мембранная хроматография может полностью заменить традиционную колоночную хроматографию с насадочным слоем.. Даже для более сложного сырья стратегия сочетания мембранной хроматографии с традиционными хроматографическими смолами может помочь достичь оптимального баланса между эффективностью обработки и чистотой продукта.

Поскольку технологии мембранных материалов продолжают развиваться, ожидается, что будущие разработки позволят еще больше сократить потребление буфера и улучшить масштабируемость, ускоряя развитие биофармацевтической промышленности в направлениинепрерывное, высоко-эффективное и экономичное-производство.

Для биофармацевтических производителейраннее внедрение и стратегическое внедрение мембранной хроматографии может стать важным конкурентным преимуществом на развивающемся рынке.