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闪“藥”泰州-速记放送5|生物大分子结构表征及工艺杂质研究分享

2021年04月26日
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生物大分子结构表征及工艺杂质研究

 

微谱生物大分子研究中心

技术总监  黄卓

 

 

简介:黄卓,十余年深耕于生物药领域,对单抗、融合蛋白、多肽类生物制品的理化分析、结构表征及杂质鉴定工作,如Humira、BNP、Erbitux、Aflibercept、HyFc-EPO等多款生物类似药、创新药,尤其对工艺条件、强制降解条件(高温、酸碱、光照、氧化等)对蛋白样品的修饰鉴定有着较为深刻的理解和经验。支持过多个项目的CMC项目管理,并将其由临床前推动至临床阶段的项目经验。

 

各位老师、各位嘉宾,大家好。我主要负责生物大分子的结构表征及工艺杂质研究,今天非常荣幸受主办方的邀请,来讲一些表征结构和相关案例。主要分三个部分:第一,关于我们生物医药事业部。第二,生物大分子结构表征。第三,工艺杂质研究

 

 

微谱生物医药服务始创于2012年,现在团队超过了600多人,有13000多平米独立实验室,服务客户超过了1000多家。对于大分子结构表征来说,我们这边先讲述一下国家药品监管管理局发布了《国家药监局关于发布在生物制品注册分类及申报资料要求的通告(2020第43号)》,第一类是预防用生物制品、第二类是治疗用生物制品,第二类是按生物制品管理的体外诊断试剂。我们可以看到治疗用生物制品新注册分类中,第1类是创新型生物制品,是对境内外均未上市的治疗用生物制品;第2类,是改良型生物制品,对已上市制品基础上,对其剂型、给药途径等进行优化,且具有明确临床优势的生物制品;第3类,境内或境外已上市生物制品。

 

关于生物制品特性鉴定的研究内容也有相关的指导文件。一般需要对生物制品的的氨基酸组成、N端、C端氨基酸序列或全序列分析、酶解肽图等进行分析。从特性鉴定的研究目的来讲,特性鉴定不仅能深度表征产品的一级结构和高级结构信息,从而确证产品对不对的问题,而且在一定程度上也能比较各批次产品间批间一致性问题。所以,我们不仅仅需要从分子量来初步确定产品对不对,也可以进一步研究深入一点,从亚基分子量和覆盖率、氨基酸组成等去进一步确证产品对不对的问题。甚至我们还需要在质量肽图、二硫键、糖基化修饰、糖位点鉴定、其他翻译后修饰、CD、DSC、FTIR、HDX MS等去全面研究目的蛋白的质量属性。

 

其实,前几位老师讲得更多小分子相关的研究内容,我这边讲的是大分子,大分子相比于小分子明显的区别是分子量不一样,一个是分子量小,一个是分子量大,但更多的差别是由于大分子的异质性要远远高于小分子,所以在分析上遇到的挑战也要大的多。

 

 

我们可以看到这是一个经典的抗体结构图,它是由两条轻链和两条重链通过二硫键连接而成的同源二聚体,其N端/C端序列存在多种修饰变异体,Fc段由于糖链的引入也存在糖型变异体。我们知道结构确证也是药物研究的一部分,与结构确证研究相关的质量属性,主要涉及到蛋白的氨基酸序列、分子量、二硫键、序列变异体、糖基化修饰、其他翻译后修饰以及其他产品相关杂质性。谈到生物制品,要先讲一下一级序列结构研究。关于一级结构序列,那不得不提分子量和氨基酸序列分析图一图二是分子量和序列分析的检测图谱,分子量质谱结果好不好,更多是看灵敏度、分辨率怎么样。

 

从序列分析TIC图谱,可以看到序列情况对不对,而分子量对,不代表序列不会出现问题,这两个是相辅相成的逻辑关系。质量肽图,可有效鉴定蛋白质的一级结构信息,包括鉴定CDR区肽段位置、是否发生化学修饰或者氨基酸突变等,能有效质控生物制品的稳定性和完整性。所以质量肽图就能解决这种问题,从而确证序列的完整性和正确性。N-糖糖谱分析。我们知道糖链对维持糖蛋白的空间结构以及它的生物学活性、稳定性都有着重要的影响。同时,有一些影响免疫原性的糖型,如Man5也会对产品的安全性有影响,所以N-糖糖谱分析是非常常用的分析方法。不仅可以看到糖链的种类,也可以看到糖链的比例信息。二硫键配对分析。我们知道二硫键对维持蛋白质空间结构有着重要的作用,如果它有问题,那蛋白的空间结构一定会存在影响,也会对蛋白的生物活性造成影响。我们可以通过对蛋白进行还原前后的质量图谱对比,通过LC-MS分析找到含有二硫键的肽段,从而确证二硫键的配对。

 

 

其实,有些研究方案客户也会提到二硫键错配的问题。

这是一个关于甘精胰岛素二硫键错配的案例。这个可以看到,这个分子有三对二硫键,从分子结构式来分析,理论上来二硫键错配形式会达到11种,那对于11种错配该怎么研究呢?既然是11种,我们不妨对11种进行划分,将其分为三类第一类是和正常二硫键配对形式一类,第二类B链翻转类,第三类是复杂类。这张图中可以看到11批样品多肽图叠加的情况,我们发现第一类是未检出的,第二类是有检出,大概在0.1%左右,第三类也是未检出的。

 

其实,之前我们微谱不光只是做大分子的,其实在杂质领域也做了许多相关的质量研究。

 

首先在生物制品行业有哪些相关的杂质需要考虑进行研究呢?去年CDE发布的相关文件中也进行了相关的阐述,杂质一般分为产品相关杂质和工艺相关杂质,而工艺相关杂质一般指消泡剂、有机溶剂、抗生素、蛋白酶等工艺添加剂,这些需要工艺过程中去除使其降低到可以接受的浓度水平。我们对二甲基硅油残留也进行了相关案例研究。二甲基硅油是一种疏水类的有机硅物料,它是分子量不均一的。常规用LC-MS-MS是很难进行鉴定、定量的。我们一般采用液相的方式来进行限度的检测。从图中可以看到该方法的专属性、样品重复性和灵敏度都是不错的,限度可以达到10ppm水平。我们说一下204消泡剂。这是一种无硅酮有机消泡剂的混合物,不是来源于动物或植物的,它是通过化学直接合成的。该方法的限度也可以达到10ppm水平。

 

 

我们再说一下表面活性剂(泊洛沙姆),它是一种新型的高分子非离子表面活性剂,可以作为乳化剂和稳定剂使用,通常在发酵中加入一定比例的泊落沙姆能提高发酵液的乳化效果和稳定性。我们再说一下吐温降解研究的案例。吐温是会进行降解的,在长期环境当中,图中是有两部分组成的,一部分是左边的聚山梨醇结构,一部分是游离脂肪酸结构;它可以通过化学氧化方式进行降解,也可以通过水解方式进行水解。水解之后,会产生不溶性微粒。这是一个比较经典的成品图片,图中的白色小点就是由于吐温降解导致生成不溶性的颗粒。我们对吐温含量检测通常采用的是HPLC方法,而我们也开发了相关的方法,通过衍生试剂结合游离脂肪酸,并用HPLC-UV检测吐温降解产物游离脂肪酸(如油酸等)的含量来推测吐温的降解情况。

 

最后,总结一下,前面几位老师讲的小分子,后面讲的是大分子方面的质量研究内容,小分子这块在行业内有很多相关的质量法规和指导原则可以参考和借鉴,但大分子这个行业是最近十多年才发展起来的,所以相关的质量法规和指导原则还不是很完善,我相信在不久将来,生物制品,尤其在治疗用生物制品这个行业也有会有相应的指导原则陆续会出台。

 

以前,我们遇到的大部分客户,在申报过程当中有些项目不确定哪些方法需要做,哪些不需要做,不做会怎么样,会不会影响申报?没有一个基本标准,其实我们生物制品行业在这方面是没有相关的指导原则对这块进行明确规定的,但我相信在不久的将来这块一定会有所改善。