การศึกษาการแทนที่โครมาโตกราฟีแบบคอลัมน์แบบดั้งเดิมด้วยเมมเบรนโครมาโตกราฟีสำหรับการทำให้โมโนโคลนอลแอนติบอดีบริสุทธิ์
โครมาโทกราฟีแบบเบดแบบบรรจุ-แบบดั้งเดิมมีความสมบูรณ์และเชื่อถือได้ แต่ถูกจำกัดโดยข้อจำกัดต่างๆ เช่น ประสิทธิภาพการแพร่กระจายต่ำ แรงดันย้อนกลับสูง และความเร็วในการประมวลผลที่ช้า ทำให้ยากขึ้นเรื่อยๆ ในการตามให้ทันกับผลผลิตที่เพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่องของกระบวนการต้นทาง เมื่อเร็ว ๆ นี้ มีงานวิจัยตีพิมพ์ในความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีชีวภาพได้นำความก้าวหน้าที่เป็นไปได้มาสู่อุตสาหกรรม: ด้วยข้อได้เปรียบในด้านผลผลิตที่สูงเป็นพิเศษและความทนทานที่แข็งแกร่ง โครมาโตกราฟีแบบเมมเบรนอาจกลายเป็นทางเลือกที่มีประสิทธิภาพแทน-โครมาโตกราฟีเบดแบบอัดแน่น และปรับโฉมภูมิทัศน์ของการทำให้บริสุทธิ์ mAb ดาวน์สตรีมโดยพื้นฐาน
ความเป็นมาการวิจัย
การศึกษานี้ประเมินอุปกรณ์โครมาโตกราฟีแบบเมมเบรนประเภทต่างๆ อย่างเป็นระบบ รวมถึง-การแลกเปลี่ยนไอออนและเมมเบรนที่มีสัมพรรคภาพโปรตีน A และดำเนินการเปรียบเทียบอย่างครอบคลุมกับ-เบดโครมาโตกราฟีแบบดั้งเดิมที่บรรจุในหลายๆ มิติ รวมถึงความสามารถในการจับ การชำระล้างสิ่งเจือปน อายุการใช้งาน และประสิทธิภาพการทำให้บริสุทธิ์โดยรวม โปรตีนรีคอมบิแนนท์สามชนิดถูกเลือกสำหรับการศึกษา-โมโนโคลนอลแอนติบอดี (mAb) หนึ่งตัวและโปรตีนฟิวชัน Fc -สองตัว- ซึ่งครอบคลุมกระบวนการทำให้บริสุทธิ์ขั้นปลายน้ำที่สมบูรณ์ตั้งแต่การจับจนถึงการขัดเงา ผลการทดสอบที่สำคัญมีดังนี้:
1. ขั้นตอนการจับ: โปรตีน A เมมเบรนโครมาโตกราฟี - ความสามารถในการยึดเกาะสูงในช่วงเวลาพักสั้น
โครมาโทกราฟีแบบโปรตีน A เป็นขั้นตอนสำคัญในการดักจับ mAb การศึกษานี้ประเมินประสิทธิภาพของเมมเบรนโปรตีน A สี่ชิ้น (ผลิตภัณฑ์เชิงพาณิชย์สามชิ้นและเมมเบรนต้นแบบหนึ่งชิ้น) เทียบกับเรซินเบดที่บรรจุอ้างอิงสองตัว-:
- ความสามารถในการจับยึดแบบไดนามิกที่โดดเด่น (DBC):เมมเบรนสองตัวได้รับค่า DBC เกิน 50 กรัม/ลิตร เมมเบรนบางชนิดรักษาความสามารถในการจับยึดไว้ที่ 35–65 กรัม/ลิตร แม้จะมีเวลาพักสั้นมากเพียง 0.2 นาที ซึ่งเทียบได้กับ-เบดเรซินแบบดั้งเดิม (37–55 กรัม/ลิตร)
- ผลผลิตเพิ่มขึ้นอย่างมาก:เวลาคงอยู่ของเมมเบรนโครมาโตกราฟีเพียง 1/6–1/30 ของคอลัมน์โครมาโตกราฟีแบบดั้งเดิม (0.13–0.33 นาที เทียบกับ . 2–6 นาที) ส่งผลให้เพิ่มผลผลิตการประมวลผลเป็นชุด 12–35 เท่า.
- การฟื้นตัวที่มั่นคง:การกู้คืนโปรตีนเกิน 85% สำหรับอุปกรณ์เมมเบรนทั้งหมด เมมเบรน GORE สามารถคืนสภาพได้สูงสุดที่ 96% ซึ่งเทียบเคียงได้กับ-เบดเรซินแบบดั้งเดิมที่บรรจุไว้ (94–98%)
- ข้อจำกัดที่ต้องพิจารณา:เมมเบรนโครมาโทกราฟีสร้างปริมาตรการชะล้างสูงกว่า 1.4–5 เท่ากว่าเบดเรซินแบบบรรจุ-แบบดั้งเดิม ในขณะที่การกวาดล้าง HCP นั้นด้อยกว่าเล็กน้อย สำหรับเมมเบรนบางชนิด ระดับ HCP ในสารชะจะสูงถึง 7,000 ppm เทียบกับ 4,700 ppm สำหรับเบดเรซินแบบบรรจุเดิม- ดังนั้น,อาจจำเป็นต้องมีขั้นตอนการขัดเพิ่มเติมเพื่อชดเชยข้อจำกัดนี้.
2. ขั้นตอนการขัดเงา: ไอออน-การแลกเปลี่ยนไอออน / เมมเบรนหลายรูปแบบ - การกำจัดสิ่งเจือปนอย่างมีประสิทธิภาพด้วยการประมวลผลที่รวดเร็ว
วัตถุประสงค์หลักของขั้นตอนการขัดคือเพื่อขจัดสิ่งเจือปนที่ตกค้าง เช่น สารรวมตัว-น้ำหนักโมเลกุล-สูง (HMW) และโปรตีนเซลล์เจ้าบ้าน (HCP) การศึกษาได้ประเมินโครมาโทกราฟีแบบเมมเบรนสามประเภท ได้แก่ การแลกเปลี่ยนประจุลบ (AEX) การแลกเปลี่ยนไอออนบวก (CEX) และเยื่อหลายรูปแบบ (MM)
- ทำลายสถิติ-ความสามารถในการผลิต:เวลาคงอยู่ของเมมเบรนโครมาโตกราฟีเป็นเพียงเท่านั้น0.17 นาทีเปรียบเทียบกับ2–4 นาทีสำหรับคอลัมน์โครมาโทกราฟีแบบดั้งเดิม ซึ่งเป็นตัวแทนของลดเวลาการอยู่อาศัยลง 12–24 เท่าและประสิทธิภาพการประมวลผลเพิ่มขึ้นอย่างมาก
- การกวาดล้างสิ่งเจือปนเทียบได้กับโครมาโทกราฟีแบบคอลัมน์แบบดั้งเดิม:โครมาโทกราฟีแบบเมมเบรนสำเร็จปัจจัยการกวาดล้าง HMW 4.2–5.5ใกล้ถึงประสิทธิภาพของเรซิน Capto Adhere (6) ที่ปัจจัยการกวาดล้าง HCP สูงถึง 60โดยมีเมมเบรนบางตัวมีประสิทธิภาพเหนือกว่า-เบดโครมาโตกราฟีแบบดั้งเดิม
- การกู้คืนโปรตีนที่แข่งขันได้:เมมเบรนส่วนใหญ่ทำได้สำเร็จการกู้คืนโปรตีนสูงกว่า 90%และฟิวชันโปรตีน Fc- บางชนิด การฟื้นตัวยังสูงกว่าที่ได้จากคอลัมน์โครมาโทกราฟีแบบดั้งเดิมอีกด้วย
3. การตรวจสอบความถูกต้องของกระบวนการ-แบบสมบูรณ์: โครมาโตกราฟีแบบเมมเบรนช่วยให้มี-การทำให้บริสุทธิ์ด้วยความบริสุทธิ์สูง
การศึกษาได้จัดตั้งกระบวนการทำให้บริสุทธิ์โดยใช้เมมเบรนแบบรวม- ซึ่งผสมผสานการจับโปรตีน A เข้ากับการขัดเงาและเปรียบเทียบโดยตรงกับกระบวนการ-เบดโครมาโตกราฟีแบบบรรจุทั่วไป:
- ประสิทธิภาพความบริสุทธิ์สูง-:หลังจากกระบวนการทำให้บริสุทธิ์โดยใช้เมมเบรนทั้งหมด- ระดับ HCP ในโปรตีนฟิวชัน Fc- ลดลงเป็นต่ำกว่า 50 ppmโดยมีมวลรวม (สายพันธุ์ HMW) ที่น้อยกว่าหรือเท่ากับ 0.5%. สำหรับโมโนโคลนอลแอนติบอดี HCP ถูกรีดิวซ์เป็น226 แผ่นต่อนาทีโดยมีมวลรวมอยู่ที่1.0%ซึ่งเข้าใกล้ประสิทธิภาพของกระบวนการ-เบดโครมาโทกราฟีแบบบรรจุทั่วไป (11 ppm HCP และมวลรวม 0.7%).
- การฟื้นตัวโดยรวมที่สูงขึ้น:การฟื้นตัวโดยรวมของฟิวชันโปรตีน Fc- ถึงแล้ว89%ซึ่งก็คือสูงขึ้น 19%มากกว่ากระบวนการโครมาโตกราฟีแบบเบด{0}}แบบบรรจุทั่วไป สำหรับโมโนโคลนอล แอนติบอดีนั้นมีการฟื้นตัว73%เทียบได้กับกระบวนการบรรจุ-เตียงทั่วไป
- ต้านทานการเปรอะเปื้อนที่แข็งแกร่ง:เมมเบรนโครมาโทกราฟีแสดงให้เห็นถึงความทนทานที่ดีขึ้นต่อวัตถุดิบตั้งต้นที่มีโหลดมีสิ่งเจือปนสูง และยังคงมีประสิทธิภาพแม้ว่าความเข้มข้นของ HCP เริ่มต้นสูงถึง 150,000 ppm.
4. อายุการใช้งาน: การทำงานที่เสถียรสำหรับ 100+ รอบที่ตรงตามข้อกำหนดการผลิต
ความทนทานของเมมเบรนเป็นปัจจัยสำคัญสำหรับงานอุตสาหกรรม การศึกษานี้ประเมินความเสถียรของเมมเบรนผ่าน201 รอบการทำงานติดต่อกัน:
- วงจรชีวิตที่ยาวนานขึ้น:เจ็ดในแปดเมมเบรนเสร็จสมบูรณ์มากกว่า 100 รอบในขณะที่เมมเบรนหลายรูปแบบต้นแบบ (MM) ไปถึง201 รอบโดยไม่ทำให้ประสิทธิภาพลดลงอย่างมีนัยสำคัญ
- ประสิทธิภาพที่มั่นคง:ตลอดการศึกษาเรื่องจักรยานการกู้คืนโปรตีนยังคงอยู่ประมาณ 90%โดยไม่ลดลงอย่างมีนัยสำคัญในประสิทธิภาพการกำจัด HMW หรือ HCP โปรไฟล์แรงดันยังคงมีเสถียรภาพ
- เหมาะสำหรับการใช้งานด้านการผลิต:เมมเบรนส่วนใหญ่สามารถรองรับได้อย่างน้อยหนึ่งรอบการผลิตที่สมบูรณ์ในขณะที่บางรุ่นสามารถรองรับได้หลายชุด การเพิ่มแรงดันสะสมสามารถบรรเทาลงได้โดยการปรับให้เหมาะสมกลยุทธ์ที่สะอาด-ใน-สถานที่ (CIP).
จุดเด่นด้านเทคนิค: เหตุใดเมมเบรนโครมาโตกราฟีจึงสามารถแทนที่โครมาโตกราฟีแบบคอลัมน์แบบดั้งเดิมได้
ข้อได้เปรียบหลักของเมมเบรนโครมาโตกราฟีมาจากโครงสร้างเมมเบรนแบบแผ่นแบน-อันเป็นเอกลักษณ์ เมื่อเปรียบเทียบกับเรซินโครมาโตกราฟีแบบรูพรุนทั่วไป โครมาโตกราฟีแบบเมมเบรนมีความแตกต่างที่สำคัญสามประการ:
- นวัตกรรมกลไกการถ่ายโอนมวล:เมมเบรนอาศัยการถ่ายโอนมวลแบบพาความร้อนเป็นหลัก โดยไม่จำเป็นต้องใช้โปรตีนในการแพร่กระจายไปยังตัวกลางที่มีรูพรุน สิ่งนี้จะช่วยลดเวลาการคงอยู่ลงอย่างมากและทำให้การประมวลผลเร็วขึ้นมาก
- แรงดันต้านกลับลดลงอย่างเห็นได้ชัด:โครงสร้างแผ่นเรียบ-มีความต้านทานการไหลต่ำและสามารถรองรับอัตราการไหลที่สูงขึ้นได้ ซึ่งเอาชนะข้อจำกัดแรงดันต้านที่มักเกี่ยวข้องกับคอลัมน์โครมาโตกราฟีแบบดั้งเดิม
- ความสามารถในการปรับตัวของกระบวนการที่แข็งแกร่ง:โครมาโตกราฟีแบบเมมเบรนเข้ากันได้กับการผลิตแบบต่อเนื่องและสามารถจับคู่กับประสิทธิภาพการผลิตสูงของกระบวนการต้นน้ำได้ดียิ่งขึ้น นอกจากนี้ ฐานอุปกรณ์ที่เล็กลงและความต้องการสื่อเมมเบรนที่ลดลงสามารถช่วยลดต้นทุนการผลิตโดยรวมได้
แน่นอนว่าเมมเบรนโครมาโตกราฟีก็มีข้อจำกัดบางประการเช่นกัน เหล่านี้ได้แก่ปริมาณการชะล้างที่มากขึ้นซึ่งต้องใช้บัฟเฟอร์เพิ่มเติม ความจำเป็นในการปรับปรุงเพิ่มเติมในการกวาดล้างสิ่งเจือปนสำหรับตัวอย่างที่ท้าทาย เช่นแอนติบอดีที่มีความจำเพาะแบบคู่ (bsAbs); และมีจำหน่ายอย่างจำกัดของผลิตภัณฑ์เมมเบรนบางชนิดในระดับการผลิตขนาดใหญ่ อย่างไรก็ตาม ความท้าทายเหล่านี้สามารถค่อยๆ จัดการได้ด้วยการออกแบบอุปกรณ์ที่ได้รับการปรับปรุง การรวมขั้นตอนการกรองเชิงลึกเพิ่มเติม- และการปรับปรุงกระบวนการอื่นๆ
ผลกระทบทางอุตสาหกรรม: การผลิตโมโนโคลนอลแอนติบอดีเข้าสู่ยุคแห่งการทำให้บริสุทธิ์ที่มีประสิทธิภาพสูง-
ข้อค้นพบจากการศึกษาครั้งนี้ทำให้อุตสาหกรรมชีวเภสัชภัณฑ์มีทิศทางที่ชัดเจนสำหรับความก้าวหน้าทางเทคโนโลยี สำหรับกระบวนการทำให้ฟิวชันโปรตีนบริสุทธิ์แบบเดิม mAb และ Fc- ที่ให้ความสำคัญกับผลผลิตสูงโครมาโตกราฟีแบบเมมเบรนมีศักยภาพที่จะแทนที่-เบดคอลัมน์โครมาโตกราฟีแบบเดิมได้อย่างสมบูรณ์. แม้แต่วัตถุดิบตั้งต้นที่ซับซ้อนมากขึ้น กลยุทธ์การผสมผสานโดยใช้เมมเบรนโครมาโตกราฟีร่วมกับเรซินโครมาโตกราฟีแบบธรรมดาสามารถช่วยให้บรรลุความสมดุลที่เหมาะสมที่สุดระหว่างประสิทธิภาพในการประมวลผลและความบริสุทธิ์ของผลิตภัณฑ์
ในขณะที่เทคโนโลยีวัสดุเมมเบรนก้าวหน้าอย่างต่อเนื่อง การพัฒนาในอนาคตคาดว่าจะช่วยลดการใช้บัฟเฟอร์และปรับปรุงความสามารถในการขยายขนาด เร่งอุตสาหกรรมชีวเภสัชภัณฑ์ไปสู่การผลิตที่ต่อเนื่อง-ประสิทธิภาพสูง และ-ต้นทุนที่คุ้มค่า.
สำหรับผู้ผลิตชีวเภสัชภัณฑ์การนำไปใช้ตั้งแต่เนิ่นๆ และการใช้งานเชิงกลยุทธ์ของเมมเบรนโครมาโตกราฟีอาจกลายเป็นข้อได้เปรียบทางการแข่งขันที่สำคัญในตลาดที่กำลังพัฒนา
