MFI圖像分析專注蛋白聚集分析助力藥物穩(wěn)定性研究

近日，美國(guó)明尼蘇達(dá)大學(xué)藥學(xué)院藥理學(xué)科學(xué)家，利用MFI，在權(quán)威雜志Journal of ControlledRelease（IF：7.901）發(fā)表文章：Freezing-induced Protein Aggregation - Role of pH Shift and Potential Mitigation Strategies, J Control Release. 2020 Jul 10;323:591-599.  

--研究背景--

在設(shè)計(jì)用于腸胃外給藥的蛋白質(zhì)藥物產(chǎn)品中，聚集體的產(chǎn)生，除了在外觀上引起不適之外，最重要的是它們具有細(xì)胞毒性作用，或是引起機(jī)體免疫原性應(yīng)答。美國(guó)和歐洲藥典對(duì)腸胃外藥物產(chǎn)品中的不溶性聚集物有規(guī)定：對(duì)于小劑量的腸胃外藥物，通過光阻法測(cè)量的小顆粒（≥10μm）和大顆粒（≥25μm）的推薦藥典規(guī)范分別為≤6000/container和≤600/container。
 

因此，預(yù)防和減輕蛋白質(zhì)聚集對(duì)于維持蛋白質(zhì)藥物產(chǎn)品的安全性，功效和質(zhì)量至關(guān)重要。藥品加工步驟中，如純化，攪動(dòng)，凍融，填充，凍干，制劑成分，運(yùn)輸壓力，都有可能將天然蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)化為聚集體。而蛋白質(zhì)溶液在配制為藥物產(chǎn)品之前，通常以冷凍狀態(tài)保存很長(zhǎng)一段時(shí)間，所以，因反復(fù)凍融而產(chǎn)生的蛋白聚集體更應(yīng)引起關(guān)注。

蛋白質(zhì)制劑如緩沖液可確保制劑的pH值在整個(gè)保質(zhì)期內(nèi)都保持在所需范圍內(nèi)。但在低溫過程中，某些緩沖區(qū)的有效性可能會(huì)受到影響。例如，當(dāng)冷凍含有磷酸二氫鈉和磷酸二鈉的水溶液（即磷酸鈉緩沖液）時(shí)，磷酸氫二鈉的選擇性結(jié)晶導(dǎo)致冷凍濃縮液的pH降低，從而引起蛋白聚集體的產(chǎn)生。

因此，本文旨在研究，在不同緩沖溶液的凍融循環(huán)過程中，兩種模型蛋白質(zhì)（牛血清白蛋白（BSA）和β-半乳糖苷酶（β-gal））聚集體的產(chǎn)生，以及這兩種蛋白對(duì)緩沖液pH值變化的影響。同時(shí)，評(píng)價(jià)了添加的非結(jié)晶溶質(zhì)對(duì)pH值變化的影響，以及pH改變對(duì)蛋白質(zhì)聚集行為的影響。

--研究結(jié)果--

使用MFI表征冷凍和解凍后蛋白顆粒的形成

利用MFI檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，無論何種緩沖液，BSA（10mg/mL）在制備和立即分析時(shí)均顯示出最低的顆粒數(shù)。當(dāng)這些溶液經(jīng)受五個(gè)凍融循環(huán)時(shí)，在許多系統(tǒng)中顆粒數(shù)量都有小幅增加。但凍融循環(huán)在磷酸鈉緩沖液（100mM）中導(dǎo)致的顆粒計(jì)數(shù)增加顯著。加入纖維二糖（纖維二糖（一種還原糖）被用作模型非結(jié)晶溶質(zhì)，一種冷凍保護(hù)劑）后，在磷酸鈉緩沖液（100mM）中導(dǎo)致的顆粒數(shù)有明顯緩解。

利用MFI檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，β-gal（10mg/mL）在水中凍融后的顆粒數(shù)（〜100,000）急劇增加，表明該蛋白質(zhì)對(duì)PH值的極端敏感性。同樣，β-gal在磷酸鈉緩沖液（100mM）中導(dǎo)致的顆粒計(jì)數(shù)增加顯著。加入纖維二糖后，在磷酸鈉緩沖液（100mM）中導(dǎo)致的顆粒數(shù)有明顯緩解。

低溫pH測(cè)定

將PBS和磷酸鈉（100mM）冷卻后，發(fā)現(xiàn)pH值變化幅度相似。當(dāng)磷酸鈉濃度為10mM時(shí)，冷卻時(shí)的pH值變化不明顯。而蛋白質(zhì)的添加（10mg/mL）可以降低了PBS和磷酸鈉（10mM）中pH值變化的幅度。當(dāng)磷酸鈉濃度很高（100mM）時(shí)，蛋白質(zhì)的作用就不那么明顯了，這表明，低蛋白濃度（10mg/mL）似乎不足以抑制緩沖鹽的結(jié)晶和隨之而來的pH偏移。

低溫XRD測(cè)定
 

研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)將磷酸鈉緩沖溶液（10和100mM）冷卻時(shí)，在-15°C時(shí)Na₂HPO₄•12H₂O結(jié)晶明顯（分別參見圖4B和4C）。而BSA的添加，可以使Na₂HPO₄•12H₂O的峰強(qiáng)度降低，特別是在較低的緩沖液濃度（10mM）下更為明顯。這與觀察到的BSA對(duì)緩沖溶液pH值變化幅度的影響密切相關(guān)。此外，纖維二糖的添加完全抑制了緩沖鹽的結(jié)晶（圖4D），以及冰峰的強(qiáng)度也受到了抑制。這些結(jié)果揭示了非結(jié)晶溶質(zhì)在蛋白質(zhì)制劑中的附加作用。通過抑制緩沖鹽的結(jié)晶和隨之而來的pH值變化，這些賦形劑可防止蛋白質(zhì)不穩(wěn)定性。

熱分析

結(jié)果顯示，當(dāng)將BSA添加到PBS中時(shí)，在-54.4℃出現(xiàn)玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg′），隨后在-22.4和0.1℃出現(xiàn)兩個(gè)吸熱峰。玻璃化轉(zhuǎn)變溫度反映了冷凍濃縮物組成發(fā)生了改變。BSA僅對(duì)100mM緩沖液的熱行為有明顯影響，導(dǎo)致Tg’（-47°C）和結(jié)晶溫度（-30°C）降低。同時(shí)，纖維二糖的添加有望改變冷凍濃縮物的成分，這在Tg’（-34°C）中有所體現(xiàn)。

結(jié)論：

磷酸鹽緩沖液被廣泛用于腸胃外蛋白質(zhì)制劑中。但在冷凍過程中，磷酸氫二鈉（十二水合物）的選擇性結(jié)晶會(huì)降低冷凍濃縮液的pH值，從而導(dǎo)致蛋白質(zhì)聚集�？梢酝ㄟ^降低緩沖液濃度來最大程度地減小pH偏移。同時(shí)，BSA和β-gal可以通過對(duì)緩沖液結(jié)晶的抑制，減少pH的變化，但其作用程度要取決于緩沖液濃度。其它非結(jié)晶性賦形劑（纖維二糖）的添加，可通過抑制緩沖鹽結(jié)晶，來提高蛋白質(zhì)的穩(wěn)定性。