蛋白質(zhì)穩(wěn)定性
蛋白質(zhì)穩(wěn)定性是生物技術(shù)藥物重要的關(guān)鍵質(zhì)量屬性之一，它決定了生物藥物的藥效,、生產(chǎn)可行性,、安全性及保質(zhì)期,。蛋白質(zhì)高級(jí)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性確保了蛋白質(zhì)在其貨架壽命期內(nèi)保持活性和安全。
穩(wěn)定性研究被用來(lái)確認(rèn)蛋白質(zhì)在不同條件下高級(jí)結(jié)構(gòu)HOS(High Order Structure)的穩(wěn)定性,，如溫度,、pH值、輔料成分及儲(chǔ)存時(shí)間等,，以確定適宜的存儲(chǔ)和運(yùn)輸條件,。同時(shí)，監(jiān)管機(jī)構(gòu)如FDA,、EMA等在授權(quán)生物藥使用批準(zhǔn)之前也要求廣泛的穩(wěn)定性數(shù)據(jù),。因此，理解和確保治療性蛋白質(zhì)藥物的高級(jí)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性是生物制藥企業(yè)開(kāi)發(fā)安全有效藥物的必要條件,，研究人員需要在研發(fā)和生產(chǎn)的多個(gè)階段對(duì)蛋白質(zhì)高級(jí)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進(jìn)行分析和評(píng)估,。
蛋白質(zhì)穩(wěn)定性的常見(jiàn)分析方法
蛋白質(zhì)的穩(wěn)定性分析通常會(huì)使用以下方法進(jìn)行研究：
生化方法
圓二色譜(CD，Circular Dichroism Spectroscopy)
差示掃描量熱法(DSC)
定量PCR(qPCR)技術(shù)(外源熒光DSF)
動(dòng)態(tài)光散射(DLS)與靜態(tài)光散射(SLS)方法
差示掃描量熱法(DSC)法常常被做為蛋白質(zhì)穩(wěn)定性分析最重要的的解決方案,，然而,，由于對(duì)儲(chǔ)存于微孔板(如96或384孔板)上的大量樣品的快速分析需求，使得DSC在藥物篩選和早期開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用受到一定的限制,。因此,，DSF(內(nèi)源熒光法)已成為一種流行且具有成本效益的解決方案。
DSF(內(nèi)源熒光法)無(wú)需對(duì)待測(cè)樣品進(jìn)行任何標(biāo)記,，也無(wú)需使用任何熒光探針,，即可快速測(cè)量整塊樣品微孔板，并提供高通量數(shù)據(jù)以幫助樣品候選物和配方成分的篩選,。
DSF法快速篩選大量樣品,，大大提高了藥物篩選、成藥性分析的效率,，分析結(jié)果與DSC技術(shù)互相正交驗(yàn)證,。對(duì)很多生物技術(shù)藥物而言，利用DSF方法做為快速大量篩選,，使用DSC技術(shù)來(lái)正交驗(yàn)證DSF的早篩結(jié)果,，是藥物篩選和藥物開(kāi)發(fā)的一個(gè)有效方案。
DSF技術(shù)原理：
差示掃描熒光法(DSF)是一種經(jīng)濟(jì)高效且易于使用的生物物理技術(shù),，它通過(guò)檢測(cè)當(dāng)溫度升高或變性劑存在時(shí)熒光發(fā)射光譜的相應(yīng)變化來(lái)確定蛋白質(zhì)的變性轉(zhuǎn)變溫度(熱轉(zhuǎn)變溫度Tm值或化學(xué)變性Cm值),。
研究發(fā)現(xiàn)，蛋白質(zhì)分子中芳香環(huán)氨基酸在處于不同極性的微環(huán)境時(shí)(如疏水或親水環(huán)境中),，其被激發(fā)的內(nèi)源熒光的最大發(fā)射光譜會(huì)發(fā)生位移,。蛋白質(zhì)中內(nèi)源熒光主要來(lái)自含芳香環(huán)氨基酸如色氨酸(Trp)，苯丙氨酸(Phe)和酪氨酸(Tyr),，其中以色氨酸內(nèi)源熒光強(qiáng),。
以色氨酸為例,，在蛋白質(zhì)疏水的內(nèi)核微環(huán)境中，其內(nèi)源熒光最大發(fā)射波長(zhǎng)在330nm左右,，而在親水的極性微環(huán)境中,，色氨酸的內(nèi)源熒光最大發(fā)射波長(zhǎng)則出現(xiàn)在350nm左右。蛋白質(zhì)熱變性或者化學(xué)變性通常會(huì)導(dǎo)致色氨酸殘基周?chē)h(huán)境的極性發(fā)生變化,，使通常被包埋于蛋白質(zhì)疏水內(nèi)核的色氨酸逐漸暴露于親水的環(huán)境中,，從而導(dǎo)致內(nèi)源熒光最大發(fā)射波長(zhǎng)發(fā)生紅移(Red Shift)，即向更大的波長(zhǎng)區(qū)域移動(dòng),。
這種監(jiān)測(cè)色氨酸內(nèi)源熒光變化的方法無(wú)需熒光探針或者標(biāo)簽,，避免了傳統(tǒng)外源熒光DSF中背景熒光以及非特異吸附等假陽(yáng)性結(jié)果。
當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)由于熱變性或者化學(xué)變性劑(如鹽酸胍,、尿素等)作用而發(fā)生去折疊時(shí),，測(cè)量?jī)?nèi)源熒光隨溫度或者變性劑的變化來(lái)就可以研究蛋白質(zhì)的展開(kāi)過(guò)程。這些變化的數(shù)據(jù)可以用于生成熔解曲線,，并獲取表觀熱轉(zhuǎn)變溫度Tm值,、Tonset、范德華焓變(ΔH),、吉布斯自由能(ΔG),、化學(xué)變性Cm值等用于蛋白質(zhì)穩(wěn)定性的評(píng)估和預(yù)測(cè)。
傳統(tǒng)DSF經(jīng)常使用350/330比值法來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,，而SUPR-DSF提供了多種分析方法,，除了比值法外，SUPR-DSF還提供了BCM(Barycentric mean,質(zhì)心均值法),，可以得到比350/330比值法更好的信噪比,，同時(shí)更有利于低濃度蛋白樣品的分析。
高通量蛋白質(zhì)穩(wěn)定性分析DSF系統(tǒng)主要特點(diǎn)：
采用標(biāo)準(zhǔn)的384微孔板,，無(wú)需特殊的耗材和毛細(xì)管
高通量篩選,，一個(gè)升溫過(guò)程(60-80分鐘)內(nèi)可完成
單塊384微孔板的測(cè)試?yán)脙?nèi)源熒光，無(wú)需染料或標(biāo)簽,，兼容常用生物體系UV LED激發(fā)配合全光譜檢測(cè)
僅需要10-30μl樣品,，樣品濃度0.05~250mg/mL
獲得關(guān)鍵參數(shù)：Tonset、Tm,、ΔΗ,、ΔG、Cm及親和力等
提供嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)據(jù)質(zhì)量和可重復(fù)性
SUPR-DSF系統(tǒng)的應(yīng)用：
SUPR-DSF系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于生命科學(xué)基礎(chǔ)研究和藥物研發(fā)等多個(gè)領(lǐng)域：
加速突變體的篩選
配方和預(yù)配方的篩選和優(yōu)化
蛋白結(jié)晶條件篩選
批間一致性評(píng)估
生物相似性評(píng)估
加速應(yīng)力和強(qiáng)制降解研究
結(jié)合誘導(dǎo)的構(gòu)象變化分析
翻譯后修飾評(píng)估
恒溫和化學(xué)穩(wěn)定性分析
高通量蛋白質(zhì)穩(wěn)定性分析DSF系統(tǒng)的技術(shù)規(guī)格：
典型應(yīng)用案例--加速突變體的篩選
使用SUPR-DSF對(duì)16個(gè)樣品進(jìn)行比較和篩選,，其中包括1個(gè)野生型蛋白(WT)和15個(gè)單點(diǎn)突變體,。在1.5小時(shí)內(nèi)，DSF儀器生成了48個(gè)樣本(每組3次重復(fù))的高質(zhì)量熔解曲線(相同時(shí)間內(nèi)最多可生成384孔的數(shù)據(jù)),。用模型對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,，可獲取熔解溫度Tm值并對(duì)穩(wěn)定性進(jìn)行排序和篩選。
如圖1所示,，與WT(藍(lán)色)相比,，其中3個(gè)突變體(9、13和14)的熔解曲線左移,，說(shuō)明其蛋白穩(wěn)定性降低,；余下12個(gè)突變體的穩(wěn)定性均有所提高。其中,，突變體1,、8和12的穩(wěn)定性提升最大。
圖2展示了幾個(gè)代表性樣本的熔解曲線,，可以發(fā)現(xiàn)一些蛋白質(zhì)發(fā)生了單一熱轉(zhuǎn)變過(guò)程(WT蛋白與突變體7和8),，而另一些蛋白質(zhì)(突變體1和14)則清楚地顯示出兩段熱轉(zhuǎn)變過(guò)程，即熔解曲線上有兩個(gè)拐點(diǎn),。通過(guò)SUPR-DSF提供的數(shù)據(jù),，可以幫助研究者篩選出有前景的候選物進(jìn)行深入研究。
精確解析單抗的Fab區(qū)域
使用SUPR-DSF獲得NISTmAb(NIST單抗標(biāo)準(zhǔn)品)的差示掃描熒光數(shù)據(jù),，并將結(jié)果與差示掃描量熱法(DSC)所獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,。SUPR-DSF可以解析NISTmAb所有的三個(gè)結(jié)構(gòu)域:CH2(69°C)，CH3(83°C),，和Fab區(qū)域(94°C),。SUPR-DSF的最高掃描溫度為105°C，可以精確測(cè)量異常穩(wěn)定的Fab區(qū)域熔解溫度,，而其他DSF平臺(tái)的掃描最高溫度一般僅為95°C,，容易丟失單抗Fab區(qū)域去折疊變性的重要信息(圖5(a))。
將SUPR-DSF歸一化后的數(shù)據(jù)與DSC結(jié)果進(jìn)行比較,。如圖5(b)所示,，三個(gè)峰相互匹配，證明了兩種技術(shù)良好的一致性,，使用SUPR-DSF可以輕松獲得高質(zhì)量的蛋白質(zhì)穩(wěn)定性信息,。
典型應(yīng)用案例--加速曲妥珠單抗的輔料和配方篩選
生物治療藥物如抗體等的配方是保證藥效、生產(chǎn)可行性和安全性的基礎(chǔ),，也決定了儲(chǔ)存和運(yùn)輸?shù)臈l件,。制藥企業(yè)亟需高通量的方法來(lái)快速可靠地篩選大量的條件組合，以確定最佳配方,。
使用SUPR-DSF,，研究者對(duì)治療性抗體曲妥珠單抗在96種不同條件下的穩(wěn)定性進(jìn)行了篩選和分析，并在1.5小時(shí)內(nèi)完成了測(cè)試,。測(cè)試結(jié)果與差示掃描量熱法(DSC)的結(jié)果非常一致,。如果集成實(shí)驗(yàn)室自動(dòng)化設(shè)備,，每天可以完成數(shù)千個(gè)樣品的篩選。
DSF熔解曲線顯示出兩個(gè)獨(dú)立的轉(zhuǎn)變區(qū)域,，通過(guò)最小二乘法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,，可以確定Tonset值、Tm值和范德華焓變(△H),。圖3(a,b)分別展示了破壞/增強(qiáng)穩(wěn)定性的輔料的熔解曲線及擬合圖,。圖4(a)列出了能夠提高抗體穩(wěn)定性的所有輔料(與對(duì)照樣品相比)。
SUPR-DSF正確鑒別了已上市的曲妥珠單抗中使用的輔料組氨酸和海藻糖的穩(wěn)定性作用,，如圖4(b)所示,，SUPRDSF數(shù)據(jù)具有出色的可靠性和一致性，同時(shí)提供驚人的高通量,。
利用高通量差示掃描熒光法獲得結(jié)合參數(shù)
結(jié)合分析研究是藥物研發(fā)的一個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域,，相互作用的特征和KD值(解離平衡常數(shù)，表征分子間結(jié)合的親和力)對(duì)候選物的選擇是至關(guān)重要的,，研究者需要采用多種原理互補(bǔ)的方法來(lái)篩選和確定文庫(kù)中的數(shù)千種至數(shù)萬(wàn)種小分子化合物,。
通過(guò)SUPR-DSF進(jìn)行分子相互作用分析，不受表面效應(yīng),、物質(zhì)遷移(mass transport)或緩沖液折光率問(wèn)題等因素的影響,，可在分析物結(jié)合濃度范圍內(nèi)提供高通量、無(wú)需標(biāo)記的測(cè)量,。
通過(guò)檢測(cè)蛋白質(zhì)-配體復(fù)合物的穩(wěn)定性變化,，可用于確認(rèn)結(jié)合的特異性；通過(guò)熱變性時(shí)熒光發(fā)射光譜的變化和配體濃度的函數(shù)關(guān)系可以計(jì)算KD值,。即使對(duì)于非常弱的結(jié)合分子,，結(jié)合所誘導(dǎo)的穩(wěn)定性變化也能被SUPR-DSF檢測(cè)到。
使用標(biāo)準(zhǔn)384微孔板,，能夠在一天內(nèi)篩選數(shù)千個(gè)樣品的穩(wěn)定性,，從而確認(rèn)結(jié)合狀態(tài)。
使用SUPR-DSF研究配體(TFMSA)與人碳酸酐酶I的結(jié)合作用,，碳酸酐酶隨TFMSA濃度變化的熔解曲線如圖6所示,。
圖7顯示了人碳酸酐酶I的Tm值與TFMSA濃度的關(guān)系，擬合所獲得的KD值有兩個(gè),，分別為2.1μM和174.2μM,，與
文獻(xiàn)中的數(shù)值一致，證明SUPR-DSF可以用作配體結(jié)合研究的預(yù)篩選或確認(rèn)工具,，并且具有靈敏度,。
直觀簡(jiǎn)明的軟件
SUPR-DSF軟件提供直觀、簡(jiǎn)潔、智能,、高效的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)分析功能,，既可以讓初學(xué)者快速上手，又可為經(jīng)驗(yàn)豐富的資深用戶(hù)提供多種進(jìn)階選項(xiàng),。
關(guān)于ProteinStable
為Applied Photophysics的子公司,，旨在將以客戶(hù)為中心的技術(shù)引入蛋白質(zhì)篩選和表征市場(chǎng)，重點(diǎn)是高通量,、低樣品量的蛋白質(zhì)表征方法，在不影響數(shù)據(jù)質(zhì)量的條件下提高生產(chǎn)力,。
關(guān)于AppliedPhotophysics
英國(guó)應(yīng)用光物理公司Applied Photophysics數(shù)十年來(lái)為生物藥的結(jié)構(gòu)與功能研究提供專(zhuān)業(yè)方案,，產(chǎn)品包括圓二色CD光譜儀、停流stopped flow反應(yīng)動(dòng)力學(xué)分析儀,、SUPR DSF蛋白質(zhì)穩(wěn)定性分析儀
等,。用戶(hù)遍布各大高校和科研機(jī)構(gòu)和全球的制藥公司。
Chirascan系列圓二色CD光譜儀,，廣泛應(yīng)用于蛋白質(zhì)等生物藥的高級(jí)結(jié)構(gòu)表征,，包括蛋白質(zhì)等的二級(jí)結(jié)構(gòu)、三級(jí)結(jié)構(gòu)分析,，以及二級(jí)結(jié)構(gòu)熱穩(wěn)定性,、三級(jí)結(jié)構(gòu)的熱穩(wěn)定性研究。
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