质谱在生物制药发展的力量

蛋白质生物制药的崛起

最古老的蛋白质生物制药重组胰岛素,这是在1982年首次批准用于糖尿病的治疗。自那时以来,这类药有多样化包括抗体、酶和其他蛋白质大分子。2019年,生物制药几乎占了 一半的新药批准美国食品和药物管理局(FDA),展示了这一领域的快速增长在过去的40年。¹这种快速增长可以部分归因于蛋白质生物制药的多功能性,几乎每一个类别中找到应用程序作为治疗的疾病,从酶替代治疗罕见遗传疾病癌症的抗体药物。

蛋白质结构的多样性

蛋白质与小分子药物,是大型、动态采用复杂的多级结构的大分子。蛋白质的结构会发生巨大的变化,以应对小变化在他们的环境;例如,抗体发生显著的构象变化在绑定到他们的目标。这种适应性是一个关键因素,使得蛋白质的不同生物功能在本质上成为可能。然而,这也使得他们的表征生物制药的挑战。为了成功地描述蛋白质,工具和技术,也同样需要多才多艺的和这是质谱(MS)。

女士是传统上应用于阐明蛋白质样本根据他们的内容质量。近年来,从质谱获得的信息通过创新的新技术已经显著扩大。 教授Christoph Borchers麦吉尔癌症转化研究中心,国家“质谱就不太有用,但是结合蛋白质化学可用于确定结构的变化。”

蛋白质高阶结构和动力学

的高阶结构蛋白治疗直接影响其效力和安全性和在生物制药的发展是一个关键的参数来描述。它包括二级、三级和四级水平的蛋白质结构,决定了蛋白质的功能。

根据德里克·威尔逊教授多伦多约克大学,“x射线晶体学和核磁共振的黄金标准的高分辨率结构,但这些方法大多是静态和蛋白质不实际工作。”他继续说:“蛋白质的构象变化是非常重要的,了解蛋白质访问更高的能源结构”。这些技术也受到其他需求,如需要蛋白质的蛋白质结晶或小。当讨论女士的优势超过其他工具,威尔逊教授指出:“通过质谱分析,我们可以得到中等分辨率的结构和动力学信息,我们可以测量蛋白质绑定。”

Hydrogen-deuterium交换

Hydrogen-deuterium交易所(HDX)女士是一个structure-dependent标签技术,可用于了解蛋白质结构和动力学。产生的蛋白质在水中(H₂O),然后稀释成重水(D₂O),然后分析了蛋白质稀释成重水,女士可访问蛋白质结构中包含的氢氘交换。比氢氘更重,交换增加了蛋白质的整体质量,可以通过质谱测量。对于每一个交换氢,蛋白质的分子量增加1道尔顿。从本质上讲,HDX-MS措施hydrogen-deuterium交易所蛋白质的动力学。

生物制药发展的一个关键应用HDX抗原决定基映射,这阐明了抗体与抗原结合。威尔逊肯定:“此刻HDX的数量一个应用程序可能是抗原决定基映射。“当某些地区的蛋白质抗原与抗体,这个地区的溶剂接触减少,HDX率降低,而决定是否有一个互动。与HDX-MS结合化学交联,特定网站的互动也可以解决。Borchers解释说,“我们可以确定抗原决定基网站使用HDX和交联。“在这个协议,两种蛋白质化学交联,消化和分析通过质谱分析,以确定antibody-to-protein交互发生的确切位置。Borchers继续说:“我们有非常小的cross-linkers得到高分辨率”。

HDX-MS也可以用来证明生物仿制药品的肖像。为是生物制药泛型是什么小分子药物。一个生物仿制 定义为一个生物产品,是高度相似的,和没有临床意义的差异,现有的批准参考产品。²寻求批准推出时,制造商必须提供全面的分析数据,建立了可比性和相似性参考产品。“这是非常重要的生物制药公司表明,结构是相似的。HDX-MS数据帮助很多得到FDA的批准,“Borchers说。使用HDX-MS生物仿制和参考产品的质量变化可以调查,Borchers解释说,“质量转变可能是原始的29%和30%生物仿制。”

转录后修饰

转录后修饰,如糖基化,是一个 生物制药的关键质量属性(CQA)。³监管机构需要数据有关蛋白质糖基化状态的生物制药,确保配方的安全性和效力。然而,糖基化状态并不是简单;的一个示例biotherapeutic通常包含一个糖基化的分布状态。

威尔逊解释说,“随着小分子疗法,分子是分子,而生物制剂,并非如此。样品与特定的糖基化分布国家可能有不同的效应”。例如,一个糖基化的分布状态可能比另一个更有效。Borchers继续:“使用HDX-MS,我们可以看到什么是糖基化状态的分布,分布更有效,并适应生产流程来支持这些。”

识别污染物

大多数蛋白质生物制药生产使用重组生产技术。这些重组蛋白 来自生物来源,如转基因细胞和生物,一个关键的挑战是残留的去除宿主细胞或过程污染物,这可能会持续在样本如果净化步骤不优化。⁴污染物的存在提供了直接的负面影响药品质量和有效性。此外,监管机构特别需要监视和控制的污染物和process-derived杂质。

女士可以用来识别污染物留在样本在每个阶段的生产过程。生产过程 改变相应删除特定的污染物和杂质。“质谱的真正力量在于它的特异性;如果你有一个解决方案有10000件事情,质谱技术能识别出所有的10000个组件的混合物和量化,尤其是当结合高效液相色谱法,”威尔逊说。

Intrinsically-disordered蛋白质

除了蛋白质功能的传统范式是由其结构决定的,intrinsically-disordered蛋白质(idp)。国内流离失所者是高度动态的蛋白质,不需要一个独特的结构为了执行一个函数。国内流离失所者是 常见的复杂的有机体,⁵最著名的可能是amyloid-disordered蛋白质,通常与神经退行性疾病有关。在讨论他的作品在国内流离失所者时,威尔逊解释说:“你不能做晶体学或核磁共振,但你可以做HDX-MS。我们可以描述这些蛋白质在毫秒时间尺度,看看他们的构象偏见——构象偏见解释蛋白质如何回应不同的药物。”

影响药物设计与蛋白质动力学

蛋白质生物制药是复杂和动态的结构。蛋白质结构和动力学基本对生物的治疗疗效和安全性的影响。静态图像的蛋白质的结构可以获得使用x射线晶体学、核磁共振等技术,形成structure-guided为小分子药物设计的基础。然而,当活性成分是一种蛋白质,它可以由糖基化生产过程中,不同的修改进行戏剧性的构象变化在绑定目标,甚至没有一个固定的结构,动力学的关键理解药物的影响。

威尔逊教授的话说,“(由于女士)你可以采用一个全新药物设计方法——我们谈论dynamics-guided药物设计,而不是structure-guided药物设计。“女士在生物制药发展的力量所在。

引用

1. 2019年的新药物的批准。(2020)。检索2020年6月26日https://www.fda.gov/drugs/new -药物- fda cder -新分子实体-和-新-治疗-生物- products/novel -药物-审批- 2019
2. 关于生物仿制药和可互换的产品。(2020)。检索2020年6月26日https://www.fda.gov/drugs/biosimilars/biosimilar-and-interchangeable-products生物仿制
3. Szekrenyes, et al。(2020)。定量比较的N-Glycosylation治疗使用Glycosimilarity指数糖蛋白。一个教程。TrAC分析化学的趋势。DOI:https://doi.org/10.1016/j.trac.2019.115728
4. Jozala F, et al。(2016)。从微生物生物制药:从生产到净化。巴西微生物学杂志》上。DOI:https://doi.org/10.1016/j.bjm.2016.10.007
5. Uversky V n (2019)。内在无序蛋白质和他们的“神秘”(元)物理。前面。理论物理。DOI:10.3389 / fphy.2019.00010