抗體純化篇:ProteinA如何捕獲抗體?

親和層析是利用待分離組分和其特異性配體間具有特異性親和力,從而達到分離的目的。

原理:親和層析是基於生物分子與其它配基分子之間(如抗原與抗體,酶和底物,激素與受體,核酸中的互補鏈,多糖與蛋白複合體等)的親和吸附原理建立起來的。

蛋白質與層析載體上的配體通過共價鍵、範德華力、疏水力、靜電力等作用發生生物學專一性結合形成複合物,共價鏈接在載體表面的功能團配體上。蛋白質親和層析技術通過目標蛋白質與配體間通過特異性親和力吸附而達到分離純化的目的,具有生物專一性的特點,純化效率高。

ProteinA是金黃色葡萄球菌的一種膜蛋白,具有與抗體特異性結合的能力,ProteinA親和層析柱已成為應用廣泛的純化抗體的親和柱,可從腹水,血清和細胞培養上清或細胞抽提物中分離和純化多種哺乳動物不同亞型的抗體或包含抗體Fc片段的基因工程重組蛋白。

天然ProteinA由5個IgG結合域和其他未知功能的非Fc結合域組成,分子量42KD,天然ProteinA對IgG的親和能力很強,可以吸附大量IgG(見圖5)。但同時,天然ProteinA的其他非結合域和非目標蛋白結合,這樣被洗脫下來的蛋白純度不夠,會影響到後續的試驗。

運用基因工程技術,克隆出ProteinA的基因,並對其結構改造,除去了一些不重要的非結合域。偶聯這種重組RroteinA的瓊脂糖凝膠柱在蛋白純化中,的確提高了產物的純度。一般使用具備較少B結構域的ProteinA柱能獲得高純度的IgG,潔洗脫條件溫和,從而防止蛋白質集聚,保護蛋白活性。

抗體純化篇:ProteinA如何捕獲抗體?

ProteinA的結構示意圖

抗體純化的一個顯著特點是ProteinA親和層析的廣泛應用,超過2/3上市抗體品種的生產使用ProteinA進行抗體捕獲。ProteinA對抗體重鏈穩定區Fc有很高的特異性和親和力,對抗體純化有很好的通用性。

ProteinA對IgG的高親和能一步去除培養上清中大部分雜質,包括核酸、宿主細胞蛋白和可能存在的病毒,抗體純度達到95%或更高,收率近100%。ProteinA層析操作簡便,離心過濾後的細胞培養液可直接加載,不需經過任何處理。

抗體加載後,先用緩衝液淋洗,去除與介質或抗體弱結合的雜質,然後利用強酸性緩衝液(pH3.0-3.5)洗脫ProteinA上結合的抗體,再利用酸性更強的緩衝液(PH約2.0)去除強結合雜質,進行介質再生。ProteinA的清洗可以使用鹽酸胍、尿素或低濃度鹼液。

ProteinA親和層析還是一個有效的抗體濃縮步驟,洗脫液中的抗體濃度可達10g/L以上,大大縮小後續精純的液體處理量。

ProteinA親和層析工藝開發和優化的重點是抗體載量、停留時間(流速)、淋洗和洗脫條件。Shukla等考察了14個IgG抗體的ProteinA純化,發現不同抗體間存在很大的差異,抗體的動態載量相差3倍(10-40g/L),洗脫需要的氫離子濃度相差一個數量級(pH3.0-4.1)。

利用相同的工藝,洗脫峰中宿主細胞蛋白濃度可以從接近完全清除到殘留21OOOppm,聚集體濃度可以從1%-20%,說明即使使用類似的平臺技術,也需對特定的抗體進行特定的工藝開發和優化。

ProteinA在使用過程中會發生脫落,脫落的主要原因是細胞培養液上清中含有蛋白水解酶,在上樣過程中會對ProteinA進行水解。部分脫落的ProteinA與抗體結合,殘留在洗脫液中。由於ProteinA具有免疫原性,需在下游精純步驟中加以清除。

ProteinA雖然在抗體純化中被普遍接受,但改進和尋找ProteinA替代物仍是抗體純化研究的一個重點。

ProteinA在擁有高特異性、高親和力和高通用性等優點的同時,也具有若干顯著缺點,包括費用高、載量低、線性流速有限、需低pH洗脫、ProteinA脫落等。

ProteinA親和介質比普通純化介質貴大約10倍,在抗體生產成本中所佔的比重高於其他任何一個原材料。抗體在ProteinA上的載量較低,動態載量通常在20-30g/L,造成介質用量高,進一步提高了使用成本。為控制生產成本,ProteinA通常會重複使用。

實驗證明,利用較溫和的清洗步驟,ProteinA介質可以重複使用高達300次。為了降低介質成本,大規模抗體純化通常採用較小的ProteinA層析柱,將單批收穫液分成多批進行ProteinA純化,減小了純化通量。ProteinA上樣是親和純化的速度限制步驟。Ghose等建議,可利用雙重上樣流速縮短上樣時間。

在上樣初期,當抗體容易到達的結合位點為空時,採用高流速,等到抗體容易到達的位點被佔領,抗體必須通過擴散達到孔內結合位點時,再採用低流速,給抗體更多的擴散時間,達到較高載量。

天然結構ProteinA在強鹼清洗時會降解,所有隻能使用低濃度鹼液(約0.lmol/LNaOH),尿素或鹽酸胍進行清洗,但尿素和鹽酸胍廢液處理困難,不適於大規模生產,而低濃度鹼液在內毒素清除方面的能力有限。

MabSelectSuRe(GE)是一個改構的ProteinA,替換了ProteinA中易在鹼性條件下降解(脫酰胺化)的天冬醯胺,從而使得重組ProteinA可以耐受強鹼的清洗。

在改進ProteinA的同時,尋找和設計可以替代ProteinA的配體也是一個重要的研究方面。具備替代ProteinA潛力的配體包括多肽、適配子、化學合成配體等,但目前這些配體在結合力、特異性和通用性等方面還不能全方位達到ProteinA水平,離商業化應用尚有距離。在今後的5-10年裡,ProteinA還將是佔主導位置的抗體捕獲介質。


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