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质谱仪为生物制药业带来了分辨力

2021-07-06 15:13     质谱 MS 质谱仪

质谱仪(MS)是一种强大的多功能分析工具,用于生物制药行业,以及其他许多应用,包括食品过敏原检测和法医科学。它被描述为 "世界上最小的刻度"。不是因为仪器的大小,而是因为其分析物的大小。在20世纪初,MS被用来测量原子的质量并证明同位素的存在。现在,质谱被用来研究广泛的分子,包括小碳氢化合物、蛋白质、肽、碳水化合物和DNA。

质谱仪的输出是质量与电荷(m/z)的比值,可在 "质谱 "中查看,即m/z比值与每个检测到的信号的相对强度绘制的图表(图1)。通过结合质谱库的知识,可以推断出各种化合物的身份和丰度。

什么是m/z值,为什么它对生物治疗的发展很重要?

质谱仪的工作原理是给分析物带上电荷,并测量所产生的离子的轨迹在不同的电场和磁场组合中对真空的反应。质谱仪的关键部件包括一个离子源(使分析物带电)、一个质量分析器(测量离子的m/z比率)和一个检测器(用于计数具有特定m/z值的离子数量)。m/z比值用于确定分子的分子量或质量,并随后确定其身份。


图1:质谱。

准确识别化合物是生物制药发展的一个基本方面,这就是为什么质谱在这个行业中发挥了如此强大的作用。生物制药产品是高度复杂的,可能会发生细微的修改,影响其功能--以及随后的疗效和安全性。例如,蛋白质的磷酸化是许多翻译后修饰的一个例子,会影响蛋白质的功能。布拉德福德大学蛋白质组学设施负责人Chris Sutton解释说,以高灵敏度和特异性识别这些变体是生物处理的一个重要部分。"在生物制药开发中使用质谱的潜力在于使用最新一代仪器对大型完整蛋白质(如抗体)进行排序和定性的能力。使用这些仪器获得准确的质量和异构体身份的能力,如糖基化变体或不完整的产品,可以在确保由依赖复杂细胞表达系统的生物加工方法制造的非常昂贵的产品的质量方面发挥重要作用。"

用糖分析技术超越成分

了解翻译后修饰不仅对生物过程控制很重要;了解不同的结构如何影响功能,有助于在早期阶段指导生物治疗的开发。单克隆抗体和其他糖蛋白在生物治疗剂市场上占有很大比例,它们由糖形态的群体组成;即具有相同的蛋白质序列,但在每个糖基化位点有不同的糖。都柏林大学学院的名誉研究员、新加坡A*STAR生物处理技术研究所的访问研究员Pauline Rudd教授敏锐地意识到糖分析对行业的重要性,并专注于用自动化技术改善这一过程。Rudd说:"糖型可以改变药代动力学,以红藻素为例。如果这些大块的糖没有用唾液酸封顶,循环半衰期就会从三小时缩短到三分钟。从基本的角度来看,知道哪些糖在哪里真的很重要。例如,在SARS-CoV-2病毒的穗状蛋白上,糖类将保护该穗状蛋白的区域不受疫苗影响。"

糖类的排列也有助于蛋白质的折叠和稳定,保护蛋白质,完善其作用方式,也可以影响免疫反应。从MS驱动的糖类分析中获得的洞察力使得有希望的新生物治疗剂和方法得到探索。例如,Pagan及其同事通过设计能够将半乳糖和唾液酸附着在特定抗体上的生物分子,在体内将内源性抗体转化为抗炎介质。给予糖类修饰酶后,体内的自身免疫性炎症被削弱了。

MS是糖类分析的骨干,有两种基于MS的一般策略可以采用。"自上而下 "和 "自下而上"。"自上而下 "的分析意味着将完整的糖蛋白直接应用于MS,而不需要进行广泛的分离或消化"。自下而上 "涉及使用化学或酶学方法进行某种形式的糖释放,之后获得糖和蛋白质的序列。Rudd说,理想情况下,糖蛋白分析将结合各种分离技术以增加分配的信心。"许多工具都可以用来确定糖基化的特征。对于糖组学,即你分析释放的糖,你可以使用基质辅助激光解吸/电离耦合飞行时间(MALDI-ToF)MS、亲水作用色谱与超高效液相色谱(HILIC-UPLC-MS)、串联MS和外糖苷酶。这些技术的组合将为您提供糖库的详细分析。这不同于完整的糖蛋白分析,或用于部位分析的糖蛋白组学"。

推动生物仿制药分析

需要全面的分析数据来推动生物仿制药的发展,即在原药专利到期后可以注册的生物制剂的仿制药。为了使生物仿制药获得批准,制造商必须证明生物仿制药和参考生物治疗药之间只有非常小的差异,而且这些差异不具有临床意义。MS方法,结合高分辨率的分离方法,如液相色谱法和毛细管电泳法,是生物仿制药开发的基础。只有当生物仿制药抗体被证明是 "高度相似 "时,才会进行临床前和临床研究。如果生物仿制药被认为不是高度相似的,它们必须进行更多的临床前和临床评估,而具有原始生物制品范围内特征的生物仿制药可能更快进入市场。

需要灵敏的测试来检测与产品有关的微小差异,这些差异可能来自于使用不同的宿主细胞和表达系统、生产中的变化、或不同的纯化或储存方案。根据Beck及其同事的说法,预计本地质谱、离子移动性耦合质谱(IM-MS)和氢/氘交换后质谱(HDX-MS)将在生物仿制药和原研药的可比性研究中发挥越来越大的作用。不同的方法可以实现不同类型的结构表征:原生质谱和IM-MS可以提供顶层的结构洞察力,而HDX-MS可以用来研究单克隆抗体的结构变化以及聚集物。

质谱分析:推动行业发展

表征生物治疗剂是该行业的一个关键挑战。然而,如果没有质谱,迄今取得的许多进展是不可能的。该技术不断发展,并支持从概念到生物加工的研究和开发,直到生物仿制药的分析。质谱的力量在于其检测化合物之间细微差异的能力,而分辨能力正是行业所需要的。

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