抗體藥物電荷異質(zhì)性研究進展：堿性組分中分離出影響Fc功能的非巖藻糖化蛋白

　　作為大分子蛋白，由于其表達體系的不確定性導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)的多變性，抗體藥物的質(zhì)量控制一直是研究的難點和熱點。從一級結(jié)構(gòu)的氨基酸序列，到二級結(jié)構(gòu)的二硫鍵連接，再到高級結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)構(gòu)像，任何維度的結(jié)構(gòu)變化都可能對藥物的穩(wěn)定性和活性產(chǎn)生影響，因此近十幾年來抗體藥物的結(jié)構(gòu)與功能關(guān)系研究始終處于研究的前沿。

　　基于這些結(jié)構(gòu)與功能研究工作的深入，進一步給抗體藥物的質(zhì)量控制提供了指導(dǎo)。在“質(zhì)量源于設(shè)計”的指導(dǎo)框架下，平臺化的工藝開發(fā)過程中，基于蛋白質(zhì)本身的物理化學(xué)特性，抗體藥物的多聚體含量、電荷異質(zhì)性、疏水異質(zhì)性和糖基化分布檢測一直是抗體藥物的初步質(zhì)量控制手段。

　　抗體藥物電荷異質(zhì)性結(jié)構(gòu)與功能關(guān)系共識

　　這些抗體蛋白的物理化學(xué)通常會互為影響，一方面的影響會引起另一方面的變化。例如，糖基化中唾液酸化蛋白比例的增加通常會引起電荷異質(zhì)性中酸性蛋白比例的增加。作為共識，早前時候?qū)τ趬A性蛋白的研究通常與氨基化、去賴氨酸化和甲硫氨酸氧化的蛋白雜質(zhì)聯(lián)系在一起。

　　但是前不久，維也納自然資源與生命科學(xué)大學(xué)（University of Natural Resources and LifeSciences, Vienna）、新加坡A_STAR生物研究中心和Apeiron Biologics在一株嵌合性抗GD2抗體（ch14.18）的結(jié)構(gòu)研究中，發(fā)現(xiàn)堿性化蛋白與非巖藻糖化和高甘露化蛋白的含量呈正相關(guān)性，進一步影響ADCC等相關(guān)的Fc片段效應(yīng)功能，這也應(yīng)該是抗體堿性變體與糖基化異質(zhì)性有關(guān)的首次報道，為下游工藝中糖基化異質(zhì)性的去除和抗體藥物的質(zhì)量控制提供了指導(dǎo)（Charge heterogeneity: Basic antibody charge variants with increased binding to Fc receptors. mAbs,2016, VOL. 8, NO. 8, 1548-1560）。

　　堿性電荷異質(zhì)性蛋白的發(fā)現(xiàn)

　　在對不同臨床時期的抗GD2抗體（ch14.18）進行結(jié)構(gòu)比對研究時，研究者發(fā)現(xiàn)三個不同時期生產(chǎn)批次的藥物的電荷異質(zhì)性有明顯差異。“Newton”批次生產(chǎn)于2004年；“Darwin”批次生產(chǎn)于2011年，下游純化工藝小幅改進后的試運行批；“Curie”批次生產(chǎn)于2013年，轉(zhuǎn)移到新的外包服務(wù)商的GMP運行批。IEF和IEX的分析結(jié)果均表明，最早的生產(chǎn)批次“Newton”主峰含量明顯低于后面生產(chǎn)的兩個批次（“Darwin”和“Curie”），而酸性峰和堿性峰含量則明顯高于后兩批。

　　三個批次的IEF分析結(jié)果

　　三個批次的制型IEX分析結(jié)果

　　隨后研究者通過制備型色譜對各個批次下的蛋白進行區(qū)段收集，對最早期的“Newton”批次的堿性峰收集了多達25區(qū)段，進一步做了結(jié)構(gòu)與功能的分析。

　　堿性電荷異質(zhì)性蛋白的分析

　　隨后研究者使用SPR分別對這些分離的區(qū)段與GD2、FcγRⅢa和 FcRn結(jié)合力進行了分析，以反映這些區(qū)段蛋白的活性、ADCC活性和半衰期。

　　GD2 binding的SPR分析結(jié)果

　　GD2 binding的SPR分析結(jié)果表明，相對主峰蛋白，隨著蛋白的酸性和堿性程度越高，GD2 binding的Kd越大，意味著與GD2的結(jié)合能力越弱。從幾個批次來看，“Newton”批次與GD2的結(jié)合能力最低，“Darwin”批次的優(yōu)之，“Curie”批次的最高，其活性也最高。

　　FcγRⅢa binding的SPR分析結(jié)果

　　ADCC活性檢測分析結(jié)果

　　CDC活性檢測分析結(jié)果

　　糖基化分布檢測分析結(jié)果

　　FcγRⅢa binding的SPR分析結(jié)果表明，相對酸性蛋白，主峰和堿性蛋白FcγRⅢa結(jié)合能力更強，意味著其ADCC能力更高。特別值得注意的是，“Newton”批次中的B2含量顯著低于其它批次。因此從幾個批次來看，“Newton”批次與FcγRⅢa的結(jié)合能力最高，即ADCC活性最高；“Darwin”批次的次之；“Curie”批次的最低。

　　堿性區(qū)段中到底是哪些特定蛋白影響了藥物的ADCC呢？研究者很自然地想到了進一步對這些分離區(qū)段進行糖基化分布的分析，結(jié)果表明，在堿性組分中的高甘露糖化和非鹽藻糖化蛋白比例明顯高于酸性峰和主峰，這顯然與大家對高甘露糖化和非鹽藻糖化蛋白的功能認識相符的。

　　為了進一步驗證堿性組分中是否還有其它的蛋白變體，研究者發(fā)現(xiàn)堿性組分1(B1)和堿性組分2(B2)中的甲硫氨酸氧化、N端焦谷氨酸化和C端去賴氨酸化程度基本一致，排除了由其它途徑帶來的結(jié)構(gòu)變化，說明這些堿性蛋白主要是由高甘露糖化和非鹽藻糖化的蛋白引起的。

　　FcRn binding的SPR分析結(jié)果

　　FcRn binding的SPR分析結(jié)果表明，主峰、堿性組分1(B1)和堿性組分2(B2)與FcRn 的結(jié)合能力是最強的，更高程度的酸性蛋白和堿性蛋白都會減少與FcRn 的結(jié)合能力。

　　CH2和CH3的Nano DSC分析結(jié)果

　　通過Nano DSC進一步對分離組分進行熱穩(wěn)定性分析，發(fā)現(xiàn)各批次不同組分的CH2和CH3轉(zhuǎn)化溫度基本一致，說明組分之間的熱穩(wěn)定性沒有差異。但是“Newton”批次各組分的CH2和CH3均高于其他批次，說明該批次下的藥物穩(wěn)定性與其他兩個有明顯差異，這可能是由于“Newton”不同的制劑配方引起的。

　　堿性電荷異質(zhì)性蛋白的產(chǎn)生原因

　　按照“質(zhì)量源于設(shè)計”的思路，通常在發(fā)現(xiàn)質(zhì)量差異后，繼而鑒定結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系，再進一步回到工藝中分析質(zhì)量差異的產(chǎn)生原因，以利于后期質(zhì)量的穩(wěn)定控制。但本研究中研究者并沒有回到工藝中尋找質(zhì)量差異的源頭。可能是整個項目開發(fā)時間太長，蛋白結(jié)構(gòu)的變化很難確定是否是由于工藝變化引起還是儲存穩(wěn)定性引起的。研究者推測這些批次的電荷異質(zhì)性有可能是由于制劑配方和存儲溫度的差異引起的，也有可能是基于“Darwin”和“Curie”改良的下游工藝引起的。

　　小編小結(jié)

　　從這一研究的研究思路看，很難說明是一項特別完整的研究，甚至部分數(shù)據(jù)令人十分費解。但是研究者們?nèi)匀挥孟鄬ν暾难芯?，首次從堿性電荷異質(zhì)性蛋白中分離出高甘露糖化和非鹽藻糖化的蛋白，為其它藥物的結(jié)構(gòu)研究和質(zhì)量控制提供了借鑒。

　　同時，本文也是首次利用WCX-10分析柱在制備規(guī)模分離這些電荷區(qū)段，為后期在下游階段設(shè)計分離工藝提供了借鑒。不同電荷組分的抗體蛋白等電點差異極小，基本在0.1~0.2 pH單位，傳統(tǒng)的純化工藝很難將它們?nèi)コ?，?chuàng)新型填料的開發(fā)有可能實現(xiàn)這一目標。另一方面，抗體的糖基化基本為中性糖，目前下游基本沒有相關(guān)方法去除相關(guān)雜質(zhì)，很大程度由上游細胞株和培養(yǎng)工藝決定，優(yōu)化途徑極為有限。如果本文研究結(jié)果具備普遍性，是否意味下游特定工藝也可以分離相關(guān)糖基化變體，這對工藝開發(fā)研究人員和結(jié)構(gòu)研究者是個好消息。

　　最后，需要說明的是，對于抗體藥物的電荷異質(zhì)性研究仍然需要具體問題具體分析。不同藥物的電荷變化原因也不盡相同，同時這些電荷結(jié)構(gòu)的變化是否會引起藥物功能的變化也是疑問。值得注意的是，去年FDA批準的兩個抗體類似藥CTP-13和ABP501，都與原研藥的電荷分布有較大差異，進一步說明抗體藥物的電荷異質(zhì)性控制是個難點，相關(guān)研究也應(yīng)依具體項目而有所差異。