李思,羅順*
(1.江西中醫(yī)藥大學(xué),江西南昌 330004;2.南通市海門長三角藥物高等研究院,江蘇南通 226133;3.澳斯康生物(南通)股份有限公司,江蘇南通 226133)
單克隆抗體(monoclonal antibodies,mAb)因整體穩(wěn)定性和可制造性,是用于治療多種疾病(包括癌癥、關(guān)節(jié)炎、免疫性疾病)的最成功的生物技術(shù)藥物[1-3]。盡管單克隆抗體是一類非常穩(wěn)定的治療蛋白,在患者中表現(xiàn)出非常好的藥代動(dòng)力學(xué)特征,但它們?cè)谏a(chǎn)和儲(chǔ)存過程中仍然容易受到各種翻譯后修飾的影響。常見的翻譯后修飾包括糖基化、N末端谷氨酰胺環(huán)化、C 末端賴氨酸丟失、脫酰胺、異構(gòu)化和氧化[4-5]。
在這些修飾中,通常檢測(cè)到氧化,并且是由活性氧與暴露于溶劑的氨基酸殘基,如甲硫氨酸(methionine,Met)和色氨酸(tryptophan,Trp)反應(yīng)引起的[4]。氧化過程中涉及的機(jī)制很復(fù)雜且視具體情況而定:甲硫氨酸容易被過氧化氫通過親核取代反應(yīng)氧化生成甲硫氨酸亞砜和甲硫氨酸砜;色氨酸氧化在機(jī)理上不同于甲硫氨酸氧化,只容易被自由基和激發(fā)態(tài)氧物質(zhì)氧化,通過多種途徑降解生成各種氧化產(chǎn)物,包括5-羥基色氨酸、羥基吲哚丙氨酸、犬尿氨酸和N-甲酰犬尿氨酸[6]。氧化可以誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)變化,可能會(huì)影響單克隆抗體的生物學(xué)功效、安全性和免疫原性。尤其是甲硫氨酸和色氨酸側(cè)鏈氧化,已顯示會(huì)影響抗體結(jié)合片段結(jié)晶域(fragment crystallizable,F(xiàn)c)受體[7-8]和抗原[9],并影響單克隆抗體穩(wěn)定性和半衰期[10]。因此,在藥物研發(fā)和生產(chǎn)的不同階段監(jiān)測(cè)和表征氧化是至關(guān)重要的。
在藥物可開發(fā)性評(píng)估中,計(jì)算機(jī)模擬日益成為一種常見的預(yù)測(cè)生物技術(shù)藥物氧化的方法,其優(yōu)點(diǎn)是樣品消耗少、速度快、成本低。近十年來,計(jì)算機(jī)模擬已用于預(yù)測(cè)生物技術(shù)藥物翻譯后修飾易感位點(diǎn)和設(shè)計(jì)具有更好化學(xué)穩(wěn)定性的抗體。本文就生物技術(shù)藥物氧化的檢測(cè)方法、計(jì)算機(jī)模擬預(yù)測(cè)氧化進(jìn)行重點(diǎn)介紹。
氧化速率取決于肽或蛋白質(zhì)主鏈的整體結(jié)構(gòu)和活性的內(nèi)在因素以及外在因素,例如pH、溫度、緩沖液組成、賦形劑(如組氨酸、聚山梨酸)、金屬離子、光、過氧化物及溶解氧[11]。單克隆抗體生產(chǎn)過程也會(huì)影響氧化,這是由過氧化物、大氣氧和氧化還原活性金屬離子的存在引起的。
氧化氨基酸在蛋白質(zhì)序列中的位置對(duì)于它們對(duì)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)、功能和生物學(xué)反應(yīng)的影響至關(guān)重要,尤其是對(duì)于單克隆抗體而言,結(jié)合特性對(duì)與目標(biāo)抗原的順利結(jié)合至關(guān)重要。藥代動(dòng)力學(xué)特征的變化高度依賴于發(fā)生氧化的位置,來自Fc 區(qū)的甲硫氨酸的氧化可以減少與新生兒Fc 受體的結(jié)合以及相關(guān)單克隆抗體的生物半衰期[8,10]。在人類新生兒Fc 受體(neonatal Fc Receptor,F(xiàn)cRn)轉(zhuǎn)基因小鼠中觀察到的藥代動(dòng)力學(xué)損傷的主要原因是M252 氧化。在這項(xiàng)研究中,當(dāng)兩個(gè)免疫球蛋白G(Immunoglobulin G,IgG)重鏈(Heavy Chains,HC)的M252 被氧化時(shí),觀察到血漿清除率增加,互補(bǔ)決定區(qū)(Complementarity-Determining Regions,CDR)中的甲硫氨酸或色氨酸的氧化可能會(huì)導(dǎo)致效力和抗原結(jié)合能力的喪失[12]。
YANG 等[13]開發(fā)了一種可靠、準(zhǔn)確的反相-高效液相方法來檢測(cè)單克隆抗體重鏈上的色氨酸氧化,通過反相方法確定的色氨酸氧化水平與通過體積排阻色譜法觀察到的作為預(yù)峰的色氨酸氧化量相關(guān)。SOKOLOWSKA 等[14]開發(fā)了一種高通量、自動(dòng)化的亞基質(zhì)量分析方法來監(jiān)測(cè)抗體甲硫氨酸的氧化。在該方法中,用IdeS(IgG 降解酶)、EndoS(IgG 特異性糖苷內(nèi)切酶)和二硫蘇糖醇處理樣品,生成三個(gè)單獨(dú)的IgG 亞基(輕鏈、Fd’和單鏈Fc)。通過反相超高效液相色譜結(jié)合在線四極桿飛行時(shí)間質(zhì)譜儀分析這些亞基,并使用UNIFI 軟件解卷積對(duì)每個(gè)亞基上的氧化水平進(jìn)行定量。該方法所需樣品量少、分析時(shí)間短,且UNIFI 軟件可以自動(dòng)采集和處理數(shù)據(jù),因此該方法可用于高通量的過程監(jiān)控和產(chǎn)品表征。
mAb 上氨基酸殘基的氧化可通過增加氧化形式的極性或?qū)е聵?gòu)象變化而改變mAb 的疏水性。因此,通常使用基于疏水性的疏水作用液相色譜法(HIC)表征氧化mAb。BOYD 等[15]使用雙Dionex ProPac HIC-10 柱實(shí)現(xiàn)了最佳分離,并且將氧化的色氨酸分離為預(yù)峰,肽圖顯示氧化的色氨酸位于重鏈互補(bǔ)決定區(qū)中。此外,HIC 方法能夠監(jiān)測(cè)互補(bǔ)決定區(qū)色氨酸的氧化狀態(tài),通過HIC 檢測(cè)的互補(bǔ)決定區(qū)色氨酸的氧化速率與肽圖的結(jié)果直接相關(guān)。相同的方法條件也能夠分離氧化的甲硫氨酸產(chǎn)物,這些產(chǎn)物在與氧化的色氨酸不同的保留時(shí)間下作為另一個(gè)預(yù)峰共洗脫,因此HIC 可用于監(jiān)測(cè)IgG1 中互補(bǔ)決定區(qū)色氨酸的氧化狀態(tài)。反相色譜法通常無法對(duì)其原始和修飾形式進(jìn)行定量,不能充分解析帶有脫酰胺的天冬酰胺殘基和氧化甲硫氨酸殘基的肽,而疏水相互作用液相色譜法充分且可預(yù)測(cè)地將具有這些修飾的肽與其天然對(duì)應(yīng)物分離。然而,疏水相互作用色譜法也存在分辨率差和色譜運(yùn)行時(shí)間長等缺點(diǎn)。
PERDIVARA 等[16]采用液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)對(duì)抗體進(jìn)行表征,并用電泳分離重鏈和輕鏈。在十二烷基硫酸鈉-聚丙烯酰胺(SDS-PAGE)分離和凝膠消化后,發(fā)現(xiàn)一些重鏈和輕鏈上的色氨酸殘基被廣泛修飾為雙氧化的色氨酸和犬尿氨酸。相比之下,這些殘留物在溶液中酶解時(shí)沒有觀察到修飾。這些結(jié)果表明,在SDS-PAGE 分離蛋白質(zhì)時(shí)色氨酸氧化可能是一種偽影,因此在使用凝膠電泳分離方法時(shí),應(yīng)關(guān)注這些偽影的存在。
AMANO 等[17]通過質(zhì)譜首次發(fā)現(xiàn)了IgG 分子中組氨酸殘基的氧化。位于IgG1 CH2 結(jié)構(gòu)域的特定組氨酸的氧化發(fā)生在光照下,但沒有在高溫下觀察到氧化。在質(zhì)譜分析氘氧化物和重氧化氫中氧化的IgG1的基礎(chǔ)上,提出了組氨酸氧化的反應(yīng)機(jī)理。
LI 等[18]開發(fā)了一種基于UV 的快速、簡(jiǎn)單的肽圖方法,結(jié)合8 min 胰蛋白酶溶液內(nèi)酶解方案用于分析氧化。能夠在1 h 內(nèi)根據(jù)肽的紫外痕跡確定單抗特定殘基的氧化水平,無論是叔丁基過氧化氫(t-BHP)處理還是紫外光照的樣品。該方法可用于各種穩(wěn)定性和降解研究中的單抗氧化的常規(guī)或高通量分析,并且可以潛在地作為釋放測(cè)定法實(shí)施,已成功用于檢測(cè)實(shí)時(shí)穩(wěn)定性研究中抗體氧化。
WANG 等[19]報(bào)告了一種簡(jiǎn)單、快速的自底向上液相色譜-質(zhì)譜(uLC-MS)方法,只需5 min 胰蛋白酶酶解就可以同時(shí)分析多種修飾,包括氧化、脫酰胺、異構(gòu)化、糖基化和N 末端焦谷氨酸的形成。與常規(guī)的前處理方法相比,uLC-MS 方法消除了酶解時(shí)間長而引發(fā)的檢測(cè)偽影。這種簡(jiǎn)單、低偽影的多屬性u(píng)LCMS 方法可用于快速、準(zhǔn)確地分析抗體藥物開發(fā)的任何階段的樣品,尤其適用于細(xì)胞培養(yǎng)過程中的克隆和培養(yǎng)基篩選。
為了解互補(bǔ)決定區(qū)內(nèi)特定化學(xué)修飾對(duì)單克隆抗體屬性的影響,使用氫/氘交換質(zhì)譜(HDX-MS)來研究單克隆抗體互補(bǔ)決定區(qū)中甲硫氨酸氧化對(duì)構(gòu)象的影響。結(jié)果表明,盡管它們彼此接近,但mAb1 重鏈中CDR2 中的Asp54 異構(gòu)化和Met56 氧化對(duì)局部和附近區(qū)域的構(gòu)象影響相反,直接導(dǎo)致抗體-抗原結(jié)合親和力發(fā)生不同的改變[20]。這項(xiàng)研究揭示了由單克隆抗體CDR 中最常見的兩種降解途徑引起的局部和整體構(gòu)象變化的直接證據(jù),并確定了治療性單克隆抗體的化學(xué)修飾、結(jié)構(gòu)和功能之間的相關(guān)性。
氫/氘交換質(zhì)譜可用于評(píng)估甲硫氨酸氧化對(duì)IgG1 抗體生物學(xué)功能的影響。觀察到保守的Fc 甲硫氨酸殘基的氧化與FcRn 結(jié)合和補(bǔ)體依賴性細(xì)胞毒性活性的喪失之間存在線性相關(guān)性。如HDXMS 和結(jié)構(gòu)模型所示,重鏈殘基Met257 和Met433 均位于FcRn 結(jié)合界面附近;然而與HC-Met433 氧化相比,HC-Met257 氧化對(duì)FcRn 結(jié)合的影響更大,HC-Met257 和HC-Met433 的氧化可以破壞CH2-CH3 界面處的蛋白質(zhì)構(gòu)象并防止IgG 寡聚化。HDXMS 證明了兩個(gè)互補(bǔ)決定區(qū)甲硫氨酸殘基的氧化對(duì)抗體的抗原結(jié)合幾乎沒有影響[21]。這些結(jié)果表明,即使翻譯后修飾水平相對(duì)較低,HDX-MS 也能有效評(píng)估單個(gè)翻譯后修飾對(duì)抗體生物學(xué)活性的影響,該方法具有高選擇性和靈敏度,是輔助評(píng)價(jià)抗體關(guān)鍵質(zhì)量屬性的有價(jià)值的工具。
HAGEMAN 等[22]通過HDX-MS 表征天然和化學(xué)氧化的單克隆抗體的構(gòu)象變化,并通過表面等離子體共振表征抗原-抗體結(jié)合?;パa(bǔ)決定區(qū)內(nèi)以及附近的色氨酸氧化增加了可變結(jié)構(gòu)域的構(gòu)象靈活性,并破壞了抗原結(jié)合。互補(bǔ)決定區(qū)中的色氨酸氧化會(huì)對(duì)單克隆抗體的構(gòu)象和抗原結(jié)合產(chǎn)生不利影響,因此色氨酸氧化應(yīng)作為關(guān)鍵質(zhì)量屬性評(píng)估的一部分。
HABERGER 等[23]應(yīng)用特定的反應(yīng)條件,結(jié)合離子交換色譜法、蛋白水解肽圖、定量液相色譜質(zhì)譜法和表面等離子體共振分析的功能評(píng)估,以識(shí)別和評(píng)估重組IgG1 的CDR 中的化學(xué)修飾位,LC(輕鏈)-Met-4、HC-Met-100c 被鑒定為潛在的關(guān)鍵質(zhì)量屬性。但是,如果僅影響抗體的一條輕鏈或重鏈,則評(píng)估的降解產(chǎn)物不會(huì)導(dǎo)致功能完全喪失。
定量超高效液相色譜質(zhì)譜肽圖、經(jīng)典表面等離子體共振和最近開發(fā)的FcRn 柱色譜結(jié)合非變性質(zhì)譜是溶液中天然狀態(tài)的蛋白質(zhì)復(fù)合物分析的新方法。應(yīng)用優(yōu)化的質(zhì)譜電壓和壓力條件來穩(wěn)定氣相中的抗體/FcRn 復(fù)合物,以便隨后使用氧化的IgG1 進(jìn)行非變性質(zhì)譜實(shí)驗(yàn)。值得注意的是,重鏈Met-265 氧化對(duì)相對(duì)結(jié)合能力的定量影響僅檢測(cè)到雙氧化IgG1,而僅具有一個(gè)氧化重鏈Met-265 的IgG1 未發(fā)現(xiàn)顯著影響IgG1與FcRn 的結(jié)合[24]。因此,單氧化IgG1 重鏈Met-265有可能是藥代動(dòng)力學(xué)的關(guān)鍵質(zhì)量屬性。
PAVON 等[25]開發(fā)了一種新穎的混合模式色譜方法,該方法使用Sepax Zenix SEC-300MK 柱的獨(dú)特性質(zhì)來分析單克隆抗體氧化水平。氧化物質(zhì)的分離基于樹脂和抗體之間的體積排阻和疏水相互作用的混合模式。該方法能夠?qū)⒂沙R娧趸瘎﹖-BHP 誘導(dǎo)的甲硫氨酸氧化物,由2,2’-偶氮二異丁基脒二鹽酸鹽(AAPH)誘導(dǎo)的色氨酸氧化物或通過UV 光照氧化物的氧化抗體作為預(yù)峰進(jìn)行解析和定量。前峰的特征在于通過LC-MS 確認(rèn)為質(zhì)量增加16 Da 或32 Da的氧化抗體變體,該方法已成功應(yīng)用于IgG1、IgG2和IgG4 亞類的多種單克隆抗體的監(jiān)測(cè)。該方法可用于監(jiān)測(cè)不同位點(diǎn)的總體和單個(gè)氧化事件,可用作HIC的補(bǔ)充方法,用于開發(fā)和穩(wěn)定性研究期間監(jiān)測(cè)氧化。
SHI 等[26]報(bào)告了陽離子交換色譜(CEX)柱后添加有機(jī)溶劑和酸,然后在高溫下混合,從而使蛋白質(zhì)展開,增加離子強(qiáng)度、靈敏度并促進(jìn)自上而下的分析方法。過氧化氫氧化的mAb 作為模型,產(chǎn)生了額外的CEX 峰。在線CEX-UV-MS 自上而下的分析產(chǎn)生了包含一個(gè)或兩個(gè)甲硫氨酸殘基的氣相片段,氧化和非氧化碎片離子的豐度可以估算mAb 中不同甲硫氨酸殘基的氧化百分比。通過肽圖和柱上二硫鍵還原以及反相液相色譜-自上而下的質(zhì)譜分析對(duì)收集的堿峰進(jìn)行了證實(shí)??傮w而言,結(jié)果證明了在線方法在提供電荷修飾的特定位點(diǎn)結(jié)構(gòu)信息而無需餾分收集和費(fèi)力的肽圖方面的實(shí)用性。
雖然現(xiàn)有的檢測(cè)方法能夠鑒定生物技術(shù)藥物中氧化的氨基酸殘基,但這些方法大都用于藥物研發(fā)階段,而計(jì)算機(jī)模擬方法可以根據(jù)抗體序列和結(jié)構(gòu)信息來預(yù)測(cè)藥物潛在的氨基酸氧化殘基。由于在藥物發(fā)現(xiàn)階段就可獲得抗體的序列信息,因此計(jì)算機(jī)模擬方法可在早期用于識(shí)別易氧化的氨基酸殘基,從而為進(jìn)一步研究和開發(fā)藥物提供依據(jù)。
預(yù)測(cè)生物技術(shù)藥物氧化的計(jì)算機(jī)方法主要有基于序列、基于結(jié)構(gòu)和基于物理三種,基于序列的方法將可變區(qū)中的所有甲硫氨酸和色氨酸殘基標(biāo)記為易受影響的殘基[27]。但是由于高級(jí)結(jié)構(gòu)會(huì)對(duì)氧化產(chǎn)生影響,基于序列的方法可能會(huì)高估氧化的風(fēng)險(xiǎn),因?yàn)楸┞兜募琢虬彼?、色氨酸更容易氧化,其他的則不然。溶劑可及表面積(Solvent-Accessible Surface Area,SASA)是一個(gè)識(shí)別可能氧化的甲硫氨酸和色氨酸殘基的預(yù)測(cè)因子[28]。最近的研究成功地將分子動(dòng)力學(xué)(Molecular Dynamic,MD)模擬和機(jī)器學(xué)習(xí)相結(jié)合,以預(yù)測(cè)甲硫氨酸和色氨酸氧化[29-30]。然而,影響氧化風(fēng)險(xiǎn)的特定因素可能會(huì)因潛在殘基的類型和氧化的類型而異[31]。
機(jī)器學(xué)習(xí)模型可用來識(shí)別潛在的氧化甲硫氨酸殘基。YANG 等[32]利用從隨機(jī)森林模型中得到的甲硫氨酸側(cè)鏈的SASA,確定了121 個(gè)抗體中可能氧化的甲硫氨酸殘基。他們觀察到側(cè)鏈溶劑暴露和甲硫氨酸氧化之間有很強(qiáng)的相關(guān)性,但存在一定的假陰性。這項(xiàng)研究使用了靜態(tài)晶體結(jié)構(gòu)的SASA 值,但沒有發(fā)現(xiàn)因構(gòu)象變化而引起的甲硫氨酸殘基溶劑暴露的改變。SANKAR 等[33]建立了一個(gè)隨機(jī)森林模型,結(jié)合SASA 以及硫和芳香族殘基之間的距離,預(yù)測(cè)AAPH對(duì)甲硫氨酸的氧化。
最近還有研究探索了在光照下進(jìn)行甲硫氨酸氧化和AAPH 強(qiáng)制氧化的計(jì)算機(jī)預(yù)測(cè)。DELMAR 等[30]除了使用溶劑暴露外,還使用了丙氨酸和甲硫氨酸殘基之間的最接近原子距離作為光照下甲硫氨酸氧化的預(yù)測(cè)因子。相鄰的芳族殘基能夠起到清除游離自由基的作用,從而阻止甲硫氨酸的氧化。H2O2的強(qiáng)制氧化模擬了制劑中聚山梨酸酯中痕量過氧化物的暴露,而光照則是模擬了運(yùn)輸、儲(chǔ)存過程中光暴露導(dǎo)致的降解[34]。因此,在不同的強(qiáng)制氧化(如過氧化物和光照)中,應(yīng)選用不同的甲硫氨酸氧化預(yù)測(cè)因子[35]。
溶劑暴露是預(yù)測(cè)色氨酸氧化最重要的因素。SASA 的靜態(tài)結(jié)構(gòu)不能捕捉到因構(gòu)象改變引起的色氨酸殘基暴露,通過MD 模擬得到的SASA 平均值可以更精確地預(yù)測(cè)色氨酸的氧化。由于吲哚環(huán)的氧化是犬尿氨酸形成過程中的重要環(huán)節(jié),因此色氨酸側(cè)鏈的溶劑暴露可以作為一個(gè)重要的預(yù)測(cè)因子[36]。當(dāng)色氨酸主鏈被包裹而側(cè)鏈暴露時(shí),SASA 能精確地預(yù)測(cè)氧化。SHARMA 等[29]發(fā)現(xiàn)色氨酸的側(cè)鏈SASA 與AAPH 孵育后的色氨酸氧化有很大的關(guān)系。DELMAR等[30]開發(fā)了一種隨機(jī)森林模型,它將二級(jí)結(jié)構(gòu)與psi和phi 角相結(jié)合,用于預(yù)測(cè)光照下的色氨酸氧化。在此基礎(chǔ)上,未來可以進(jìn)一步探討其他結(jié)構(gòu)因子對(duì)色氨酸氧化的影響,根據(jù)特定應(yīng)激條件,例如高溫、光照、AAPH、過氧化物與痕量金屬結(jié)合的強(qiáng)制氧化對(duì)色氨酸氧化進(jìn)行計(jì)算機(jī)預(yù)測(cè)。
氧化是一種常見的蛋白質(zhì)翻譯后修飾,通常發(fā)生于抗體的制備與貯存過程中。由于各位點(diǎn)的氧化程度較低,所以采用強(qiáng)制氧化方法來確定氧化位點(diǎn)。氧化修飾位點(diǎn)會(huì)對(duì)其生物活性產(chǎn)生一定的影響,使其產(chǎn)生抗體特異性。要保證治療用藥的安全、有效,就必須研究和優(yōu)化細(xì)胞培養(yǎng)、制劑和貯存的相關(guān)條件。在生物技術(shù)藥物研發(fā)的早期階段中,可使用各種計(jì)算機(jī)模擬工具預(yù)測(cè)藥物潛在的氧化位點(diǎn),隨后模擬在不同生產(chǎn)步驟中遇到的各種條件下進(jìn)行加速穩(wěn)定性研究,從而篩選和設(shè)計(jì)出穩(wěn)定的藥物。未預(yù)測(cè)到潛在的氧化位點(diǎn)需要花費(fèi)大量的時(shí)間和代價(jià)來補(bǔ)救,而錯(cuò)誤的預(yù)測(cè)易氧化的位點(diǎn)則會(huì)導(dǎo)致藥物的過度設(shè)計(jì),因此在使用計(jì)算機(jī)模擬預(yù)測(cè)氧化時(shí)應(yīng)根據(jù)具體的研究情況選擇合適的預(yù)測(cè)方法。目前國內(nèi)對(duì)生物技術(shù)藥物中氧化的檢測(cè)項(xiàng)目很少,而且對(duì)其氧化產(chǎn)物的含量限值也沒有規(guī)定,有關(guān)的定性和定量分析方法更是一片空白。建立高效、準(zhǔn)確測(cè)定生物技術(shù)藥物中氧化產(chǎn)物的方法,尤其是含量測(cè)定方法,將其與國際接軌,對(duì)生物技術(shù)藥品的生產(chǎn)和市場(chǎng)流通進(jìn)行有效的監(jiān)督,可以更好地保護(hù)人們的生命,規(guī)范藥品的使用。隨著氧化檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展,如何使其更好地用于臨床檢驗(yàn),建立高效、準(zhǔn)確的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)是一個(gè)值得思考的問題。