摘要 重組人生長激素(Recombinant human growth hormone, rhGH)是一種采用基因工程技術(shù)在大腸桿菌中表達的蛋白質(zhì)藥物,廣泛用于治療兒童及成人生長激素缺乏癥等多種疾病。在rhGH 藥物工藝開發(fā)與生產(chǎn)過程中,可能產(chǎn)生多種產(chǎn)品相關(guān)物質(zhì),對藥物質(zhì)量構(gòu)成潛在影響。因此,對rhGH 主成分及產(chǎn)品相關(guān)物質(zhì)進行深入的結(jié)構(gòu)表征和合理的質(zhì)量控制對保障藥品質(zhì)量具有重要意義。《歐洲藥典》收錄了用于rhGH 產(chǎn)品相關(guān)物質(zhì)質(zhì)量控制的反相高效液相色譜方法,以及高豐度色譜峰的結(jié)構(gòu)鑒定信息,但對于低豐度產(chǎn)品相關(guān)物質(zhì)的結(jié)構(gòu)分析并沒有詳細記載。本研究采用反相高效色譜與液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù),成功分離并鑒定了rhGH 產(chǎn)品中的3 種低豐度產(chǎn)品相關(guān)物質(zhì)。研究結(jié)果表明, rhGH 低豐度產(chǎn)品相關(guān)物質(zhì)普遍含有多種修飾或罕見修飾,包括N99 和N149 雙位點脫酰胺、N 端缺失兩個氨基酸同時N149 脫酰胺、Q122 脫酰胺、N 端氨基甲?;蚇 端丁二酰化,其中首次在rhGH 中發(fā)現(xiàn)N 端丁二酰化修飾。本研究對rhGH 產(chǎn)品相關(guān)物質(zhì)進行了深入表征,為rhGH 藥物的研發(fā)和工藝改進提供了依據(jù)。
關(guān)鍵詞 重組人生長激素;結(jié)構(gòu)表征;產(chǎn)品相關(guān)物質(zhì);翻譯后修飾;液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用
生長激素(Growth hormone, GH)是一種由人腦垂體前葉分泌的蛋白質(zhì)激素,可與生長激素受體結(jié)合,誘導(dǎo)胰島素樣生長因子1(Insulin-like growth factor, IGF-1)分泌,從而促進人體骨骼的生長發(fā)育。1958 年, Raben 等[1]首次從人腦垂體中提取人生長激素(Human growth hormone, hGH),用于治療生長激素缺乏癥;1982 年,基因重組人生長激素(Recombinant human growth hormone, rhGH)獲批用于生長激素缺乏癥的臨床治療,主要適應(yīng)癥為內(nèi)源性生長激素缺乏引起的兒童矮小癥[2]。自此,研究者開始對rhGH進行了廣泛的研究和應(yīng)用探索。近年來, rhGH 在促進脂肪分解和肌肉再生[3]、神經(jīng)保護[4]、燒燙傷[5]、輔助生殖[6]和肝組織再生[3]等領(lǐng)域的作用也被逐步發(fā)掘。截至2023 年, rhGH 在全球范圍內(nèi)的臨床應(yīng)用歷史已超過40 年,獲批的適應(yīng)癥達十余種。
隨著生物技術(shù)的發(fā)展和進步, rhGH 的表達系統(tǒng)和生產(chǎn)工藝也經(jīng)歷多次迭代改進[7],天然GH 分子無糖基化修飾,因此,絕大部分生產(chǎn)商選擇原核表達系統(tǒng)對rhGH 進行規(guī)?;a(chǎn)。在原核表達系統(tǒng)中,分泌型大腸桿菌表達技術(shù)借助特殊設(shè)計的信號肽將目標蛋白引導(dǎo)至周質(zhì)腔,使其以可溶形式表達,有助于維持天然構(gòu)象并避免被胞內(nèi)蛋白酶降解。
人用藥品技術(shù)要求國際協(xié)調(diào)理事會(The international council for harmonisation of technicalrequirements for pharmaceuticals for human Use, ICH) Q6b[8]指導(dǎo)原則中,將雜質(zhì)分為產(chǎn)品相關(guān)物質(zhì)(Product-related substances)、產(chǎn)品相關(guān)雜質(zhì)(Product-related impurities)以及工藝相關(guān)雜質(zhì)(Process-relatedimpurities),其中,產(chǎn)品相關(guān)物質(zhì)與藥物主成分的活性是可比的,但某些理化性質(zhì)與主成分存在差異。產(chǎn)品相關(guān)物質(zhì)的形成主要來自生產(chǎn)、運輸和儲存等過程。翻譯后修飾作用[9-12]是產(chǎn)生產(chǎn)品相關(guān)物質(zhì)的最常見原因,包括蛋白質(zhì)氧化[13]、脫酰胺[14]、氨基甲?;痆15]、聚合[16]和降解[17]等;此外,一級序列的改變,如信號肽的不完全(或過度)切除[18]和氨基酸突變[19]等也會導(dǎo)致產(chǎn)品相關(guān)物質(zhì)的形成。產(chǎn)品相關(guān)物質(zhì)的存在會影響藥物的分子量[20]和分子結(jié)構(gòu)[21]等性質(zhì),從而影響藥物的安全性[22]和有效性[16,23-24],因此,對其進行準確的表征和嚴格質(zhì)控十分必要。
《歐洲藥典》[25]中收錄了rhGH 的產(chǎn)品相關(guān)物質(zhì)檢測方法,但主要記錄了部分高豐度產(chǎn)品相關(guān)物質(zhì)的結(jié)構(gòu)信息,對低豐度產(chǎn)品相關(guān)物質(zhì)的研究尚顯不足。盡管如此,在生物藥的國際貿(mào)易中,《歐洲藥典》所收錄的方法仍是對rhGH 產(chǎn)品相關(guān)物質(zhì)進行鑒定分析及實施質(zhì)量控制的關(guān)鍵依據(jù)。
本研究采用色譜和質(zhì)譜技術(shù),對rhGH 原液中的產(chǎn)品相關(guān)物質(zhì)進行分離、富集和結(jié)構(gòu)鑒定[26-27],旨在全面表征《歐洲藥典》所列產(chǎn)品相關(guān)物質(zhì)檢測圖譜中的低豐度組分。同時,制備了rhGH N 端丁二酰化修飾的樣品,可作為產(chǎn)品相關(guān)物質(zhì)監(jiān)控的參考物質(zhì),在rhGH 的生產(chǎn)工藝改進、安全性與有效性評價及產(chǎn)品質(zhì)量提升等方面具有重要的參考意義。
1 實驗部分
1.1 儀器、試劑與材料
Triple TOF 6600 型超高效液相色譜-串聯(lián)高分辨質(zhì)譜儀(美國AB SCIEX 公司);Micro 17R 高速冷凍離心機(美國Thermo 公司);DS-11 分光光度計(美國Denovix 公司);E2695 型高效液相色譜儀(美國Waters 公司)。NUCLEOSIL1000-7 C18 分析柱(250 mm × 4.6 mm, 7 μm, 美國Fisher 公司);Acquity UPLCBEH C4 分析柱(100 mm × 2.1 mm, 1.7 μm, 美國Waters 公司);Acquity UPLC BEH C18 分析柱(100 mm ×2.1 mm, 1.7 μm, 美國Waters 公司);超濾離心管(截留分子量10 kDa,美國Millipore 公司)。
NaH2PO4、Na2HPO4、(NH4)2SO4、HClO4 和丁二酸酐(國藥集團化學(xué)試劑有限公司);胰蛋白酶(Trypsin,美國Promega 公司);三氟乙酸(質(zhì)譜級,日本W(wǎng)ako 公司);HCl(中國北京化工廠);三羥甲基氨基甲烷(Tris,中國惠世試劑公司);H3PO4 和異丙醇(色譜級,美國TEDIA 公司);三(2-羧乙基)膦(TCEP,美國Sigma 公司);乙腈(質(zhì)譜級, Fluka 公司)。rhGH 注射液由長春金賽藥業(yè)有限責任公司提供(標示含量為每瓶30 IU/10 mg/3 mL,批號:201706029)。
1.2 實驗方法
1.2.1 產(chǎn)品相關(guān)物質(zhì)的富集與定位
采用《歐洲藥典》收錄的反相高效液相色譜(Reversed phase-high performance liquid chromatography,RP-HPLC)方法進行分析[25]。采用E2695型高效液相色譜儀,配備NUCLEOSIL1000-7 C18 分析柱(250 mm ×4.6 mm, 7 μm)。流動相A 為NaH2PO4-HClO4 溶液(稱取82.6 g Na2HPO4 和34.5 g NaH2PO4·2H2O,溶于2950 mL 色譜水中,加入25 mL HClO4 及2000 mL 乙腈,以超純水定容至5000 mL)。流動相B 為80%乙腈溶液。梯度洗脫程序:0~60 min, 23%~28% B;60~61 min, 28%~23% B;61~72 min, 23% B。流速:1.0 mL/min, 柱溫:室溫;紫外檢測器波長:215 nm。根據(jù)色譜峰的分離情況,對各個組分進行收集,合并相同餾分后進行超濾濃縮,終濃度控制為1.0 mg/mL。對濃縮后的餾分采用色譜分離所述的反相色譜方法進行定位分析,色譜設(shè)備、條件、色譜柱、流動相組成及梯度洗脫程序與前述相同。
1.2.2 產(chǎn)品相關(guān)物質(zhì)解析
采用聯(lián)用ExionLC 超高效液相色譜儀的Triple TOF 6600 高分辨質(zhì)譜儀進行完整分子量分析。色譜柱選擇Acquity UPLC BEH C4 柱(100 mm × 2.1 mm, 1.7 μm), 流動相A 為0.1%甲酸, B 相為0.1%甲酸-乙腈。梯度洗脫程序:0~1 min, 5% B;1~3.5 min, 15%~60% B;3.5~4.5 min, 60%~90% B;4.5~6.0 min,90% B;6.0~6.5 min, 90%~15% B;6.5~9.0 min, 15% B。流速:0.3 mL/min;柱溫:40 ℃;檢測波長:220 nm;用超純水將樣品稀釋至0.1 mg/mL, 進樣4 μL;自動進樣器溫度設(shè)置為2~8 ℃。質(zhì)譜主要參數(shù)如下:采用正離子模式分析,掃描范圍m/z 400~2500;氣簾氣流速35 psi (1 psi = 6.89 kPa);輔助氣流速50 psi;離子源溫度550 ℃;離子源電壓5500 V;累加時間0.25 s;碰撞電壓20 V;去簇電壓120 V。取2 μL 待測樣品進行液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用(Liquid chromatography-mass spectrometry, LC-MS)分析。
質(zhì)量肽圖檢測設(shè)備與前述相同,色譜柱采用Acquity UPLC BEH C18 柱(100 mm × 2.1 mm, 1.7 μm)。流動相A 為0.05%三氟乙酸,流動相B 為0.05%三氟乙酸-乙腈。梯度洗脫程序:0~3 min, 0~15% B;3~15 min, 15%~25% B;15~25 min, 25%~50% B;25~30 min, 50%~80% B;30~30.1 min, 80%~0% B;30.1~35 min, 0% B。流速:0.5 mL/min;柱溫:40 ℃;檢測波長:220 nm;進樣量:20 μL。質(zhì)譜分析采用正離子模式掃描,一級質(zhì)譜(MS1)的掃描范圍為m/z 100~1800。氣簾氣流速:35 psi;輔助氣流速:50 psi;霧化氣溫度:550 ℃;累加時間:0.25 s;離子源電壓:5500 V;碰撞電壓:10 V;去簇電壓:80 V。二級質(zhì)譜(MS2)的掃描范圍為m/z 50~1800,碰撞電壓設(shè)定為“Rolling CE”,其它參數(shù)與一級質(zhì)譜參數(shù)相同。
質(zhì)譜數(shù)據(jù)采集采用Analyst 軟件(1.7.3 版本,美國AB Sciex 公司),數(shù)據(jù)分析采用BioPharma View 軟件(2.0 版本)和PeakView 軟件(2.2 版本)(美國AB Sciex 公司)。
1.2.3 rhGH N端丁二酰化樣品的制備
依據(jù)參考文獻[28]的方法制備N 端具有丁二?;揎椀膔hGH 產(chǎn)品相關(guān)物質(zhì)。取rhGH 加入丁二酸酐溶液(44∶1, m/m),置于冰水浴中孵育2 h,即得丁二?;揎棶a(chǎn)品相關(guān)物質(zhì)。將上述丁二?;s質(zhì)同樣采用《歐洲藥典》[25]中的RP-HPLC 方法進行分離,收集洗脫時間為42.8 min 的色譜峰,為rhGH 的N 端丁二?;揎椀漠a(chǎn)品相關(guān)物質(zhì)。收集到的蛋白采用與其它收集的產(chǎn)品相關(guān)物質(zhì)相同的方法進行色譜峰時間定位,確認產(chǎn)品相關(guān)物質(zhì)的洗脫時間一致。
2 結(jié)果與討論
本研究開發(fā)了一套基于《歐洲藥典》[25]方法的rhGH 低豐度產(chǎn)品相關(guān)物質(zhì)的收集、鑒定與驗證工作流程(圖1)。首先,對rhGH 中的各產(chǎn)品相關(guān)物質(zhì)色譜峰進行收集,按照保留時間順序分別命名為EPV1至EP-V5、EP-M、EP-V6、EP-V7 和EP-V8。對收集的組分進行濃縮處理,并采用相同的方法進行色譜峰定位和純度分析(圖2),最終,通過LC-MS 對產(chǎn)品相關(guān)物質(zhì)進行了結(jié)構(gòu)鑒定分析。本研究首次在rhGH 產(chǎn)品相關(guān)物質(zhì)中發(fā)現(xiàn)了N 端丁二酰化修飾組分,并采用化學(xué)方法制備了與此組分相同的N 端丁二酰化修飾rhGH 產(chǎn)品相關(guān)物質(zhì),通過色譜峰定位及質(zhì)譜檢測證實了此組分與制備的rhGH 產(chǎn)品相關(guān)物質(zhì)組分一致。
2.1 產(chǎn)品相關(guān)物質(zhì)的色譜定位和純度分析
本研究采用的rhGH 的產(chǎn)品相關(guān)物質(zhì)的總峰面積為8.36%(圖3),符合《歐洲藥典》[25]對總產(chǎn)品相關(guān)物質(zhì)峰面積不得超過10%的規(guī)定;同時,各個產(chǎn)品相關(guān)物質(zhì)的相對保留比均在規(guī)定范圍內(nèi)(表1)。為確保各組分在處理過程中的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性,采用《歐洲藥典》[25]收錄的rhGH 產(chǎn)品相關(guān)物質(zhì)反相色譜檢測方法進行了組分的富集與純化,并采用相同的方法進行色譜定位。如圖2 所示,收集的各產(chǎn)品相關(guān)物質(zhì)餾分的主要成分與目標色譜峰的保留時間一致。通過計算峰面積得出各餾分中目標峰的純度分別為:EP-V2 為92%, EP-V3 為85%, EP-V6 為100%,均滿足后續(xù)組分鑒定的需求。
2.2 產(chǎn)品相關(guān)物質(zhì)的結(jié)構(gòu)解析
對8 個餾分樣品進行了完整分子量和質(zhì)量肽圖的檢測,并利用BioPharma View 軟件(2.0 版本)與PeakView 軟件(2.2 版本)對獲得的數(shù)據(jù)進行分析,以確認已知組分并對未知組分進行結(jié)構(gòu)表征。結(jié)果表明, EP-V1、EP-V4、EP-V5、EP-V7 和EP-V8 的結(jié)構(gòu)與《歐洲藥典》[25]收錄的產(chǎn)品相關(guān)物質(zhì)成分一致(見電子版文后支持信息表S1)。對于EP-V2、EP-V3 和EP-V6 色譜峰的結(jié)構(gòu),由于目前缺乏相關(guān)文獻報道,本研究將對其進行深入探討。
根據(jù)rhGH 的結(jié)構(gòu)序列信息,其理論完整分子量應(yīng)為22124.0 Da,經(jīng)LC-MS 檢測得到的EP-M 分子量為22123.8 Da(圖4),與理論分子量高度一致。EP-V2 產(chǎn)品相關(guān)物質(zhì)的分子量信號為22125.1 Da,比EP-M 略高1.3 Da,初步推測可能發(fā)生了脫酰胺修飾(+1.0 Da)。對于EP-V3產(chǎn)品相關(guān)物質(zhì),測得的分子量有兩種,一種比EP-M 低242.5 Da,另一種比EP-M 高1 Da。推測前者可能是由于片段缺失,而后者可能是脫酰胺修飾(+1.0 Da)。EP-V6產(chǎn)品相關(guān)物質(zhì)可能含有3 種成分,分別比主峰高1.6、44.7和101.1 Da,初步推測這可能與脫酰胺(+1.0 Da)、氨基甲酰化(+43.0 Da)和丁二?;?100.0 Da)3 種翻譯后修飾有關(guān)[18]。
對上述樣品進行了基于胰蛋白酶的質(zhì)量肽圖差異分析(圖5)。通過對比差異色譜峰的一級和二級質(zhì)譜數(shù)據(jù)(見電子版文后支持信息表S1),對各產(chǎn)品相關(guān)物質(zhì)進行進一步表征。
對EP-V2 產(chǎn)品相關(guān)物質(zhì)進行了質(zhì)譜分析。通過對EP-M 和EP-V2 肽圖樣品的色譜峰進行對比發(fā)現(xiàn),在保留時間6.42 和17.31 min 處有顯著差異(圖5),這些差異來源于T15 肽段(FDTNSHNDDALLK)和T10 肽段(SVFANSLVYGASDSNVYDLLK)的變異。進一步分析二級質(zhì)譜圖發(fā)現(xiàn), EP-V2 的T15 肽段在N149 位發(fā)生了脫酰胺修飾,這可由b5~b11 離子的+1.0 Da 的質(zhì)量偏移所證實(見電子版文后支持信息圖S1A)。同理, T10 肽段在N99 位也出現(xiàn)脫酰胺修飾(見電子版文后支持信息圖S1B)。分子量分析結(jié)果表明EP-V2 的N99 位和N149 位均發(fā)生了脫酰胺修飾。
比較EP-M 與EP-V3 的質(zhì)量肽圖(圖5)可見,在4.67 和6.42 min 處具有顯著差異,這些差異來源于T1 肽段(FPTIPLSR)和T15 肽段(FDTNSHNDDALLK)的變異。通過詳細比對T15 肽段的二級質(zhì)譜圖(見電子版文后支持信息圖S2)可確認EP-V3 中的N149 位發(fā)生了脫酰胺修飾。此外, EP-V3 的T1 肽段的質(zhì)譜數(shù)據(jù)顯示,其N 端缺失了苯丙氨酸(F)和脯氨酸(P)兩個氨基酸殘基,這與母離子質(zhì)量減少244.1 Da 和二級質(zhì)譜圖中y1~y6 離子的一致性相符。因此,可以確定EP-V3 的主要組分是N149 位脫酰胺修飾,同時伴有N 端F 和P 兩個氨基酸的缺失。
對EP-V6 的結(jié)構(gòu)進行了質(zhì)譜解析。EP-M 和EP-V6 的色譜峰(圖5)在保留時間15.68、13.07 和13.88 min 處存在差異,這些差異與T11 肽段(DLEEGIQTLMGR)和T1 肽段(FPTIPLSR)的變異相關(guān)。分析差異色譜峰的MS2 譜圖,推測T11 肽段的差異來源于Q122 位發(fā)生脫酰胺修飾(見電子版文后支持信息圖S3A);T1 肽段的MS2 分析結(jié)果表明, EP-V6 的N 端氨基酸發(fā)生了氨基甲酰化和丁二?;揎棧ㄒ婋娮影嫖暮笾С中畔DS3B 和S3C)。特別地, N 端發(fā)生的丁二?;揎棡槭状伟l(fā)現(xiàn)的rhGH 的產(chǎn)品相關(guān)物質(zhì),因此對該產(chǎn)品相關(guān)物質(zhì)進行了進一步的研究和驗證。
2.3 N端丁二?;揎梤hGH的制備與確證
為了進一步確認EP-V6 成分N 端丁二?;揎梤hGH 產(chǎn)品相關(guān)物質(zhì)結(jié)果的準確性,同時為該產(chǎn)品相關(guān)物質(zhì)的活性研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù),通過制備N 端具有丁二?;揎椀膔hGH 產(chǎn)品相關(guān)物質(zhì)進行對比驗證。將rhGH 與丁二酸酐在低溫下進行孵育,采用與rhGH 產(chǎn)品相關(guān)物質(zhì)相同的色譜方法進行分離、收集及質(zhì)譜分析,結(jié)果顯示,制備的修飾蛋白的分子量為22223.9 Da(圖6A),與理論值相符。此外,RP-HPLC 檢測結(jié)果顯示,制備得到的N 端丁二酰化修飾rhGH 的色譜峰保留時間與EP-V6 完全吻合(圖6B)。綜上,本研究最終實現(xiàn)了對歐洲藥典中rhGH 相關(guān)蛋白的全部鑒定(表2),為未來產(chǎn)品質(zhì)量的提升奠定了基礎(chǔ)。
3 結(jié)論
采用《歐洲藥典》中的RP-HPLC 結(jié)合LC-MS 方法,對rhGH 原液中的產(chǎn)品相關(guān)物質(zhì)進行了表征分析。除已報道的產(chǎn)品相關(guān)物質(zhì)EP-V1、EP-V4、EP-V5、EP-V7 和EP-V8 外,發(fā)現(xiàn)了未報道的低豐度產(chǎn)品相關(guān)物質(zhì)EP-V2、EP-V3 及EP-V6,并證實EP-V2 中包含rhGH 發(fā)生N99、N149 位脫酰胺修飾的產(chǎn)物,EP-V3 中含有rhGH 發(fā)生了N 端缺失FP 和N149 脫酰胺2 種修飾產(chǎn)物,而EP-V6 中含有rhGH 發(fā)生Q122 脫酰胺、N 端氨基甲?;蚇 端丁二?;? 種修飾產(chǎn)物。值得注意的是, N 端丁二酰化在rhGH 產(chǎn)品相關(guān)物質(zhì)中首次被發(fā)現(xiàn)。本研究實現(xiàn)了對《歐洲藥典》中RP-HPLC 方法分離的rhGH 藥物產(chǎn)品相關(guān)物質(zhì)的完全鑒定,加深了對rhGH 藥物的認識,同時也為相關(guān)產(chǎn)品質(zhì)量升級和安全性研究奠定了基礎(chǔ)。
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