Undersøgelse om erstatning af traditionel kolonnekromatografi med membrankromatografi til monoklonal antistofoprensning

traditionel pakkede-lejekromatografi er moden og pålidelig, men den er begrænset af begrænsninger såsom lav diffusionseffektivitet, højt modtryk og langsomme behandlingshastigheder, hvilket gør det stadig vanskeligere at holde trit med den konstant stigende produktivitet af opstrømsprocesser. For nylig er en undersøgelse offentliggjort iBioteknologiske fremskridthar bragt et potentielt gennembrud til industrien: Med sine fordele ved usædvanlig høj produktivitet og robust holdbarhed kan membrankromatografi blive et effektivt alternativ til kromatografi med pakket-leje og fundamentalt omforme landskabet med nedstrøms mAb-rensning.

Forskningsbaggrund

 

Undersøgelsen evaluerede systematisk forskellige typer membrankromatografianordninger, herunder ion-- og protein A-affinitetsmembraner, og udførte en omfattende sammenligning med traditionel pakket-lejekromatografi på tværs af flere dimensioner, herunder bindingskapacitet, urenhedsclearance, levetid og overordnet oprensningsydelse. Tre rekombinante proteiner blev udvalgt til undersøgelsen-et monoklonalt antistof (mAb) og to Fc-fusionsproteiner-, der dækker den komplette nedstrøms oprensningsproces fra indfangning til polering. De vigtigste testresultater er som følger:

 

1. Indfangningstrin: Protein A-membrankromatografi - Høj bindingskapacitet ved korte opholdstider

Protein A-kromatografi er et kritisk trin i mAb-indfangning. Undersøgelsen evaluerede ydeevnen af ​​fire protein A-membraner (tre kommercielle produkter og en prototypemembran) mod to referencepakkede-lejeharpikser:

• Fremragende dynamisk bindingskapacitet (DBC):To membraner opnåede DBC-værdier på over 50 g/L. Nogle membraner bibeholdte bindingskapaciteter på 35-65 g/L selv ved en ekstremt kort opholdstid på 0,2 min., sammenlignet med traditionelle pakkede-harpikser (37-55 g/L).
• Dramatisk stigning i produktiviteten:Opholdstiden for membrankromatografi var kun 1/6-1/30 af den for traditionel søjlekromatografi (0,13-0,33 min vs. . 2-6 min), hvilket resulterede i en12-35 gange stigning i batchbehandlingsproduktivitet.
• Stabil genopretning:Proteingenvinding oversteg 85 % for alle membranenheder. GORE-membranen opnåede den højeste genvinding på 96 %, i det væsentlige sammenlignelig med traditionelle pakkede-lejeharpikser (94–98 %).
• Begrænsninger at overveje:Membrankromatografi frembragte et elueringsvolumen1,4-5 gange højereend traditionelle pakkede-sengeharpikser, mens HCP-clearance var lidt ringere. For nogle membraner nåede HCP-niveauerne i eluatet 7.000 ppm sammenlignet med 4.700 ppm for traditionelle pakkede-lejeharpikser. Derfor,yderligere poleringstrin kan være nødvendige for at kompensere for denne begrænsning.

 

2. Poleringstrin: Ion-udvekslings-/multimodale membraner - Effektiv urenhedsfjernelse med hurtig behandling

Det primære formål med poleringstrinnet er at fjerne resterende urenheder såsom aggregater med høj-molekylær-vægt (HMW) og værtscelleproteiner (HCP). Undersøgelsen evaluerede tre typer membrankromatografi: anionbytter (AEX), kationbytter (CEX) og multimodale (MM) membraner.

• Rekord-produktivitet:Opholdstiden for membrankromatografi var kun0,17 min, sammenlignet med2-4 mintil traditionel søjlekromatografi, der repræsenterer en12-24 gange reduktion af opholdstidog en dramatisk stigning i behandlingseffektiviteten.
• Urenhedsclearance sammenlignelig med traditionel søjlekromatografi:Membrankromatografi opnåetHMW clearance-faktorer på 4,2–5,5, nærmer sig ydeevnen af ​​Capto Adhere-harpiks (6). DeHCP-clearance-faktor nåede så højt som 60, med nogle membraner, der overgår traditionel-pakkekromatografi.
• Konkurrencedygtig proteingenvinding:De fleste membraner opnåetproteingenvinding over 90 %, og for nogle Fc-fusionsproteiner var genvindingen endnu højere end den opnåede med traditionel søjlekromatografi.

 

3. Fuld-Procesvalidering: Membrankromatografi muliggør høj-renhedsrensning

Undersøgelsen etablerede enintegreret membran-baseret oprensningsproces, der kombinerer protein A-opsamling med polering, og benchmarkede det direkte i forhold til en konventionel-pakket kromatografiproces:

• Ydeevne med høj-renhed:Efter den fulde membran-baserede oprensningsproces blev HCP-niveauerne i Fc-fusionsproteiner reduceret tilunder 50 ppm, med aggregater (HMW arter) klMindre end eller lig med 0,5 %. For det monoklonale antistof blev HCP reduceret til226 ppm, med aggregater kl1.0%, der nærmer sig ydeevnen af ​​den konventionelle-pakkekromatografiproces (11 ppm HCP og 0,7 % aggregater).
• Højere generel restitution:Den samlede genvinding af Fc-fusionsproteinet nået89%, hvilket var19 % højereend ved den konventionelle kromatografiproces med-pakket leje. For det monoklonale antistof var genvindingen73%, der kan sammenlignes med den konventionelle proces med pakkede-senge.
• Stærk begroningsmodstand:Membrankromatografi viste bedre tolerance over for råmaterialer med høj urenhedsbelastning og forblev effektiv, selv nårinitial HCP-koncentration nåede 150.000 ppm.

 

4. Levetid: Stabil drift for 100+ cyklusser opfylder produktionskrav

Membranens holdbarhed er en kritisk faktor for industriel anvendelse. Undersøgelsen evaluerede membranstabilitet igennem201 på hinanden følgende driftscyklusser:

• Forlænget cyklus levetid:Syv af de otte membraner færdiggjortemere end 100 cyklusser, mens prototypen multimodal (MM) membran nåede201 cyklusseruden væsentlig forringelse af ydeevnen.
• Stabil ydeevne:Under hele cykelstudietproteingenvinding forblev omkring 90 %, uden nogen signifikant nedgang i HMW- eller HCP-fjernelsesydelse. Trykprofilerne forblev også stabile.
• Velegnet til fremstillingsapplikationer:De fleste membraner var i stand til at støttemindst én komplet produktionscyklus, mens nogle kunne understøtte flere batches. Akkumulerede trykstigninger kan afbødes ved at optimereren-in-place-strategi (CIP)..

 

Tekniske højdepunkter: Hvorfor kan membrankromatografi erstatte traditionel søjlekromatografi?

Kernefordelene ved membrankromatografi stammer fra dens unikke flade-arkmembranstruktur. Sammenlignet med konventionelle porøse kromatografiharpikser tilbyder membrankromatografi tre nøgleforskelle:

1. Innovativ masseoverførselsmekanisme:Membraner er primært afhængige af konvektiv masseoverførsel, hvilket eliminerer behovet for, at proteiner diffunderer ind i porøse medier. Dette reducerer opholdstiden markant og muliggør meget hurtigere behandling.
2. Betydeligt lavere modtryk:Den flade-arkstruktur giver lav strømningsmodstand og kan rumme højere strømningshastigheder, hvilket overvinder de modtryksbegrænsninger, der almindeligvis er forbundet med traditionel søjlekromatografi.
3. Stærk procestilpasningsevne:Membrankromatografi er kompatibel med kontinuerlig fremstilling og kan bedre matche den høje produktivitet af opstrømsprocesser. Derudover kan dets mindre udstyrsfodaftryk og lavere krav til membranmedier hjælpe med at reducere de samlede produktionsomkostninger.

Membrankromatografi har selvfølgelig også visse begrænsninger. Disse omfatter bl.astørre elueringsvolumener, som kræver yderligere bufferforbrug; behovet for yderligere forbedring af urenhedsclearing for udfordrende prøver som f.eksbispecifikke antistoffer (bsAbs); og begrænset tilgængelighed af nogle membranprodukter i store produktionsskalaer. Disse udfordringer kan dog gradvist løses gennem optimeret udstyrsdesign, inkorporering af yderligere dybde-filtreringstrin og andre procesforbedringer.

Indvirkning på industrien: Fremstilling af monoklonale antistoffer går ind i en æra med høj-effektiv oprensning

Resultaterne af denne undersøgelse giver den biofarmaceutiske industri en klar retning for teknologiske fremskridt. For konventionelle mAb- og Fc-fusionsproteinoprensningsprocesser, der prioriterer høj produktivitet,membrankromatografi har potentialet til fuldt ud at erstatte traditionel pakket-søjlekromatografi. Selv for mere komplekse råmaterialer kan en kombinationsstrategi ved hjælp af membrankromatografi sammen med konventionelle kromatografiharpikser hjælpe med at opnå en optimal balance mellem forarbejdningseffektivitet og produktrenhed.

Efterhånden som membranmaterialeteknologier fortsætter med at udvikle sig, forventes fremtidige udviklinger at reducere bufferforbruget yderligere og forbedre skalerbarheden, hvilket accelererer den biofarmaceutiske industri hen imodkontinuerlig, høj-effektiv og omkostningseffektiv-produktion.

For biofarmaceutiske producenter,tidlig vedtagelse og strategisk udbredelse af membrankromatografi kan blive en vigtig konkurrencefordel på det udviklende marked.