通过竞争性吸附研究腺相关病毒在气-水界面的稳定性

《Journal of Pharmaceutical Sciences》:Investigating adeno-associated virus stabilization at the air-water interface through competitive adsorption

【字体: 时间:2026年05月04日 来源:Journal of Pharmaceutical Sciences 3.8

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  朱莉·加西亚·冈萨雷斯-卡莱罗(Julie Garcia Gonzalez-Calero)|哈里·拉恩(Harri Rahn)|吴侃(Kan Wu)|约瑟法·罗瑞格(Josepha Roerig)|法比安·西巴赫(Fabian Seebacher)|尼古拉·亨策(Nikolai

  
朱莉·加西亚·冈萨雷斯-卡莱罗(Julie Garcia Gonzalez-Calero)|哈里·拉恩(Harri Rahn)|吴侃(Kan Wu)|约瑟法·罗瑞格(Josepha Roerig)|法比安·西巴赫(Fabian Seebacher)|尼古拉·亨策(Nikolai Hentze)|马库斯·霍尔曼(Markus Hollmann)|迪克·格林姆(Dirk Grimm)|周晨(Chen Zhou)
AbbVie Deutschland GmbH & Co. KG,德国路德维希港(Ludwigshafen, Germany)

摘要

本研究探讨了腺相关病毒(AAVs)在空气-水界面(AWI)上的稳定性,重点关注了搅拌应力下表面活性剂与病毒衣壳吸附之间的相互作用。研究使用了AAV-9及其经过工程改造的变体AAV-PHP.eB(该变体具有更强的中枢神经系统趋向性),通过轨道振动模拟制造和运输过程中遇到的界面应力。系统评估了不同类型和浓度的表面活性剂的影响,实验中使用了聚山梨酯20和80(Polysorbates 20 and 80)、泊洛沙姆188(Poloxamer 188,简称P 188)以及Kolliphor? HS15。尺寸排阻色谱-多角度光散射(SEC-MALS)和全息表征(Total Holographic Characterization,简称THC)技术帮助分析了病毒衣壳的回收率及亚可见颗粒(Subvisible Particles,简称SVP)的形成情况。疏水相互作用色谱(Hydrophobic Interaction Chromatography,简称HIC)和悬滴形状分析揭示了两种AAV变体在表面疏水性和活性方面的显著差异。结果表明,具有更高表面疏水性和活性的AAV-PHP.eB比AAV-9更容易发生吸附和SVP形成,因此需要更高浓度的P 188才能实现有效稳定。当P 188浓度为0.1%(w/v)时,THC和动态光散射检测到SVP群体发生变化,出现了棒状和形状不规则的颗粒,这些颗粒可能是P 188的聚集体。研究结果表明,较高浓度的P 188不仅通过饱和AWI和直接结合衣壳来提供保护,还可能在AAV存在的情况下形成聚集体结构,进一步阻碍衣壳的吸附和聚集。

引言

空气-水界面(AWI)上吸附现象的表征对于治疗性蛋白的稳定性至关重要,因为吸附会导致药品稳定性和效力的下降。1 蛋白的表面活性使它们能够快速吸附到液体表面,从而降低溶液的表面张力和界面张力。这种在界面上的吸附能力会导致蛋白质的疏水区域相互作用,这些疏水区域在吸附过程中会被暴露出来。这种暴露可能导致蛋白质结构发生变化,甚至引发聚集。2 尽管对治疗性蛋白已有大量研究,1, 2, 3 但作为基因治疗载体的腺相关病毒(AAVs)的吸附行为仍知之甚少。AAVs由60个亚单位组成,包含三种不同的病毒蛋白VP1-3。1, 2 与其他蛋白质组装体一样,AAVs也可能在界面吸附方面遇到挑战。AAV药物产品的蛋白质浓度通常远低于传统蛋白质药物,因此更容易受到界面损失的影响。实际上,在生产、储存、给药和定量过程中,AAVs经常会在各种表面上发生非特异性吸附。4, 5
本研究旨在通过探讨AAV-9和AAV-PHP.eB在AWI上的吸附特性来填补这一空白,并进一步评估不同表面活性剂对病毒衣壳吸附的影响。据报道,工程改造后的衣壳AAV-PHP.eB比其原始形式AAV-9能更有效地穿过血脑屏障。6 AWI是一个独特的界面,具有一系列独特的物理化学性质。3 其中最重要的是界面的几何特性,它表现为一个分子级平坦的表面,分隔了两种具有不同介电常数的相。3 值得注意的是,这个界面的空气侧表现出明显的疏水性。这种疏水行为在促进界面区域的动态相互作用中起着关键作用,使其成为疏水分子和亲水分子相互作用的重要场所。3 由于这些独特性质,具有疏水特性的分子(如AAVs)以及两亲化合物(如表面活性剂)的疏水部分倾向于在空气-水边界处积累。这些分子会优先调整自身的方向,使其疏水域暴露在空气相中,而亲水域则保持与水相的结合。3 在水环境中,蛋白质通常会采取减少疏水位点暴露的构象。然而,在AWI上,由于疏水段与空气的相互作用更为有利,蛋白质可能会发生显著的重定向甚至结构转变。3 表面活性剂常用于保护蛋白质免受界面应力的影响,目前已提出了几种可能的稳定机制,3 包括表面活性剂在疏水界面上的竞争性吸附、表面活性剂与蛋白质的直接结合以及蛋白质-表面活性剂胶束复合物的形成。需要注意的是,如果制造过程控制不当,聚山梨酯类表面活性剂可能会降解,7 这可能会引发免疫学问题并损害药品质量。7 因此,生物制药行业迫切需要能够有效稳定用于注射给药的生物制剂的替代表面活性剂。在我们的研究中,我们比较了常用的聚山梨酯80(Polysorbate 80,简称PS80)和聚山梨酯20(Polysorbate 20,简称PS20),8 与泊洛沙姆188(Poloxamer 188,简称P 188)以及一种新型替代表面活性剂Kolliphor? HS15(HS15)的性能。9, 10 P 188因其化学结构而成为聚山梨酯的有趣替代品,它不易被宿主细胞蛋白酶降解,并且具有更强的抗氧化稳定性,主要是因为它不含双键。11 此外,与聚山梨酯类表面活性剂相比,P 188在添加IgG时对界面张力的改变更为显著。11 然而,它在油/水界面上的保护效果相对较弱。这表明表面活性剂的机制或效果可能取决于界面的性质,在空气/水界面上,P 188可能提供更强的保护作用,尤其是在界面张力变化明显的情况下。HS15是另一种表现与PS80相似的替代表面活性剂,在界面活性和蛋白质稳定性方面表现优异,并且对阿斯pergillus oryzae(AOL)脂肪酶和猪肝酯酶(PLE)的酶降解具有更强的抵抗力。11, 12
在本研究中,AAV-9和AAV-PHP.eB在室温下振荡一天,以产生足够的空气-水界面应力,振荡有助于持续更新AWI环境。我们使用尺寸排阻色谱结合多角度光散射(SEC-MALS)技术监测了振荡处理样品与对照样品之间的病毒衣壳回收率。全息表征(THC)用于检测小至0.5 μm的亚可见颗粒(SVPs)。此外,还采用了疏水相互作用色谱(HIC)来分析两种病毒衣壳类型的相对表面疏水性,并通过悬滴形状分析来研究表面活性剂的保护作用。

章节摘录

样品制备

AAV-9和AAV-PHP.eB通过在HEK293T细胞中同时转染rep-cap质粒、腺辅助质粒和CAG-EGFP-WPRE质粒来制备,并通过两步纯化方法进行纯化:首先使用Poros AAV-9柱(Thermo Fischer,产品编号A36650)进行免疫亲和捕获,洗脱条件为pH 3;然后使用HiTrap CaptoQ柱(Cytiva,产品编号29401107)进行阴离子交换(AEX),洗脱盐为Na-醋酸盐。还制备了第二批样品以覆盖

应力条件定义

为了建立基于振荡的强制降解实验,我们借鉴了之前关于治疗性蛋白的研究成果。23 Johann等人的研究23确定了通过振荡诱导聚集来筛选生物治疗制剂的关键参数。其中,孔体积与填充体积的比例被证明是一个有价值的参数,可以确保不同微孔板格式下聚集水平的可比性。

讨论

本研究旨在通过筛选不同的表面活性剂来理解和减轻AAV在AWI上的损失,例如常用的聚山梨酯20和8035、商业AAV制剂中常用的替代表面活性剂泊洛沙姆18836,以及一种用于生物制药制剂的新型替代表面活性剂Kolliphor? HS1511。我们发现,AAV在AWI上的主要降解机制是衣壳通过吸附而丢失,而不是单链DNA通过衣壳破裂释放

结论

总之,本研究表明,AAV载体在AWI上的稳定性受到衣壳特性和表面活性剂选择的显著影响。疏水性更强的AAV-PHP.eB衣壳更容易发生吸附和颗粒形成,因此需要更高浓度的表面活性剂才能达到最佳稳定效果,相比之下AAV-9所需浓度较低。表面张力和疏水相互作用色谱数据证实了AAV在AWI上衣壳表面活性的差异

利益冲突声明

作者声明以下财务利益和个人关系:Abbvie资助了本研究;参与了研究设计、数据收集、分析及解释;参与了最终版本的撰写、审阅和批准。作者朱莉·加西亚·冈萨雷斯-卡莱罗(Julie Garcia Gonzalez-Calero)、哈里·拉恩(Harri Rahn)、吴侃(Kan Wu)、约瑟法·罗瑞格(Josepha Roerig博士)、法比安·西巴赫(Fabian Seebacher)、尼古拉·亨策(Nikolai Hentze博士)、马库斯·霍尔曼(Markus Hollmann博士)和周晨(Chen Zhou博士均为Abbvie的员工,可能持有AbbVie的股份
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