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Protein A太贵?这些老技术正在悄悄改写规则

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做抗体纯化的同行,都知道Protein A是金标准。捕获一步到位,纯度高、收率好、平台通用。

但Protein A也有个问题——贵。

一升Protein A树脂,几千到上万美元。一根层析柱装下来,十几万就出去了。而且树脂有寿命,循环个几十上百次就得换。对于产量大、成本敏感的产品,这是一笔不小的开销。

所以行业里一直在找:有没有更便宜的办法,能替代或者部分替代Protein A?

最近读了《Process Scale Purification of Antibodies》第三版第四章,作者是百时美施贵宝(BMS)的Nripen Singh和Srinivas Chollangi。这一章专门讲下一代澄清技术——沉淀、絮凝、吸附型深层过滤这些老技术的新用法。看完挺有启发的。

今天就把这一章的核心内容提炼出来,和大家聊聊:除了Protein A,我们还有哪些选择?

一、为什么要找Protein A的替代?

先说说为什么大家对Protein A又爱又恨。

爱的地方不用说了:捕获效率高,一步就能把抗体从细胞培养上清里拉出来,纯度95%以上,后面跟两步抛光就完事了。整个行业都在用,工艺平台成熟,监管也认可。

但恨的地方也很现实:

第一,成本高。Protein A树脂是按毫升卖的,一升几千美元起步。而且这东西不是买了就一劳永逸——CIP清洗、反复使用,寿命有限。对于年产能几百公斤的大产品,Protein A树脂的折旧成本占下游总成本的比例非常高。

第二,HCP和DNA的搭便车问题。很多人不知道,HCP和DNA不是只在进料里有——它们会和Protein A配基非特异性结合,然后跟着抗体一起被低pH洗脱出来。也就是说,你花大价钱过了Protein A柱,出来的料里还是有不少HCP和DNA,后面抛光步骤还得接着去。

第三,染色质杂质。细胞破碎之后释放的染色质、组蛋白这些东西,特别麻烦。它们会和抗体形成复合物,Protein A也分不开。最后这些杂质进到制剂里,会影响产品质量和免疫原性。

所以行业里一直在琢磨:有没有更便宜的办法,在Protein A之前就把这些杂质去掉一部分?或者,有没有可能用沉淀、絮凝这些更便宜的技术,部分替代Protein A的功能?

二、沉淀法:老技术新用

沉淀法不是什么新技术。做生化的,谁没做过硫酸铵沉淀?但最近这些年,沉淀法又被捡起来重新研究了——因为它真的便宜。

这一章里讲了好几种沉淀方法,各有各的特点:

酸沉淀:把pH降到4-5.5,用醋酸、磷酸或者柠檬酸。原理很简单——降低杂蛋白的溶解度,让它们沉淀出来,抗体留在上清里。效果怎么样?HCP能降低1-2个log,DNA能降低1-3个log。

但酸沉淀有个问题:pH太低会损伤抗体,收率会降。而且低pH条件下,有些杂质反而溶得更好了。所以酸沉淀一般不是单独用,而是作为前处理步骤。

辛酸沉淀这个方法有意思。辛酸是一种8碳的脂肪酸,加进去之后,它会和杂蛋白结合,把杂蛋白的三级结构破坏掉,让杂蛋白沉淀。而抗体因为带的电荷多,保持溶解状态,留在上清里。

更妙的是,辛酸还能顺便灭活脂包膜病毒——效果能到3个log以上。相当于一步搞定澄清、除杂、病毒灭活三件事。成本比层析便宜多了。

PEG沉淀的原理是体积排阻——PEG分子把水抢走,蛋白的溶解度下降,大分子先沉淀。抗体分子大,先沉下来;小的HCP留在上清里。这样一来,不仅能分离抗体和杂蛋白,还能顺便去掉高分子量的聚集体。一举两得。

冷乙醇沉淀(CEP)是最老牌的了,二战的时候就用来做IVIG。最近又被重新翻出来研究——能不能用它替代Protein A?思路是:先冷乙醇沉淀粗提,再跟抛光步骤组合,整个流程不用Protein A柱。

这些沉淀法的共同优点是什么?便宜。不用买贵的树脂,不用装层析柱,就是加试剂、搅拌、离心或者过滤。成本比层析低一个数量级。

缺点呢?选择性差。沉淀法不像Protein A那样特异性地抓抗体,它是一刀切——要么把抗体沉下来,要么把杂质沉下来,精度不够。所以一般不能完全替代Protein A,只能作为前处理,帮着去掉一部分杂质,减轻后面层析步骤的压力。

三、絮凝:让杂质抱团的艺术

絮凝和沉淀有点像,但思路不一样。

沉淀是让杂质自己沉下来,絮凝是加一种叫絮凝剂的高分子聚合物,让小颗粒互相抱团,变成大颗粒,然后就好分离了。

就像下雨天,小雨滴本来很小,飘在空气中落不下来;但如果有凝结核,小水滴就会抱成大水滴,变成雨落下来。絮凝剂就是那个凝结核。

絮凝剂分好几种:

阴离子絮凝剂:带负电的聚合物。它的思路是——把pH调到比抗体等电点低的地方,让抗体带正电,然后带负电的絮凝剂就把抗体抓下来,沉淀。然后再调pH把抗体重新溶出来。

但这个方法有个问题:现在的细胞培养上清,电导率越来越高(15-20 mS/cm),高离子强度会屏蔽电荷,絮凝效果就大打折扣。所以阴离子絮凝剂现在用得不多了。

阳离子絮凝剂:带正电的聚合物。思路反过来——中性pH下,杂质(HCP、DNA、细胞碎片)带负电,带正电的絮凝剂把它们抓下来沉淀,抗体留在上清里。

这个思路更实用。比如pDADMAC(聚二烯丙基二甲基氯化铵),就是一种常用的阳离子絮凝剂。效果怎么样?HCP能去掉80%以上,DNA能去掉99%以上。而且抗体收率能保持在90%以上。

还有个更新的方向,叫多模式絮凝剂或者智能聚合物。它不只有静电作用,还有疏水作用,好几种作用力一起上。

比如BMS他们研究的SmP(Smart Polymer),效果比传统絮凝剂好得多。处理之后的HCP水平,居然能降到跟Protein A洗脱液差不多的水平。这就很厉害了——相当于用絮凝这一步,就达到了Protein A的除杂效果。

絮凝的好处是什么?便宜、快、处理量大。加进去搅一搅,杂质就抱团沉下来了,离心或者过滤就能去掉。成本比层析低得多。

但絮凝也有个大问题:残留验证。你往料液里加了化学试剂,就得证明它没有残留在最终产品里。这个验证成本不低——要开发检测方法,要证明残留量在安全范围内。这也是为什么絮凝技术研究了这么多年,还没有大规模用在商业化生产上。

四、吸附型深层滤器:过滤除杂一步到位

前面说的沉淀和絮凝,都要加化学试剂,都有残留验证的问题。那有没有不用加试剂的办法?

有——吸附型深层滤器。

普通的深层滤器,就是靠孔径大小筛颗粒,对吧?但新一代的深层滤器,里面加了带电荷的基团,或者混了离子交换介质,不仅能过滤颗粒,还能吸附杂质。

最典型的就是3M的Emphaze系列。它是把AEX(阴离子交换)水凝胶整合到深层滤器里。效果怎么样?

过一遍这种滤器,澄清度提升了,HCP去掉了,DNA也去掉了——DNA能降低3.5个log,HCP降低十几倍。相当于一步过滤,同时做了澄清、阴离子交换除杂两件事。

更厉害的是,这种吸附型深层滤器还能去病毒。比如X-MuLV,能做到5个log以上的病毒清除。机制是静电吸附加上疏水作用。

这意味着什么?以前要过Protein A柱 + AEX抛光柱 + 病毒过滤膜,三步。现在可能两步就够了——吸附型深层滤器 + 病毒过滤膜。少了一步层析柱,成本降一大截。

而且吸附型深层滤器是一次性的,用完就扔,不用清洗验证,特别适合一次性生产车间。现在很多新建的一次性生产设施,收获澄清这一步,都开始用这种新型滤器了。

五、现实挑战:为什么这些好技术还没大规模用起来?

你可能会问:既然这些技术这么好,为什么行业里还都是Protein A?

因为理想很丰满,现实很骨感。

第一个问题:验证成本高。不管是沉淀、絮凝还是新型滤器,只要你改了工艺,就要做全套验证——工艺验证、安全性验证、法规申报。这个成本和时间投入是很大的。

特别是絮凝剂、沉淀剂这些化学试剂,你得证明它没有残留、不影响产品质量、没有毒性。这个验证做下来,可能要花好几年。对于一个已经上市的产品,改工艺的动力不大。

第二个问题:通用性不够。Protein A为什么成了金标准?因为它平台化——大部分IgG都能用同一套工艺。但沉淀和絮凝呢?不同的抗体,等电点不一样,电荷不一样,最优条件就不一样。每个产品都要重新开发工艺,平台化程度低。

第三个问题:法规接受度。Protein A用了几十年了,监管部门都认可了。新的技术、新的工艺路线,监管那边还要慢慢建立共识。你提交一个用沉淀法做的工艺,审评老师可能都没见过,得来回沟通,这个时间成本很高。

第四个问题:收率和质量的平衡。这些技术除杂效果好,但会不会损失抗体收率?会不会影响产品的关键质量属性?这些都要一点点验证。很多时候,为了提高一点除杂效果,牺牲了收率,算下来反而不划算。

所以现在的情况是:这些技术都在实验室和中试阶段研究得很热闹,真正大规模商业化用的还不多。但方向是明确的——成本压力越来越大,迟早会推动这些技术慢慢用起来。

写在最后:技术永远在进化

做抗体纯化这行,Protein A是现在的金标准,但它不会永远是。

就像当年离子交换被Protein A取代一样,未来某一天,可能会有更便宜、更高效的技术,把Protein A也替代掉。沉淀、絮凝、吸附型深层过滤这些技术,现在看起来还不太成熟,但都是方向。

对于做工艺开发的人来说,眼界要宽一点——不要只盯着层析柱那点事。老技术新用,有时候能解决大问题。成本压力大的时候,花最少的钱办最多的事,才是真本事。

这一章非常推荐做下游工艺的同行读一读。不是要你马上就把Protein A换了,而是了解一下行业里都在研究什么、未来的方向是什么。知道我们现在站在哪里,才知道要往哪里走。

本文基于《Process Scale Purification of Antibodies》第三版第四章《Next-Generation Clarification Technologies for the Downstream Processing of Antibodies》(作者:Nripen Singh, Srinivas Chollangi, Bristol-Myers Squibb)内容提炼整理。

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