MabSelect VL之于双抗纯化的机理浅析
本期,智荟专线将依次为大家介绍Protein L亲和原理、影响因素,用于双抗副产物杂质去除的机理研究及经典案例。
Protein L简介
图1:Protein L分子结构示意图。从左-右:疏水信号肽序列S、N末端序列A、重复的5个和抗体互作区B1-B5、间隔区S、未知功能区C1和C2、细胞壁锚定区W以及疏水跨膜区M【6】
图2:IgM Fab 2A2与Protein L结构域C*形成复合物的带状示意图。Protein L 3316的domain C *(中间大红色)位于两个 Fab(蓝色和绿色)之间,浅色表示轻链,深色表示重链。上方洋红色标示了按照 Chothia定义的 CDR 环,并显示了 Fab–Protein L 互作界面远离抗原结合位点(combining site)【13】。
- 氢键搭建起互作基本结构框架并精确识别(对齐),驱动互作【15】;与疏水作用力(熵驱动)【16】共同成为维持亲和作用的主力;
- 盐桥(静电互作)也有助于特异性识别及结构稳定,但非主要作用力。
Protein L 互作影响因素
图3:Capto L填料纯化某非对称型WuXiBody层析图谱。三种颜色分别对应不同电导的洗脱缓冲液50/20/10 mM柠檬酸,拉pH 4.5-2.5线性梯度。上样量 2 mg/mL填料,Tricorn 5/150,BH=15.6 cm,CV=3 mL。(为方便阅读,在层析结果图左侧放分子结构示意图,下同)【20】。
- 不同buffer体系产生的电导强度有差异,通常柠檬酸(三元弱酸)的电导强度大于醋酸(一元弱酸),因此分辨率也更佳【17,22】;
- 同一buffer体系的电导值越低,洗脱pH相对越高【19,20】。
- 如图4,Cytiva MabSelect VL常规洗脱条件为50 mM 柠檬酸盐(citrate),pH 2.5 – 3.0,经过buffer筛选,50 mM丙酸盐(propionate)和15 mM琥珀酸盐(succinate)可以将洗脱pH提高到4.3-4.4;通过降低柠檬酸浓度也可以适当提高洗脱pH【18,20】。
图4:不同的缓冲液体系(单羧酸、二羧酸和三羧酸)及浓度(电导强度),对MabSelect VL洗脱pH的影响。样品:trastuzumab单抗,上样量5 mg/mL填料,拉线性梯度 pH 5.0 – 3.0【18】。
图5:Cytiva MabSelect VL亲和填料配基结构示意图
Protein L去除双抗杂质机理
- 亲和力(Affinity)差异: 基于双抗分子不同亲本抗体与Protein L的亲和力差异,和序列有关【34】,影响如homodimer、半抗的去除效果。
- 结合价(Valency)差异:例如对于2条轻链均为kappa 1/3/4型双抗,与Protein L为二价结合;但是副产物杂质半抗、3/4抗体(LC-missing species)则为单价结合【22,35】。同时需考虑分子量差异的影响,相同结合价,分子量越低,亲和力相对越强【17】。聚集体在排除空间位阻的影响下,结合位点更多。
2020年,WuXi Biologics的Chen X等发表文章验证Protein L对于不同单抗序列存在亲和力差异。使用Cytiva Capto L纯化四个单抗分子(mab 1~ 4),洗脱pH有显著差异,如图6,提示不同单抗和填料的结合强度有差别。因此,推测可尝试用于分离双抗及homodimer(相当于其来源的单抗分子)【34】。
图6:使用Cytiva Capto L纯化四个单抗分子(mab 1/2/3/4),层析柱直径0.5 cm、高度15 cm,柱体积~3 mL。样品澄清后上柱,上样量2 mg/mL填料,RT=5 min。拉pH线性梯度洗脱(20 mM citrate, pH 5.0-2.5, 30 CV)。4个单抗分子在Protein L上洗脱pH有明显差异。【34】
KAPPA-KAPPA型双抗的HOMODIMER去除
后续实验表明【34】,Capto L对于KiH非对称型双抗(两条轻链均为kappa型)以及对应的两种homodimer(knob-knob、hole-hole,前者因空间位阻通常更少)的洗脱保留时间有明显差异,证实亲和力不同。为了模拟真实场景下双抗纯化,作者将上述样品混合,即80% KiH BsAb + 10% knob-knob + 10% hole-hole homodimer,上Capto L柱后,确认实现了有效分离,如图7。另外,原文还验证了Protein L对于去除Fab x scFv (KiH)双抗产生的homodimer同样有效。
图7:Capto L纯化非对称型KiH双抗(80%)以及掺入的两种homodimer(每种10%)层析结果图。上样量1 mg/mL填料。线性pH梯度洗脱(20 mM citrate, pH 5.0-2.5,30 CV)。洗脱峰1:半抗,峰2:knob-knob(结合更弱),峰3:单体主峰;峰4:hole-hole homodimer(结合更强)。 (Inset: 非还原SDS-PAGE胶. M: 蛋白marker; L: 起始样品; Lanes 1–4: 分别为洗脱收集组分1–4。下同)
KAPPA-LAMBDA型双抗的HOMODIMER去除
图8. MabSelect VL装填HiScreen柱并用于step梯度洗脱双抗的层析图谱。从线性pH梯度(50 mM citrate,pH 5-2.5)优化来的step pH梯度(50 mM citrate buffer,pH 3.5和3.1),依次洗脱kappa-lambda异源二聚体双抗、Kappa homodimer。案例中的双抗由trastuzumab kappa 1型anti-HER2轻链、avelumab lambda 2型 anti-PDL1轻链以及anti-HER2重链组成。
实验中,选择Ab#1双抗(κ-λ型,单价结合Protein L)和Ab#2单抗(κ-κ型,双价结合Protein L,模拟κ-κ homodimer),测试在4种单一pH条件2.4、2.7、3、3.3下,分别拉电导梯度(100 – 0 mM NaCl)洗脱,结果显示pH 2.7和3.0分离效果最好,且洗脱pH越低,出峰电导越高,如图9。后续优化为step电导梯度,CIEX-HPLC显示pH 2.7和3.0对应的目的双抗洗脱峰1的纯度分别为92.0%和94.8%。由此,作者将酸性(单一)pH条件下通过控制电导进行样品洗脱的方法命名为“电导率洗脱法(conductivity elution)”,并在后续众多Protein L层析实验中被采用。
图9:左侧:Ab#1双抗(κ-λ型,单价结合Protein L),Ab#2单抗(κ-κ型,双价结合Protein L,模拟κ-κ homodimer)。右侧:pH 分别为2.4、2.7、3、3.3条件下,拉NaCl线性梯度(100 mM-0 mM)洗脱Ab#1和Ab#2,体现出不同分辨率。
半抗的去除
图10:使用Capto L填料分离某非对称型WuXiBody和Knob(kappa型)半抗杂质,二者以质量比为9:1混合。上样量2 mg/mL,RT=5 min,拉线性pH梯度20 mM citrate, pH 5-2.5。
Capto L去除3/4抗体
2020年,WuXi Biologics的Y. Wang等实验证实,Capto L可以有效去除非对称型WuXiBody工艺中的3/4抗体【22】。工艺开发过程中,作者通过拉pH线性梯度优化Wash 3的淋洗条件,去除3/4抗体杂质。选用分辨率更高的柠檬酸作为缓冲体系(20 mM citrate, pH 3.8)。注意淋洗pH的优化,尤其对于在低pH条件下不稳定的双抗分子,易形成聚集体。对此,作者增加了一步高pH(5.0/5.5/6.0)淋洗Wash 4重新稳定抗体分子结构后再洗脱,将聚体含量降低到13.5%(降低了~10%),但仍比Protein A高出3%【20,22】。洗脱阶段则选择电导更低、比柠檬酸洗脱pH更高的醋酸作为缓冲体系(50 mM NaAc-HAc, pH 3.2)。后续研究中,作者继续将Wash 3优化为降低电导下的更高pH条件淋洗(10 mM citrate, pH 3.9),去除3/4抗体的同时,进一步减少了3%的聚体,如表1和图11【20】。
表1:使用Capto L纯化某低pH敏感WuXiBody双抗(低pH下易形成聚体)
图11:使用Capto L去除某WuXiBody中3/4抗体的层析结果图。上样量10 mg/mL填料,RT=5 min。旧和新的方法中UV吸收值分别标记为浅蓝和深蓝色,pH分别为浅黄和深橘色。通过Wash 3去除结合的3/4抗体杂质,旧方法为20 mM citrate, pH 3.8,新方法优化为降低电导下的更高pH淋洗(10 mM citrate, pH 3.9),进一步降低了3%的聚集体。
聚集体的去除
NaCl线性梯度洗脱:
非IgG样双特异性抗体(不含Fc区),更容易形成聚集体【41,42】,在前述Chen C等发表的“电导率洗脱”法文章中,针对双特异性 T 细胞衔接器(BiTEs)双抗分子,通过在低pH条件下,仅拉NaCl梯度(100-0 mM)成功分离了双抗单体分子和聚集体【19】,如图12。
图12:BiTEs抗体分子(两个scFv形成的融合蛋白,文中为样品Ab#3),使用Protein L亲和填料通过在NaAc pH 2.7条件下,拉NaCl 线性梯度100-0 mM,有效分离单体(洗脱峰1,9.59 mS/cm)和聚集体(洗脱峰2,3.80 mS/cm)。
除了NaCl,也可以尝试其他盐添加剂如硫酸铵。2024年WuXi Biologics的Dong W等,使用MabSelect VL开发双抗纯化两步法工艺,针对主要杂质为聚集体(含量高达23.3%)的某对称型双抗分子A,在pH step梯度洗脱过程中,于洗脱液中加入硫酸铵(AS),可以进一步优化单体和聚集体的分离效果【43】,这可能与硫酸钠促进单体和聚集体与填料之间不同程度的疏水互作相关。 但需注意,更高浓度的AS提高纯度的同时会损失部分收率,建议进行浓度筛选,如表2。文中经小柱测试后,选择了向淋洗和洗脱buffer中添加 5mM AS,从2.9 mL成功放大到106.2 mL(SEC-HPLC 纯度92.0%)。
表2:针对MabSelect VL Wash 2及elution buffer中硫酸铵浓度进行优化,分别添加4/5/6 mM 硫酸铵(第二列),即对应洗脱buffer配方为20 mM NaOAc‑HOAc, 4/5/6 mM (NH4)2SO4, pH 3.4。分别得到monomer纯度范围在89.8–91.9%之间(SEC-HPLC%),与Protein A亲和洗脱的单体纯度(79.8%)相比,有显著提高。上样量30 mg/mL填料(MabSelect VL载量显著提升)。
填料筛选
总之,当拿到一个新的双抗/多抗分子,可以通过计算填料配基的结合位点个数并参考分子量大小,评估不同填料的杂质去除效果。
2025年7月,Nattha Ingavat等发表文章,再次验证了Protein L去除非对称型IgG-like双抗产品相关杂质的有效性【17】。通过评估faricimab双抗与潜在杂质分子与不同抗体亲和填料的亲和力差异,发现Protein L填料的差异最大(不结合的杂质种类也更多),如下图13。后续层析验证,拉pH 6-2.5梯度洗脱,只有Protein L出现三个洗脱峰,且从SDS-PAGE胶图上,体现出更好的对于homodimer、部分3/4抗体、部分heavy-heavy chain、半抗以及部分轻链的去除效率;后续优化为step梯度并成功放大,收率86%、纯度73%(起始HCCF纯度30%)。
图13:左图为faricimab分子结构,靶点VEGF-A和Ang-2,采用CH1-CL CrossMab和KiH技术(Hx和Lx为crossed重链和轻链)。右图为评估不同亲和填料对faricimab双抗及杂质的去除能力差异。
此外,由于杂质间还存在多种非共价互作,造成原本不结合的杂质被共同洗脱下来,如重链二聚体和轻链二聚体形成的错配复合物【17,44,45】,如图14。加上其它错配(如3/4抗体、homodimer)的发生,也提示通过HPLC-SEC看分子大小之外,非还原SDS-PAGE、LC-MS、分析色谱等进行身份确认也是双抗检测的必要手段【17,18,28,37,45】。
图14:Faricimab HCCF 中错配物的模拟结构,与目标双抗相似。两条轻链通过二硫键结合,轻链二聚体通过非共价互作与重链二聚体结合,形成错配复合物。
结语
综上,MabSelect VL为代表的工业级Protein L亲和填料,利用双抗及杂质分子在亲和力强弱、结合价态以及分子量等方面的差异,有效去除多种副产物杂质,让片段亲和捕获再次站在聚光灯下,使得双抗等复杂分子的杂质去除更加易行,值得推广测试。
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图15:MabSelect VL相关产品货号
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