最新研究成果 | 清華大學(xué)藥學(xué)院錢鋒課題組在單抗聚集動(dòng)力學(xué)、溶液穩(wěn)定性機(jī)制及高濃度單抗制劑應(yīng)用開發(fā)中取得系列新進(jìn)展
時(shí)間：2022-04-29 18:22:02學(xué)院：藥學(xué)院學(xué)校：清華大學(xué)
? ? 近期，清華大學(xué)藥學(xué)院錢鋒教授課題組在International Journal of Pharmaceutics和Molecular Pharmaceutics等國(guó)際工業(yè)藥劑學(xué)重要期刊上發(fā)表系列文章，揭示單抗聚集動(dòng)力學(xué)過(guò)程、溶液穩(wěn)定性機(jī)制，并探索了單抗混懸液作為高濃度制劑開發(fā)的可能性。
? ? 單抗（Monoclonal Antibody, mAb）是當(dāng)今發(fā)展最為迅速的一類生物大分子藥物，具有靶向性強(qiáng)、副作用小等優(yōu)勢(shì)。由于單抗的高劑量和皮下及局部（比如，玻璃體內(nèi)）注射小體積需求，其制劑常常是高濃度膠體溶液，使得單抗分子在其中的相互作用變得更為復(fù)雜，對(duì)單抗的結(jié)構(gòu)和膠體穩(wěn)定性都可帶來(lái)負(fù)面影響，并加速不可逆的單抗聚集。單抗聚集不僅會(huì)降低藥效，損害產(chǎn)品表觀質(zhì)量，其更大隱患是導(dǎo)致病人過(guò)敏反應(yīng)而降低用藥的安全性。因此，對(duì)單抗聚集動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)和穩(wěn)定性機(jī)制的研究顯得尤為重要。同時(shí)，探索開發(fā)新型高濃度單抗混懸液制劑也具有顯著的工業(yè)應(yīng)用價(jià)值。
? ? 課題組博士生田周1從物理化學(xué)、膠體科學(xué)層面深度探究了影響單抗溶液相分離和聚集的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)因子和溶液理化因素。研究發(fā)現(xiàn)，單抗分子在相分離過(guò)程中以一級(jí)動(dòng)力學(xué)規(guī)律聚集成核且不斷長(zhǎng)大并形成高濃度的單抗液滴，最終沉降形成明顯的相分離狀態(tài)。本研究從單抗聚集動(dòng)力學(xué)角度定義了可量化的關(guān)鍵動(dòng)力學(xué)參數(shù)，如成核速率(Knucleation)，生長(zhǎng)速率(Kgrowth)以及核生長(zhǎng)起始時(shí)間(tonset)，用于評(píng)估溶液中單抗聚集速率及制劑條件的優(yōu)劣。
? ? 課題組博士生田周2針對(duì)蛋白-蛋白相互作用，蛋白-輔料相互作用的模式展開了相關(guān)研究。通過(guò)引入高電荷密度的小分子ATP（三磷酸腺苷）探究電荷對(duì)單抗溶液膠體穩(wěn)定性的影響，從分子層面上解釋了影響單抗制劑穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素。研究發(fā)現(xiàn)，ATP通過(guò)靜電相互作用與mAb形成ATP-mAb復(fù)合物，改變了單抗分子的表面電荷和疏水區(qū)域分布，使得蛋白-蛋白間相互吸引力增強(qiáng)從而誘發(fā)單抗溶液膠體行為的變化。該研究表明，單抗溶液制劑中的微小輔料改變，有可能顯著改變?nèi)芤褐苿┲袉慰怪g的相互作用方式和強(qiáng)度，從而誘導(dǎo)液-液相分離等一系列溶液制劑穩(wěn)定性風(fēng)險(xiǎn)。?
? ? 課題組博士生黃成楠3針對(duì)高濃度單抗制劑開發(fā)存在的巨大挑戰(zhàn)探索了抗體混懸液作為高濃度制劑開發(fā)的可能性，并研究了制備單抗固體顆粒所用噴霧干燥技術(shù)的關(guān)鍵參數(shù)和物理過(guò)程對(duì)單抗穩(wěn)定性的影響。研究發(fā)現(xiàn)，相較于相同濃度抗體溶液，混懸液可以顯著降低制劑黏度，提高產(chǎn)品可開發(fā)性。與此同時(shí)，抗體在經(jīng)歷一系列工藝過(guò)程后仍保持著較好的構(gòu)象穩(wěn)定性和生物活性。本研究不僅從概念上驗(yàn)證了單抗混懸液作為一類新型高濃度制劑形式的可能性，還在具體技術(shù)實(shí)施路徑上進(jìn)行了探索和研究，具有顯著的工業(yè)指導(dǎo)價(jià)值。
研究1和2經(jīng)費(fèi)來(lái)源于清華大學(xué)結(jié)構(gòu)生物學(xué)高精尖創(chuàng)新中心、國(guó)家自然科學(xué)基金和強(qiáng)生制藥，研究3經(jīng)費(fèi)來(lái)源于國(guó)家自然科學(xué)基金和拜耳醫(yī)藥。
1.?Tian, Z.;? Xu, L.;? Zhang, N.; Qian, F., First-order nucleation and subsequent growth promote liquid-liquid phase separation of a model IgG1 mAb.?Int J Pharm2020, 588, 119681.
原文鏈接：? ??? ?https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0378517320306657?via%3Dihub
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2.?Tian, Z.; Qian, F., Adenosine Triphosphate-Induced Rapid Liquid-Liquid Phase Separation of a Model IgG1 mAb.?Mol Pharm2021, 18 (1), 267-274.
原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.molpharmaceut.0c00905?ref=pdf
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3.?Huang, C.;? Chen, L.;? Franzen, L.;? Anderski, J.; Qian, F., Spray-Dried Monoclonal Antibody Suspension for High-Concentration and Low-Viscosity Subcutaneous Injection.?Mol Pharm2022.
原文鏈接：?https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.molpharmaceut.2c00039?ref=pdf
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? ? 單抗（Monoclonal Antibody, mAb）是當(dāng)今發(fā)展最為迅速的一類生物大分子藥物，具有靶向性強(qiáng)、副作用小等優(yōu)勢(shì)。由于單抗的高劑量和皮下及局部（比如，玻璃體內(nèi)）注射小體積需求，其制劑常常是高濃度膠體溶液，使得單抗分子在其中的相互作用變得更為復(fù)雜，對(duì)單抗的結(jié)構(gòu)和膠體穩(wěn)定性都可帶來(lái)負(fù)面影響，并加速不可逆的單抗聚集。單抗聚集不僅會(huì)降低藥效，損害產(chǎn)品表觀質(zhì)量，其更大隱患是導(dǎo)致病人過(guò)敏反應(yīng)而降低用藥的安全性。因此，對(duì)單抗聚集動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)和穩(wěn)定性機(jī)制的研究顯得尤為重要。同時(shí)，探索開發(fā)新型高濃度單抗混懸液制劑也具有顯著的工業(yè)應(yīng)用價(jià)值。
? ? 課題組博士生田周1從物理化學(xué)、膠體科學(xué)層面深度探究了影響單抗溶液相分離和聚集的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)因子和溶液理化因素。研究發(fā)現(xiàn)，單抗分子在相分離過(guò)程中以一級(jí)動(dòng)力學(xué)規(guī)律聚集成核且不斷長(zhǎng)大并形成高濃度的單抗液滴，最終沉降形成明顯的相分離狀態(tài)。本研究從單抗聚集動(dòng)力學(xué)角度定義了可量化的關(guān)鍵動(dòng)力學(xué)參數(shù)，如成核速率(Knucleation)，生長(zhǎng)速率(Kgrowth)以及核生長(zhǎng)起始時(shí)間(tonset)，用于評(píng)估溶液中單抗聚集速率及制劑條件的優(yōu)劣。
圖一：?jiǎn)慰谷芤喊l(fā)生相分離的動(dòng)力學(xué)過(guò)程——成核與生長(zhǎng)。
?? ? 課題組博士生田周2針對(duì)蛋白-蛋白相互作用，蛋白-輔料相互作用的模式展開了相關(guān)研究。通過(guò)引入高電荷密度的小分子ATP（三磷酸腺苷）探究電荷對(duì)單抗溶液膠體穩(wěn)定性的影響，從分子層面上解釋了影響單抗制劑穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素。研究發(fā)現(xiàn)，ATP通過(guò)靜電相互作用與mAb形成ATP-mAb復(fù)合物，改變了單抗分子的表面電荷和疏水區(qū)域分布，使得蛋白-蛋白間相互吸引力增強(qiáng)從而誘發(fā)單抗溶液膠體行為的變化。該研究表明，單抗溶液制劑中的微小輔料改變，有可能顯著改變?nèi)芤褐苿┲袉慰怪g的相互作用方式和強(qiáng)度，從而誘導(dǎo)液-液相分離等一系列溶液制劑穩(wěn)定性風(fēng)險(xiǎn)。?
圖二：靜電相互作用誘導(dǎo)ATP-mAb復(fù)合物的形成，進(jìn)而改變?nèi)芤旱哪z體行為。
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圖三：?jiǎn)慰够鞈乙旱募夹g(shù)實(shí)施路徑：1，使用噴霧干燥技術(shù)制備穩(wěn)定單抗固體顆粒；2，選取非水相有機(jī)溶劑混懸單抗顆粒獲得高濃度、低黏度混懸液。
?研究1和2經(jīng)費(fèi)來(lái)源于清華大學(xué)結(jié)構(gòu)生物學(xué)高精尖創(chuàng)新中心、國(guó)家自然科學(xué)基金和強(qiáng)生制藥，研究3經(jīng)費(fèi)來(lái)源于國(guó)家自然科學(xué)基金和拜耳醫(yī)藥。
1.?Tian, Z.;? Xu, L.;? Zhang, N.; Qian, F., First-order nucleation and subsequent growth promote liquid-liquid phase separation of a model IgG1 mAb.?Int J Pharm2020, 588, 119681.
原文鏈接：? ??? ?https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0378517320306657?via%3Dihub
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2.?Tian, Z.; Qian, F., Adenosine Triphosphate-Induced Rapid Liquid-Liquid Phase Separation of a Model IgG1 mAb.?Mol Pharm2021, 18 (1), 267-274.
原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.molpharmaceut.0c00905?ref=pdf
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3.?Huang, C.;? Chen, L.;? Franzen, L.;? Anderski, J.; Qian, F., Spray-Dried Monoclonal Antibody Suspension for High-Concentration and Low-Viscosity Subcutaneous Injection.?Mol Pharm2022.
原文鏈接：?https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.molpharmaceut.2c00039?ref=pdf
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