基于成像毛細管等電聚焦（iCIEF）的餾分收集和在線質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)用于表征治療性抗體的電荷異質(zhì)性
近期,，在Analytical Methods上發(fā)表的一篇文章，介紹了基于成像毛細管等電聚焦（iCIEF）的餾分收集和在線質(zhì)譜聯(lián)用的分析平臺來表征抗體電荷異質(zhì)性,。抗體的電荷變異體經(jīng)過iCIEF分離后：1）通過MS直接檢測分子量,；2）通過組分收集的方式獲取異構(gòu)體的純組分,，并用HPLC-MS分析其完整分子量。研究發(fā)現(xiàn),，由于iCIEF-MS的檢測靈敏度高于HPLC-MS,，因此能在mAb的電荷變異體分析中，iCIEF-MS能觀察到HPLC-MS無法檢測到的一些低豐度的糖型,。這是因為iCIEF-MS中使用的流速（小于5 μL/min）遠低于HPLC-MS中使用的流量（300 μL/min）,，較低的流速導(dǎo)致在ESI離子化時產(chǎn)生更高的溶劑蒸發(fā)效率和質(zhì)譜效率。此外,，iCIEF分離時的聚焦預(yù)濃縮也有助于提高靈敏度,。
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原文見：Anal. Methods, 2023, 15, 411
抗體的電荷異質(zhì)性可能由于翻譯后修飾（PTMs）、降解反應(yīng)（如脫酰胺,、C-末端賴氨酸加工和糖基化）而產(chǎn)生,。電荷變異體的存在可能會導(dǎo)致產(chǎn)品功效和藥代動力學(xué)改變、產(chǎn)品完全失活,，或在最壞情況下增強免疫原性,。
生物技術(shù)行業(yè)中最常見的電荷變異體檢測方法包括離子交換色譜法（IEX）、傳統(tǒng)等電聚焦法（IEF）和成像毛細管等電聚焦（iCIEF）?；诘入婞c（pI）分離的iCIEF技術(shù)正成為整個制藥行業(yè)中蛋白質(zhì)電荷異質(zhì)性表征的金標準,。此外，后續(xù)的質(zhì)譜（MS）分析將為電荷變異體及其結(jié)構(gòu)提供有力和全面的分析,。盡管為此目的使用了不同的色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù),，但大多數(shù)技術(shù)都不能準確區(qū)分具有微小等電點（pI）差異的蛋白質(zhì)異構(gòu)體。毛細管電泳（CE）與質(zhì)譜聯(lián)用一直被認為是生物制藥的一種有效的分析策略,，包括毛細管區(qū)帶電泳法,、cIEF和微流控毛細管電泳作為分離前端。具體而言,，iCIEF和cIEF的快速,、高分離分辨率與MS的分子量鑒定相結(jié)合，將為電荷異質(zhì)性提供深度的分析,。最近,，iCIEF或cIEF已被證明是質(zhì)譜檢測時的一種強大的前端分離工具，但仍需要改進以應(yīng)對更高靈敏度,、更高通量和更人性化操作方面的挑戰(zhàn),。
至于蛋白質(zhì)電荷變異體的制備，傳統(tǒng)的離線餾分收集技術(shù),，如等電聚焦（IEF）和自由流電泳（FFE）,，對于電荷變異體的制備來說，是一個更加繁瑣的過程,。此外,，傳統(tǒng)平板凝膠IEF方法收集的電荷變異體的數(shù)量和純度通常不足以進行進一步表征。目前,，IEX已經(jīng)被用于蛋白質(zhì)電荷變異體的餾分收集,。盡管IEX和IEF都是基于電荷的蛋白質(zhì)分離方法，但它們依賴于不同的分離原理,，因此,，蛋白質(zhì)電荷變異體之間可能沒有很好的相關(guān)性。由于IEX提供的分離分辨率較低,，IEX餾分的純度和鹽含量通常不令人滿意,。在傳統(tǒng)的毛細管電泳（CE）儀器上，傳統(tǒng)CIEF樣品區(qū)帶的分離和收集是不實用的,，并且在商業(yè)上是不可用的,。因此，iCIEF分析,、iCIEF-MS串聯(lián)技術(shù),、制備iCIEF的餾分收集的集成平臺成為一種非常理想的方法,，可以增強蛋白質(zhì)藥物的電荷變異體表征能力。
在本研究中,，使用了加拿大AES公司開發(fā)的一種集成的iCIEF平臺,，對一種治療性單克隆抗體的電荷變異體進行表征。使用iCIEF分析模式對抗體的主成分及其四種電荷變異體進行了分析,，并當(dāng)完成蛋白質(zhì)在分離毛細管內(nèi)的聚焦后,，以制備模式對兩種主要的酸性和堿性電荷變異體進行餾分收集。收集的電荷變異體餾分在完整蛋白質(zhì)水平上通過LC-MS進行表征,，LC-MS的表征結(jié)果與使用iCIEF-MS表征的結(jié)果一致,。該平臺集成的三種iCIEF操作模式的可以通過更換定制的毛細管分離柱進行快速靈活地切換。蛋白質(zhì)異構(gòu)體表征的整體研究策略是追求分析方法的簡便性,、可靠性,、準確性，而這種集成的分析平臺將為生物制藥行業(yè)的蛋白質(zhì)異構(gòu)體表征提供了全面的解決方案,。
CEInfinite iCIEF分析兼制備型全柱成像毛細管電泳系統(tǒng)
iCIEF制備與iCIEF-MS
AES 公司的iCIEF制備技術(shù)可以實現(xiàn)高純度,、多異構(gòu)體、帶電蛋白質(zhì)產(chǎn)物的分離,、制備和收集,，如圖1A所示。蛋白質(zhì)聚焦完成后,，用低濃度酸溶液作為遷移溶劑,，以100–160 nL/min的流速從注射泵中流出，將聚焦的蛋白質(zhì)區(qū)帶從分離毛細管中依次推出,，觀察到的變異體峰被餾分收集，整個遷移過程中需保持高電壓,。
iCIEF-MS系統(tǒng)采用了與餾分收集相同的壓力遷移技術(shù),，如圖1B所示，iCIEF與MS的連接不需要對離子源進行特殊修改,，并且可以直接連接到來自不同質(zhì)譜品牌的質(zhì)譜儀離子源,。在iCIEF分離過程中，使用的獨特涂層的毛細管,，使得iCIEF過程不需要添加聚合物MC和尿素,。在50 nL/min流速下的0.1%甲酸遷移溶液和鞘液（水：乙腈=1:1 v/v，含有0.5%v/v甲酸）的作用下,，毛細管中聚焦后的蛋白質(zhì)區(qū)帶被無縫地引入MS離子源,。
iCIEF中的餾分收集和在線MS分析模式可以快速靈活地切換，只需更換定制的毛細管即可實現(xiàn),，而無需改變儀器配置,。
圖1:（A）iCIEF制備收集和（B）在線iCIEF-MS的原理
iCIEF-UV 分析mAb
如圖2所示,，在iCEIF-UV中使用100μm ID FC涂層毛細管很好地分離了mAb的主成分、酸性變異體（A1–A2）和堿性變異體（B1–B2）,。整個iCIEF分析時間不到10分鐘,。表1中給出了基于蛋白質(zhì)組分的峰面積和pI的物質(zhì)百分比。蛋白質(zhì)主成分和四種電荷變異體的pI在6.5–8.5 pH范圍內(nèi),，峰面積的重復(fù)性在RSD 5.0%以下（n=6）,。觀察到痕量的酸性峰A1和堿性峰B2，其百分比分別為5.4%和2%,。酸性A2和堿性B1是主要的電荷變異體,，其百分比分別為16.7%和21.0%。
圖2：單克隆抗體的iCIEF-UV分析譜圖
表1 iCIEF分析mAb的電荷變異體的pIs和相對峰面積
iCIEF制備用于mAb主成分和電荷變異體的餾分收集
在制備型iCIEF上使用320 μm ID的AD涂層毛細管柱用于分離mAb的主成分和兩種電荷變異體（酸性A2和堿性B1）,，然后通過HPLC-MS進行完整蛋白質(zhì)分析,。如圖3所示，所有預(yù)期的蛋白質(zhì)電荷變異體的峰首先通過施加高電壓沿著分離毛細管聚焦,，然后由納升注射泵將聚焦的蛋白區(qū)帶遷移到轉(zhuǎn)移毛細管中,，用于組分收集。收集過程是自動化的,，通過連續(xù)運行制備,，能在三天內(nèi)分離出50-100 mg蛋白質(zhì)。如圖3（左）所示,，由納升注射泵驅(qū)動的遷移過程允許蛋白質(zhì)的聚焦區(qū)帶移出分離毛細管,，用于餾分收集。在遷移過程中,，施加高電壓以保持分離分辨率,。圖4證明了iCIEF制備對三個餾分的優(yōu)異重復(fù)性，這足以確保通過多次制備獲得足夠多的高純度蛋白電荷變異體組分,。使用iCIEF-UV對收集餾分再次分析,，結(jié)果表明三個餾分中每個峰的純度都在70.0%以上，收集量在50 mg以上,，相應(yīng)的回收率在20-40%之間,。在餾分收集之后，對三個收集的餾分進行HPLC-MS分析以進行完整分子量的鑒定（圖6A）,。隨后可以通過LC-MS/MS的深度肽圖譜表征來進行電荷修飾的鑒定,，該研究正在進行中。
圖3 iCIEF制備收集中的電荷變異體蛋白區(qū)帶遷移過程
圖4 主成分及其兩種主要電荷變異體的組分收集的重復(fù)性（n=6）
iCIEF-MS分析mAb
iCIEF-MS系統(tǒng)它允許mAb樣品在完整蛋白水平上快速篩選鑒定電荷變異體,，且不需要進行餾分收集,。iCIEF-MS使分離的蛋白質(zhì)電荷變異體能夠直接注射到高靈敏度MS中，從而保留了前端iCIEF的優(yōu)異分離分辨率,。而與MS接口的無縫連接是基于微流,，低流速又能幫助提高質(zhì)譜檢測蛋白質(zhì)的靈敏度,。
如圖6B所示，使用窄pH范圍的兩性電解質(zhì)（pH 7-8）和200 μm ID MC涂層毛細管,，在45分鐘內(nèi)通過iCIEF-MS成功表征了mAb的主成分和四種電荷變異體（兩種酸性和兩種堿性變異體）,，同時通過全柱成像檢測記錄了其在質(zhì)譜檢測前的iCIEF-UV圖譜。由于采用了新型的MC涂層分離毛細管,，這種iCIEF-MS在線聯(lián)用策略避免了在樣品緩沖液中使用MC溶液作為添加劑,。本研究中建立的iCIEF-MS比報道的單點檢測的cIEF-MS結(jié)果顯示出更高的通量，單點檢測分析時間超過1小時,。此外,，iCIEF-MS通過避免常規(guī)cIEF-MS所使用的繁瑣的化學(xué)遷移，大大提高了可重復(fù)性,。我們的研究表明,，本研究中的iCIEF-MS靈敏度優(yōu)異，尤其是對微量的變異體A1和B2,，如圖6B所示,。
圖6：（A）HPLC-MS和（B）iCIEF-MS分析mAb電荷變異體
iCIEF-MS與HPLC-MS分析mAb完整分子量的比較
主成分和兩種電荷變異體（酸性A2和堿性B1）的MW鑒定利用收集組分的LC-MS分析和在線iCIEF-MS表征進行了比較（圖7）。在iCIEF-MS的質(zhì)譜中觀察到了mAb的一些低豐度的糖型,，但使用HLPC-MS方法沒有檢測到這些糖基化類型,。這體現(xiàn)了iCIEF-MS的靈敏度要高于HPLC-MS，因為iCIEF-MS中所使用的流速（小于5 μL/min）遠低于HPLC-MS中使用的流速（300 μL/min）,。較低的流速導(dǎo)致更高的溶劑蒸發(fā)效率和質(zhì)譜效率,。此外，iCIEF分離中的聚焦預(yù)濃縮也有助于提高靈敏度,。這項研究表明,，該iCIEF-MS平臺可以進行極其快速的指紋識別，并為可能識別靶向電荷變異體提供初步說明,。收集餾分的LC-MS分析有助于在完整和肽圖水平上進行深入表征,。
圖7：通過HPLC-MS對收集的餾分和在線iCIEF-MS對電荷變異體（A）主成分（B）酸性A2（C）堿性B1進行表征
這是首次在一臺儀器上提供集成iCIEF-UV、餾分收集和iCIEF-MS聯(lián)用的分析平臺,。以前，由于iCIEF中的蛋白質(zhì)峰不能被收集或MS在線檢測,，當(dāng)iCIEF分離完成時,，必須使用傳統(tǒng)的IEX、IEF和FFE來制備觀察到的蛋白質(zhì)電荷變異體,。然而,，由于IEX、IEF和FFE與iCIEF技術(shù)的分離機制和分辨率不同,，所收集的餾分通常不能很好地與iCIEF的結(jié)果相匹配,，并且由于長時間的操作過程和使用了較強烈的化學(xué)試劑,，蛋白在餾分收集過程中往往會發(fā)生變性。而在本研究的中建立的制備iCIEF很好地解決了蛋白質(zhì)電荷變異體制備中的這一挑戰(zhàn),。
參考文獻：略
原文請參考：Teresa Kwok, Mike Zhou, Anna Schaefer. Fractionation and online mass spectrometry based on imaged capillary isoelectric focusing (icIEF) for characterizing charge heterogeneity of therapeutic antibody. Anal. Methods,2023,15,411
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