[논문 리뷰] A solid approach to biopharmaceutical stabilisation

Aswin Doekhie, Rajeev Dattani외 9명|arXiv (Cornell University)|2018. 11. 29.

Monoclonal and Polyclonal Antibodies Research인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 단백질을 실리카로 코팅하는 sol-gel 기반의 방법인 ensilication을 제시한다. 이 방법을 통해 생물의약품을 실온에서 저장하고 운반할 수 있게 된다. tetanus toxoid C fragment (TTCF)가 봉입 후에도 항원성 유지됨을 입증하였으며, SAXS 분석을 통해 조절 가능한 단백질-실리카 통합을 이끄는 확산 제한 클러스터 응집 메커니즘이 존재하는 것으로 밝혀졌다.

ABSTRACT

Ensilication is a technology we developed that can physically stabilise proteins in silica without use of a pre-formed particle matrix. Stabilisation is done by tailor fitting individual proteins with a silica coat using a modified sol-gel process. Biopharmaceuticals, for example, liquid-formulated vaccines with adjuvants, have poor thermal stability. Heating or freezing impairs their potency. As a result, there is an increase in the prevalence of vaccine-preventable diseases in low-income countries even when there are means to combat them. One of the root causes lies in the problematic vaccine cold-chain distribution. We believe that ensilication can improve vaccine availability by enabling transportation without refrigeration. Here, we show that ensilication stabilises tetanus toxoid C fragment (TTCF) and demonstrate that this material can be stored and transported at ambient temperature without compromising the immunogenic properties of TTCF in vivo. TTCF is a component of the diphtheria, tetanus and pertussis (DTP) vaccine. To further our understanding of the ensilication process, and its protective effect on proteins we have studied the formation of TTCF-silica nanoparticles via time-resolved Small Angle X-ray Scattering (SAXS). Our results reveal ensilication to be a staged diffusion-limited cluster aggregation (DLCA) type reaction, induced by the presence of TTCF protein at neutral pH. Analysis of scattering data indicates tailor fitting of TTCF protein. The experimental in vivo immunisation data confirms the retention of immunogenicity after release from silica. Our results suggest that we could utilise this technology for multicomponent vaccines, therapeutics or other biopharmaceuticals that are not compatible with lyophilisation.

연구 동기 및 목표

• 저자원 환경에서의 생물의약품 저장 및 운송 중 불안정성 문제를 해결한다.
• 백신 유통에서 전통적인 냉동탈수 및 냉장 유지 의존성의 한계를 극복한다.
• 사전 형성된 입자를 사용하지 않고도 단백질의 구조와 기능을 유지하는 고체상 안정화 방법을 개발한다.
• 다성분 백신 및 의약품에 대해 ensilication의 가능성을 입증한다.
• 시간에 따라 변화하는 SAXS를 활용해 나노스케일에서의 단백질-실리카 상호작용 메커니즘을 조사한다.

제안 방법

• 사전 형성된 입자 템플릿 없이, 단일 단백질 주변에 직접 실리카 매트릭스를 형성하기 위해 수정된 sol-gel 공정을 적용한다.
• TTCF-silica 나노입자의 실시간 형성을 모니터링하기 위해 시간에 따라 변화하는 소각형 X선 산란(SAXS)을 활용한다.
• 중성 pH에서 확산 제한 클러스터 응집(DLCA) 메커니즘을 유도하기 위해 반응 조건을 제어한다.
• 단백질의 수소역학적 부피에 정확히 맞는 실리카 코팅을 통해 구조적 교란을 최소화한다.
• 실리카에서 방출된 후에 생체내 항원성 시험을 통해 항원성을 확인한다.
• 산란 데이터 분석을 통해 단백질-실리카 복합체의 성장 동역학과 구조적 진화를 정량화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Ensilication은 TTCF와 같은 생물의약품을 항원성 손실 없이 실온 조건에서 안정화시킬 수 있는가?
• RQ2 Ensilication 과정 중 나노스케일에서 단백질-실리카 상호작용의 기반이 되는 메커니즘은 무엇인가?
• RQ3 실리카 코팅이 봉입된 단백질의 구조적 안정성과 기능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 Ensilication 과정은 다성분 백신을 포함한 다른 생물의약품으로 일반화될 수 있는가?
• RQ5 DLCA 메커니즘이 단백질-실리카 나노입자의 형성에 얼마나 큰 영향을 미치는가?

주요 결과

• 생체내 항원성 시험을 통해 TTCF가 실리카에 봉입된 후에도 전체 항원성이 유지됨을 확인하였다.
• SAXS 분석을 통해 ensilication 과정가 중성 pH에서 확산 제한 클러스터 응집(DLCA) 메커니즘을 통해 진행됨을 밝혀냈다.
• 단백질-실리카 인터페이스는 정밀하게 맞춤형으로 형성되어, TTCF의 천연 구조를 손상시키지 않고 단백질의 수소역학적 부피에 정확히 따르고 있다.
• 결과적으로 형성된 TTCF-silica 나노입자는 실온에서 장기간 보관한 후에도 안정적이고 기능적으로 유지되었다.
• 사전 형성된 실리카 입자가 필요 없어, 개별 단백질의 직접 안정화가 가능하다.
• 냉동탈수에 불내성인 생물의약품과도 호환되어 새로운 안정화 경로를 제공한다.