[论文解读] A solid approach to biopharmaceutical stabilisation

Aswin Doekhie, Rajeev Dattani+9 more|arXiv (Cornell University)|Nov 29, 2018

Monoclonal and Polyclonal Antibodies Research被引用 5

一句话总结

本文提出了一种基于溶胶-凝胶的包覆方法——ensilication，通过在单个蛋白质表面涂覆二氧化硅，实现生物制药在室温下的储存与运输。研究证实，破伤风类毒素C片段（TTCF）在包埋后仍保持免疫原性活性，SAXS分析揭示了其蛋白质-二氧化硅整合过程遵循扩散控制的团簇聚集机制。

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.

研究动机与目标

• 解决生物制药在储存和运输过程中，特别是在资源匮乏地区，因不稳定而带来的关键挑战。
• 克服传统冻干法和冷链依赖在疫苗分发中的局限性。
• 开发一种固态稳定化方法，无需预先形成的颗粒，即可保持蛋白质的结构与功能。
• 证明ensilication在多组分疫苗和治疗药物中的可行性。
• 利用时间分辨SAXS研究纳米尺度下蛋白质-二氧化硅相互作用的物理机制。

提出的方法

• 采用改进的溶胶-凝胶工艺，在无预先形成颗粒模板的情况下，直接在单个蛋白质周围形成二氧化硅基质。
• 利用时间分辨小角X射线散射（SAXS）实时监测TTCF-二氧化硅纳米颗粒的形成过程。
• 在中性pH条件下控制反应，诱导扩散控制的团簇聚集（DLCA）机制。
• 精确调控二氧化硅涂层，使其完全贴合蛋白质的流体动力学体积，最大限度减少结构扰动。
• 通过体内外免疫实验验证释放后蛋白质的免疫原性。
• 分析散射数据，量化蛋白质-二氧化硅复合物的生长动力学与结构演化过程。

实验结果

研究问题

• RQ1 ensilication是否能在常温条件下稳定生物制药如TTCF，且不损失其免疫原性？
• RQ2 在纳米尺度上，ensilication过程中蛋白质-二氧化硅相互作用的内在机制是什么？
• RQ3 二氧化硅涂层如何影响包埋蛋白质的结构完整性和功能？
• RQ4 ensilication工艺是否可推广至其他生物制药，包括多组分疫苗？
• RQ5 DLCA机制在蛋白质-二氧化硅纳米颗粒形成过程中起多大程度的主导作用？

主要发现

• 体内外免疫实验证实，TTCF在二氧化硅包埋并释放后仍保持完全的免疫原性。
• SAXS分析表明，ensilication在中性pH下通过扩散控制的团簇聚集（DLCA）机制进行。
• 蛋白质-二氧化硅界面具有精确适配性，二氧化硅完全贴合TTCF的流体动力学体积，未破坏其天然结构。
• TTCF-二氧化硅纳米颗粒在常温下长期储存后仍保持稳定与功能活性。
• 该过程无需预先形成的二氧化硅颗粒，可直接稳定单个蛋白质。
• 该方法与不适用于冻干的生物制药兼容，为新型稳定化路径提供了可能。