Studie zum Ersatz der herkömmlichen Säulenchromatographie durch Membranchromatographie zur Reinigung monoklonaler Antikörper

Die traditionelle Festbettchromatographie ist ausgereift und zuverlässig, unterliegt jedoch Einschränkungen wie geringer Diffusionseffizienz, hohem Gegendruck und langsamen Verarbeitungsgeschwindigkeiten, wodurch es immer schwieriger wird, mit der kontinuierlich steigenden Produktivität vorgelagerter Prozesse Schritt zu halten. Kürzlich wurde eine Studie veröffentlicht inFortschritte in der Biotechnologiehat der Branche einen potenziellen Durchbruch beschert: Mit ihren Vorteilen außergewöhnlich hoher Produktivität und robuster Haltbarkeit könnte die Membranchromatographie eine wirksame Alternative zur Festbettchromatographie werden und die Landschaft der nachgelagerten mAb-Reinigung grundlegend verändern.

Forschungshintergrund

 

Die Studie bewertete systematisch verschiedene Arten von Membranchromatographiegeräten, darunter Ionenaustausch- und Protein-A-Affinitätsmembranen, und führte einen umfassenden Vergleich mit der herkömmlichen Festbettchromatographie in mehreren Dimensionen durch, einschließlich Bindungskapazität, Verunreinigungsentfernung, Lebensdauer und Gesamtreinigungsleistung. Für die Studie wurden drei rekombinante Proteine ​​ausgewählt-ein monoklonaler Antikörper (mAb) und zwei Fc-Fusionsproteine-, die den gesamten nachgelagerten Reinigungsprozess vom Einfangen bis zum Polieren abdecken. Die wichtigsten Testergebnisse lauten wie folgt:

 

1. Capture-Schritt: Protein-A-Membranchromatographie - Hohe Bindungskapazität bei kurzen Verweilzeiten

Die Protein-A-Chromatographie ist ein entscheidender Schritt bei der mAb-Erfassung. In der Studie wurde die Leistung von vier Protein-A-Membranen (drei kommerzielle Produkte und eine Prototypmembran) im Vergleich zu zwei Referenzharzen mit gepacktem -Bett bewertet:

• Hervorragende dynamische Bindungskapazität (DBC):Zwei Membranen erreichten DBC-Werte von über 50 g/L. Einige Membranen behielten selbst bei einer extrem kurzen Verweilzeit von 0,2 Minuten eine Bindungskapazität von 35–65 g/L bei, vergleichbar mit herkömmlichen gepackten -Bettharzen (37–55 g/L).
• Dramatische Produktivitätssteigerung:Die Verweilzeit der Membranchromatographie betrug nur 1/6–1/30 der herkömmlichen Säulenchromatographie (0,13–0,33 Min. vs. . 2–6 Min.), was zu a führte12- bis 35-fache Steigerung der Produktivität bei der Stapelverarbeitung.
• Stabile Erholung:Die Proteinrückgewinnung überstieg bei allen Membrangeräten 85 %. Die GORE-Membran erzielte mit 96 % die höchste Rückgewinnung, was im Wesentlichen mit herkömmlichen Festbettharzen (94–98 %) vergleichbar ist.
• Zu berücksichtigende Einschränkungen:Durch Membranchromatographie wurde ein Elutionsvolumen ermittelt1,4- bis 5-fach höherals herkömmliche Festbettharze, während die HCP-Clearance etwas schlechter war. Bei einigen Membranen erreichten die HCP-Werte im Eluat 7.000 ppm, verglichen mit 4.700 ppm bei herkömmlichen Festbettharzen. Daher,Um diese Einschränkung auszugleichen, sind möglicherweise zusätzliche Polierschritte erforderlich.

 

2. Polierschritt: Ionen-Austausch/multimodale Membranen - Effiziente Entfernung von Verunreinigungen bei schneller Verarbeitung

Das Hauptziel des Polierschritts besteht darin, restliche Verunreinigungen wie hochmolekulare Aggregate (HMW) und Wirtszellproteine ​​(HCP) zu entfernen. In der Studie wurden drei Arten der Membranchromatographie untersucht: Anionenaustausch- (AEX), Kationenaustausch- (CEX) und multimodale (MM) Membranen.

• Rekord-verdächtige Produktivität:Die Verweilzeit für die Membranchromatographie betrug nur0,17 Min, verglichen mit2–4 Minfür die traditionelle Säulenchromatographie, was aVerkürzung der Verweilzeit um das 12- bis 24-facheund eine dramatische Steigerung der Verarbeitungseffizienz.
• Verunreinigungsentfernung vergleichbar mit herkömmlicher Säulenchromatographie:Membranchromatographie erreichtHMW-Abstandsfaktoren von 4,2–5,5, was der Leistung von Capto Adhere-Harz (6) nahe kommt. DerDer HCP-Clearance-Faktor erreichte bis zu 60, wobei einige Membranen die herkömmliche -Festbettchromatographie übertreffen.
• Wettbewerbsfähige Proteingewinnung:Die meisten Membranen erreichtProteinausbeute über 90 %und bei einigen Fc--Fusionsproteinen war die Ausbeute sogar höher als bei der herkömmlichen Säulenchromatographie.

 

3. Vollständige-Prozessvalidierung: Membranchromatographie ermöglicht hoch-reine Reinigung

Die Studie ergab eineintegrierter membranbasierter Reinigungsprozess, der Protein A-Einfang mit Polieren kombiniert, und verglich es direkt mit einem herkömmlichen Festbett-Chromatographieverfahren:

• Hohe-Reinheitsleistung:Nach dem vollständigen membranbasierten Reinigungsprozess wurden die HCP-Gehalte in Fc--Fusionsproteinen auf reduziertunter 50 ppm, mit Aggregaten (HMW-Arten) beiWeniger als oder gleich 0,5 %. Für den monoklonalen Antikörper wurde HCP auf reduziert226 Seiten pro Minute, mit Aggregaten bei1.0%, was der Leistung des herkömmlichen Festbettchromatographieverfahrens nahekommt (11 ppm HCP und 0,7 % Aggregate).
• Höhere Gesamtwiederherstellung:Die Gesamtwiederherstellung des Fc-Fusionsproteins wurde erreicht89%, was war19 % höherals die des herkömmlichen gepackten{0}}Bettchromatographieverfahrens. Für den monoklonalen Antikörper war die Erholung73%, vergleichbar mit dem herkömmlichen Festbettverfahren.
• Starke Verschmutzungsbeständigkeit:Die Membranchromatographie zeigte eine bessere Toleranz gegenüber Ausgangsmaterialien mit hoher Verunreinigungsbelastung und blieb auch dann wirksam, wenn dieDie anfängliche HCP-Konzentration erreichte 150.000 ppm.

 

4. Lebensdauer: Stabiler Betrieb für 100+ Zyklen entspricht den Herstellungsanforderungen

Die Haltbarkeit der Membran ist ein entscheidender Faktor für die industrielle Anwendung. Die Studie bewertete die Membranstabilität durch201 aufeinanderfolgende Betriebszyklen:

• Verlängerte Lebensdauer:Sieben der acht Membranen sind fertiggestelltmehr als 100 Zyklen, während der Prototyp der multimodalen (MM) Membran erreicht wurde201 Zyklenohne wesentliche Leistungseinbußen.
• Stabile Leistung:Während der gesamten FahrradstudieDie Proteinrückgewinnung blieb bei etwa 90 %, ohne signifikanten Rückgang der HMW- oder HCP-Entfernungsleistung. Auch die Druckprofile blieben stabil.
• Geeignet für Fertigungsanwendungen:Die meisten Membranen waren tragfähigmindestens einen kompletten Produktionszyklus, während einige mehrere Stapel unterstützen könnten. Akkumulierte Druckanstiege könnten durch eine Optimierung gemildert werdenClean-in-Strategie (CIP)..

 

Technische Highlights: Warum kann die Membranchromatographie die herkömmliche Säulenchromatographie ersetzen?

Die Hauptvorteile der Membranchromatographie ergeben sich aus ihrer einzigartigen Flachmembranstruktur. Im Vergleich zu herkömmlichen porösen Chromatographieharzen bietet die Membranchromatographie drei wesentliche Unterschiede:

1. Innovativer Stoffaustauschmechanismus:Membranen basieren hauptsächlich auf konvektivem Stofftransport, sodass Proteine ​​nicht in poröse Medien diffundieren müssen. Dies reduziert die Verweilzeit erheblich und ermöglicht eine wesentlich schnellere Verarbeitung.
2. Deutlich geringerer Gegendruck:Die flache-Blattstruktur sorgt für einen geringen Strömungswiderstand und kann höhere Durchflussraten aufnehmen, wodurch die Gegendruckbeschränkungen überwunden werden, die üblicherweise mit der herkömmlichen Säulenchromatographie einhergehen.
3. Starke Prozessanpassungsfähigkeit:Die Membranchromatographie ist mit der kontinuierlichen Fertigung kompatibel und kann die hohe Produktivität vorgelagerter Prozesse besser erreichen. Darüber hinaus können der geringere Platzbedarf der Anlage und der geringere Bedarf an Membranmedien dazu beitragen, die Gesamtherstellungskosten zu senken.

Natürlich hat die Membranchromatographie auch gewisse Einschränkungen. Dazu gehörengrößere Elutionsvolumina, die zusätzlichen Pufferverbrauch erfordern; die Notwendigkeit einer weiteren Verbesserung der Verunreinigungsentfernung bei anspruchsvollen Proben wie zbispezifische Antikörper (bsAbs); und begrenzte Verfügbarkeit einiger Membranprodukte in großen Produktionsmaßstäben. Diese Herausforderungen können jedoch schrittweise durch optimiertes Gerätedesign, die Einbeziehung zusätzlicher Tiefenfiltrationsschritte und andere Prozessverbesserungen angegangen werden.

Auswirkungen auf die Industrie: Die Herstellung monoklonaler Antikörper tritt in eine Ära der hocheffizienten Reinigung ein

Die Ergebnisse dieser Studie geben der biopharmazeutischen Industrie eine klare Richtung für den technologischen Fortschritt vor. Für herkömmliche Reinigungsverfahren für mAb- und Fc--Fusionsproteine, bei denen eine hohe Produktivität im Vordergrund steht,Die Membranchromatographie hat das Potenzial, die herkömmliche Säulenchromatographie mit gepackten Betten vollständig zu ersetzen. Auch bei komplexeren Rohstoffen kann eine Kombinationsstrategie aus Membranchromatographie und herkömmlichen Chromatographieharzen dazu beitragen, ein optimales Gleichgewicht zwischen Verarbeitungseffizienz und Produktreinheit zu erreichen.

Da die Membranmaterialtechnologien weiter voranschreiten, wird erwartet, dass zukünftige Entwicklungen den Pufferverbrauch weiter reduzieren und die Skalierbarkeit verbessern, was die biopharmazeutische Industrie vorantreiben wirdkontinuierliche, hoch{0}effiziente und kostengünstige -Fertigung.

Für biopharmazeutische HerstellerDie frühzeitige Einführung und der strategische Einsatz der Membranchromatographie könnten zu einem wichtigen Wettbewerbsvorteil auf dem sich entwickelnden Markt werden.