前言
抗体偶联药物(ADC)作为癌症治疗的“生物导弹”,其电荷异质性分析一直是质量控制的难点。本文通过对比两种关键技术(IEC vs. icIEF)1,揭示药物-连接子(linker-drug)如何“悄悄改变”ADC的分离行为,离子交换色谱(IEC)和成像毛细管等电聚焦(icIEF)如何“各显神通”!
一、ADC电荷异质性分析的“双重复杂性”:电荷与连接子的博弈
ADC由单克隆抗体(mAb)和细胞毒性药物通过连接子偶联而成,其电荷异质性分析的复杂体现在:
抗体电荷异质性:抗体本身的翻译后修饰(如脱酰胺化、氧化)会导致电荷差异;
连接子-药物的干扰:ADC偶联位点异构体(图1)和药物负载量(DAR)会影响分子表面电荷分布,进而干扰分离过程。
图1 不同DAR值二硫键偶联的ADC位置异构体,其中红点表示连接的药物。CE-SDS在变性且非还原条件下的链组成标示于每个异构体上方。
关键问题:相同DAR值的ADC位置异构体是否会影响电荷异质性检测?IEC和icIEF相比,谁更胜一筹呢?
二、实验揭秘:IEC vs. icIEF,谁更胜一筹?
(研究人员分别用IEC和icIEF两种方法对同一ADC的电荷变异体进行对比测试,一起来看看结果吧~)
离子交换色谱(IEC):IEC 就像个“细节控”——抓住偶联位点的小细节,连药物挂在抗体的“手臂”(臂区)还是“腰”(铰链区)都要区分。
IEC原理:基于分子表面电荷与色谱柱填料的静电相互作用分离,对偶联位点敏感。
IEC实验内容:研究人员选用了两种不同的ADC样品,在实验过程中,先利用疏水相互作用色谱(HIC)分峰收集了E2 /E4(即DAR2/DAR4组分,下文用E2/E4指代)组分,并用HIC重新分析每个馏分以确认纯度(图2)。HIC分析显示,ADC1的E2和E4组分的纯度分别为98.7%和90.2%,ADC2的E2和E4组分的纯度分别为96.5%和91.7%,均为高纯度样品。
图2 (a) ADC1全组分(上)、E2组分(中)和E4组分(下)的HIC检测图;(b) ADC2全组分(上)、E2组分(中)和E4组分(下)的HIC检测图
随后研究人员对ADC1和ADC2的裸抗以及各个组分采用WCX(弱阳离子交换色谱;IEC的子类)分析。随着药物负载从E2增加到E4,WCX图谱发生了显著变化,两种ADC抗体均表现为由原本的单个主峰分裂成为多个峰(如图 3 所示),结果表明WCX可以大致区分不同DAR值的ADC组分。但理论上E2/E4均为高纯度组分(≥90%),因此对于E2/E4中的各个组分(F1~F3)的组成还需要进一步分析。
图3 左图为ADC1,右图为ADC2;图片内容从上到下分别为(a) mAb, (b) ADC E2, (c) ADC E4和(d) ADC全组分WCX色谱图
为了进一步研究各组分对应的具体成分,研究人员将ADC1 E4的三个主成分F1、F2和F3通过WCX分峰收集,并进一步采用非还原毛细管凝胶电泳(nrCE-SDS)分析(图4)。结果表明,这些不同的峰对应着不同的偶联位点异构体,如E4的F1和F2组成均为L+HH,对应图1中E4AA的位置异构体,而F1被判断为F2的酸性变异体;E4-F3组成为LH,对应图1中E4HH的位置异构体。
图 4 (a)收集ADC1 E4的三个WCX馏分;(b) ADC1 E4, (c) WCX F1,(d) WCX F2和(e) WCX F3。
IEC小结:研究结果显示WCX(IEC的子类)能够有效地对不同DAR值组分和ADC位置异构体进行区分,然而因为每个不同DAR值组分和ADC位置异构体均可能具有自身的酸性和碱性变异体,这导致了ADC在WCX分离中的复杂性,即WCX检测到的ADC酸性和碱性变异体的百分比可能不代表其电荷变异体的真实含量。同时该实验也表明E4AA和E4HH是ADC1 E4中的主要成分,这与文献报道一致2,3。
(不同DAR值的组分或者ADC位置异构体在icIEF检测中是否也会被分离呢?接下来看看icIEF的表现吧~)
成像毛细管等电聚焦(icIEF):不看细节只抓整体——只要净电荷(pI)没变就是“一家人”。
icIEF原理:基于分子整体等电点(pI)分离。
icIEF实验内容:研究人员用mAb1以及由其衍生的ADC样品(E2、E4)同步进行了icIEF对比分析(图5)。结果显示单克隆抗体(mAb)与三个ADC主峰的pI值非常接近,表明连接子-药物mc-vc-MMAE大部分不带电荷,且偶联前后单克隆抗体的电荷几乎未发生改变。
图5 (a) mAb1, (b) ADC1 E2, (c) ADC1 E4, (d) ADC1全组分icIEF检测电泳图。
同时,随着药物负载从mAb1增加到E2再到E4,酸性峰比例显著上升(mAb 21.4%,E2 27.6%,E4 33.8%),这与连接子-药物mc-vc-MMAE可能发生琥珀酰亚胺环水解并增加酸性有关4。
icIEF小结:理论上,在无其他因素改变 ADC 电荷分布的情况下,随着药物荷载增加,酸性物质百分比应按 mAb < E2 < E4的顺序递增。而WCX在检测酸性峰比例时,并没有呈现出类似的明显趋势。这一对比提示,WCX在检测过程中受到DAR值和偶联位点的干扰较大,难以真实、准确地反映电荷变异体的实际比例;而icIEF检测并未受到这些干扰,结果更符合真实情况。
IEC vs. icIEF
icIEF方法由于影响因素少,通用性好等优点,目前被认为是电荷变异体检测的金标准,在生物制药领域已被广泛用于电荷异质性和pI的测定,且该方法已被收录于2020版中国药典通则3129单抗电荷变异体测定法中,作为药典标准方法;然而IEC也存在很多优势,例如:当重组单抗两条重链上都有天冬氨酸(Asp)或一条重链上有Asp而另一条重链上有异天冬氨酸(isoAsp)时,在icIEF中表现为具有相同pI的组分,但这些变体可以通过CEX解析5;重组鼠/人嵌合抗体的Fab片段中,焦谷氨酸(pyroGlu)在轻链或重链上时预期pI上没有差异,但可以通过强阳离子交换(SCX)柱进行解析6等。
三、行业启示:如何选择分析策略?
1. 早期开发:优先用 icIEF 快速筛查电荷变异体趋势,避免IEC因偶联位点复杂导致的误判。
2. 工艺优化:IEC结合 CE-SDS 或肽图分析(LC-MS),解析位置异构体分布,精细化指导偶联工艺优化。
3. 质量研究:采用“icIEF定量+IEC定性”组合策略,全面覆盖电荷异质性表征需求。
4. 未来方向:
二维毛细管电泳(2D-CE):结合尺寸和电荷分离,解决ADC多维度异质性问题;
质谱兼容IEF(MS-compatible IEF):直接联用质谱,实现电荷变异体结构的精准鉴定。
结语
ADC的分析就像一场“解谜游戏”,连接子-药物的微小变化都可能颠覆传统方法的结果,通过IEC/icIEF等多技术联用,我们才能更精准地“捕捉”这些复杂分子的真实面貌,为安全高效的生物药开发保驾护航!
参考文献
1.Zhaorui Zhang, Shiyue Zhou, Linjie Han, Qunying Zhang & Wayne A. Pritts(2019) Impact of linker-drug on ion exchange chromatography separation of antibody-drug conjugates. mAbs. 11:6, 1113-1121. doi: 10.1080/19420862.2019.1628589
2.Le LN, Moore JM, Ouyang J, Chen X, Nguyen MD, Galush WJ.
Profiling antibody drug conjugate positional isomers: a system-of-equations
approach. Anal Chem. 2012;84:7479–86. doi:10.1021/ac301568f.
3.Liu H, Chumsae C, Gaza-Bulseco G, Hurkmans K, Radziejewski CH.
Ranking the susceptibility of disulfide bonds in human IgG1 antibodies
by reduction, differential alkylation, and LC-MS analysis.
Anal Chem. 2010;82:5219–26. doi:10.1021/ac100575n.
4.Shen B-Q, Xu K, Liu L, Raab H, Bhakta S, KenrickM, Parsons-Reponte
KL, Tien J, Yu S-F,Mai E, Li D. Conjugation sitemodulates the in vivo
stability and therapeutic activity of antibody-drug conjugates. Nat
Biotech. 2012;30:184–89. doi:10.1038/nbt.2108.
5.Harris RJ, Kabakoff B, Macchi FD, Shen FJ, Kwong M, Andya JD, et al. Identification of multiple sources of charge heterogeneity in a recombinant antibody. J Chromatogr B Biomed Sci Appl. 2001;752:233–45. 10.1016/S0378-4347(00)00548-X.
6. Moorhouse KG, Nashabeh W, Deveney J, Bjork NS, Mulkerrin MG, Ryskamp T. Validation of an HPLC method for the analysis of the charge heterogeneity of the recombinant monoclonal antibody IDEC-C2B8 after papain digestion. J Pharm Biomed Anal. 1997;16:593–603. 10.1016/S0731-7085(97)00178-7.
图片来源:Zhaorui Zhang, Shiyue Zhou, Linjie Han, Qunying Zhang & Wayne A. Pritts(2019) Impact of linker-drug on ion exchange chromatography separation of antibody-drug conjugates. mAbs. 11:6,1113-1121.doi:10.1080/19420862.2019.1628589
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