在线多维液相色谱-质谱法对单抗电荷变异的深度表征

大家好，本周为大家分享一篇发表在Analytical Chemistry的文章，In-Depth Characterization of mAb Charge Variants by On-Line Multidimensional Liquid Chromatography-Mass Spectrometry^[1]。本文的通讯作者是中国复宏汉霖生物制品有限公司的刘卓宇博士。

　　重组单克隆抗体(mAbs)正成为肿瘤和自身免疫性疾病最成功的治疗方法之一。与传统的小分子药物不同，抗体在电荷、大小和糖型上都非常不均匀。单克隆抗体的电荷异质性通常是由细胞培养、纯化和储存过程中发生的翻译后修饰(PTM)引起的。电荷变异由于其对单克隆抗体的安全性和有效性的潜在影响而引起了人们的注意。

CEX通常用于组分收集，以收集纯化的变体进行结构征，然而，在CEX分离中使用的非挥发性离子试剂与MS检测器直接耦合时，往往会造成电离抑制和污染。为了避免这些问题，CEX馏分应在进一步LC-MS分析之前进行脱盐和浓缩。传统的峰收集、纯化和随后的组分表征方法是劳动密集型和耗时的，组分在这么长的时间里不稳定。此外，传统CEX-MS在分析分子量变化较小PTMs时难以进行表征。 在最近的研究中，基于CEX和MS的多维液相质谱技术，已经在研究电荷变异体上展现了诸多优点。通过CEX的组分收集和MS的分析，多维液相质谱实现了对电荷变异体的实时表征，在缩短了检测时间的同时，也减少了由于传统手工方法诱导的人工PTMs，并且能够得到之前无法检测到的不稳定的中间体。

该技术具有较好的重现性和灵敏度，对PTM的序列可实现高覆盖率的表征。在所开发的方法中，在1D CEX上分离的11种电荷变体在自动进样器中被收集到96孔板中。随后，通过多次进样，将单个馏分装入二维柱上进行预浓缩，以收集适当的量。这种新方法能够自动收集低丰度的多种电荷变体，然后通过不同的在线过程进行彻底的表征，包括分子量分析、肽图谱和Fc-γ-RIIIa受体亲和力评估。

　　图1. mAb-A1和mAb-A2的CEX谱。通过优化的纯化工艺去除mAb-A1中的B5-B8峰，以消除信号肽相关变异，命名为纯化抗体mAb-A2。

　　如图1所示，mAb-A的CEX图谱显示出较高的电荷异质性，PTM引起的mAb-A1电荷异质性可能对产品的安全性和有效性构成潜在风险。虽然不需要的电荷变体可以通过下游净化过程消除，但变体的去除会显著降低产量，从而增加成本。因此，需要对mAb-A1电荷变体进行深入研究，以确定其对产品质量的影响，并为工艺优化提供信息。研究中，先通过2DLC(CEX × RP-C4)-MS分析鉴定了11个mAb-A1电荷变体，包括2个AP (A1和A2)， 1个MP和8个BP (B1-B8)。一方面，2DLC(CEX × RP-C4)-MS方法具有时间效率，每个峰只需40分钟。另一方面，2DLC(CEX × RP-C4)-MS法省力。省去了传统脱机分析所需的超滤、预富集、脱机还原等人工操作。

　　变体在亚单位水平上通过高分辨率质谱初步鉴定。如图2所示，重链的TIC图谱在所有电荷变体中是一致的;通过对HC1和HC2峰的质谱分析，确定了HC上的PTMs，这些PTM是常见的，已报道对抗体的安全性和有效性影响不大。去卷积质谱显示，B5、B6、B7和B8的LC1峰被RVHS-LC2 (Arg-Val-His-Ser-LC2, MWLC2 + 479.5 Da)和TRVHS-LC2 (Thr-Arg-Val-His-SerLC2, MWLC2 + 580.6 Da)的信号肽相关变体所覆盖。由于这些物种在精氨酸残基位点易被色氨酸切割，因此可能在肽图谱中被错误地识别为含有VHS的变异。通过2DLC(CEX × RP-C4)-MS分析，可以很容易地在亚基水平上获得mAb-A1未截断的RVHS和TRVHS变体。

　　图2. 2DLC(CEX × RP-C4)-MS分析mAb-A1及其电荷变体的降低分子量。(A)总离子色谱图。(B) LC1的去卷积质谱。在mAb-A1的B5-B8变体中，LC1与未截断的RVHS和TRVHS分离。

　　通过4DLC(CEX × RP-C4 × Trypsin×RP-C18)-MS分析鉴定出7个mAb-A2的电荷变体，包括3个ap、1个MP和3个bp。在变体中获得的PTMs包括脱酰胺(图4B)、Pyro Q(图4C)、c端Lys截断/Pro酰胺化(图4D)和Met氧化(图4E)。所有ap均发现HC N55脱酰胺。据报道，HC N55的脱酰胺会影响抗原-抗体结合活性据报道，Fc氧化会影响FcRn结合，对药代动力学(PK)产生负面影响。4DLC(CEX × RP-C4 × Trypsin×RP-C18)-MS的数据采集在1天内完成，以小于0.5 mg的样品表征了mAb-A2的7个变体。mAb-A2的肽图谱序列覆盖率达到90%。

　　图3. 4DLC(CEX × RP-C4 × Trypsin×RP-C18)-MS在线肽图谱。(A)经鉴别的重叠色谱图mAb-A2主峰的肽段。(B)所有mAb-A2变异的HC N55脱酰胺。(C) N端谷氨酰胺环化成在所有mAb- A2变异体中HC Q1的焦谷氨酸。(D)在所有mAb-A2变体中，C端HC K450的赖氨酸截断和HC P448的脯氨酸酰胺化。(E) HC M255下蛋氨酸氧化。

　　由于Fc-γ-RⅢa的结合亲和力一般与ADCC效价具有良好的相关性，且Fc-γ-RⅢa的结合能力可以反映在Fc-γ-RvⅢa柱上，通过2DLC(CEX × Fc-γ-RⅢa)分析间接监测了mAb-a的电荷变体的生物活性。APs中峰3的丰度高于MP和bp，表明酸性峰具有更好的Fc-γ-RⅢa亲和力。对Fc-γ-RⅢa色谱中mAb-A2的三个峰进行分离，并进行离线N-聚糖分析，以获得准确的糖型分布结果。在峰1、峰2和峰3中观察到聚焦化和半乳糖基化的含量逐渐增加。集中化已被广泛报道可增强ADCC的活性有趣的是，观察到半乳糖基化对Fc-γ-RⅢa亲和力的积极影响，这与先前的研究一致。

　　图4 (A)Fc-γ-RⅢa亲和谱图2DLC(CEX×Fc-γ-RⅢa)分析。(B)mAb-A2的N-聚糖谱及其Fc-γ-RⅢa亲和组分 (峰1、峰2、峰3)。

　　综上，利用MDLC-MS系统深入表征电荷变体的结构和生物活性，包括分子量、PTMs和Fc-γ-RⅢa亲和力。该过程可以在发现和工艺开发阶段对单克隆抗体进行电荷变异分析。MDLC-MS可以在研发中发挥重要作用，使从DNA序列到新药研究(IND)申请的时间流程缩短。

　　撰稿：李孟效

　　编辑：李惠琳

　　文章引用：In-Depth Characterization of mAb Charge Variants by On-Line Multidimensional Liquid Chromatography-Mass Spectrometry

　　李惠琳课题组网址www.x-mol.com/groups/li_huilin

　　参考文献

　　1. Liu, Z., Y. Cao, L. Zhang, Y. Xu,Z. Zhang.(2023).In-Depth Characterization of mAb Charge Variants by On-Line Multidimensional Liquid Chromatography-Mass Spectrometry. Analytical chemistry.