酶载体

噬菌体展示应用相关载体设计的关键：1 相互结合位点的选择在蛋白酶底物噬菌体展示中，一个关键的组分是亲和性结构域，它使我们可以将底物序列和非底物序列区分开。这其中包括蛋白—蛋白相互作用、蛋白—肽段相互作用以及多组氨酸与镍螯合基质的结合。整合这几种不同的系统的要素在于，展示系统是基于高亲和性相互作用而设计的。通常，相互结合的两个物质之间的解离常数（Kd）应该至少在一个较低的nmol/L的数量级上，这样在实验中复合物的解离速度就可以比蛋白酶解的速度慢得多。例如，我们以往在这个领域中的工作中，利用的是一个hGH的高亲和性变异体，此变异体与其受体的Kd值约13pmol/L。然而，对于蛋白酶底物噬菌体展示库，挑选在适当的缓冲液条件下（例如低pH或高pH）能够被破坏的这种相互作用，将有助于选择性地富集非底物序列（被捕获而结合于固体支持物上）和最佳的底物序列（被蛋白酶解而释放）。另外一个必须考虑的是靶蛋白酶（或者其他的一些噬菌粒形成中可能碰到的蛋白酶）必须不会酶切亲和性结构域。由于这个原因，亲和性结构域一般都是一个稳定的球蛋白或者一个短的肽段。2 底物卡匣（cassette）的设计和构建底物噬菌体展示要成功，一个关键在于切割仅仅发生在亲和性（捕获）结构域和噬菌粒之间。幸运的是，丝状噬菌体对蛋白酶解有极强的抗性：在所有已知的蛋白酶中，只有枯草杆菌蛋白酶能够引起噬菌体外膜蛋白的显著降解。为使底物序列更易与蛋白酶作用，在附近的连接序列中引入一定部分柔韧性（segmental flexibility）的设计要谨慎。例如，底物序列GPGG（X）。GGPG位于亲和性结构域和pⅢ基因之间，柔韧的甘氨酸—脯氨酸接头分布于随机序列的两端。在我们的实验中，已经证实截短形式的pⅢ蛋白是有效的，但另外也有报道使用全长pⅢ蛋白也能取得成功。在多价底物噬菌体展示中，一个全长pⅢ蛋白对于感染是必需的。一些其他的重要因素也主导着文库卡匣的设计，包括随机化的密码子、密码子的选择以及文库的大小，这些在第2章中有详细的描述。在许多情况下，我们不可能穷尽含有8个或8个以上的残基的整个底物序列所有可能的排列。然而，在文库仅展示了一部分可得到的序列的情况下，我们也有可能得到关于底物特异性的相关信息。例如，要构建一个包含5个密码子的随机文库，可以先列举其中2个密码子的序列，以此作为参照序列；从中得到的信息可用于第二次的文库构建，即将此两个密码子固定，再列举另外3个密码子和（或）其他的扩展的底物序列。作为替代，可以通过整合已知的特异性决定因素并查明那些现在还较不清楚的因素，从头设计一个更集中的文库。

基因治疗是通过将修饰的基因传递至靶细胞中，从而把患者体内的突变基因替换为相对应的健康基因拷贝来实现治疗或者预防疾病的目的。与传统的药物治疗相比，基因治疗是从根本上对疾病进行控制，所以有着非常好的发展前景，在世界范围内得到越来越多医药行业的关注和投入。 将正常基因（外源）导入生物细胞内必须借助一定的技术方法或载体，基因转移的方法分为生物学方法、物理方法和化学方法。 病毒越来越多的用作载体，用于传递基因治疗的遗传物质和疫苗应用。重组腺相关病毒（recombinant Adeno-Associated Viruses, rAAV）是基因治疗最为常用的病毒载体之一。 一、如何开发高效安全的 rAAV 疗法?为了开发通过受控和经济的制造工艺生产的高效的 rAAV 疗法，需要解决从病毒衣壳设计到确定最佳工艺和配方条件，再到全面质量控制的多重挑战。应对这些挑战，需要针对 rAAV 样品下列属性进行量身定制的分析表征： Ø 测定衣壳蛋白或者颗粒滴度（capsidor particle titer）Ø 完整 rAAV 颗粒的百分比Ø 空-载比（Full-empty ratio）Ø 颗粒的粒径Ø 聚集体形成（aggregate formation）Ø 热稳定性（Thermal stability）Ø 基因组释放（genome release）Ø 衣壳电荷（capsid charge）等 而所有这些都可能影响最终产品的关键质量属性（CQA）。 通常，rAAV 滴度和病毒载量是使用酶联免疫吸附试验（ELISA）、定量聚合酶链式反应（qPCR）、液滴数字聚合酶链式反应（ddPCR）、分析超速离心（AUC）和电子显微镜（EM）的技术组合测定的。这些方法通常既费时又费力，而且其准确性和精确性也值得怀疑[1]。因此，业内越来越需求一种不依赖于使用专用试剂和昂贵的参考标准品的快速分析解决方案。 动态光散射(DLS)、多角度动态光散射（MADLS）、电泳光散射（ELS）、尺寸排阻色谱-多角度光散射（SEC-MALS）、纳米颗粒跟踪技术（NTA）、等温滴定量热法（ITC）和差式扫描量热法（DSC）可以提供有关病毒载体的关键分析和质量属性的重要信息，从而能够对多种参数进行表征、比较和优化。 样品关键参数马尔文帕纳科的技术方案衣壳蛋白尺寸DLS、NTA衣壳蛋白及转基因的绝对分子量SEC-MALS (OMNISEC)衣壳滴度或颗粒计数MADLS, SEC-MALS (OMNISEC), NTA含基因病毒颗粒百分比分析SEC-MALS (OMNISEC)聚集形成分析DLS, MADLS, SEC-MALS (OMNISEC), NTA碎片化分析SEC-MALS (OMNISEC)热稳定性分析DLS, DSC高级结构分析DSC血清型鉴定DSC衣壳解聚及基因组注入DLS, DSC衣壳蛋白尺寸ITC电荷分析ELS表1 总结了病毒载体研究中各种重要的关键属性（CQA），以及马尔文帕纳科可以对应提供表征此类信息的各项技术。 DLS、MADLS、SEC-MALS、NTA、ITC和DSC属于无标记的生物物理技术，需要最少程度的方法开发，并且可以很容易的应用于各个阶段，强化了基因治疗开发的分析工作流程。 二、高效的表征技术概念解读动态光散射（DLS）动态光散射(DLS)是一种非侵入式技术，可以测量由颗粒分散体系或分子溶液引起的散射光强度随时间的波动。由于进行布朗运动的颗粒或者分子的随机运动，散射光的强度会随之发生波动。使用自相关算法分析这些强度波动可以确定平移扩散系数，随后根据斯托克斯-爱因斯坦方程确定流体力学尺寸。多角度动态光散射（MADLS）多角度动态光散射（MADLS）通过使用三个不同的检测角度（背面、侧面和正面）并将获取的光散射信息组合成一个与角度无关（Angular-Independent）的粒径分布，从而可以对多模态的样品进行更高分辨率的尺寸测定。应用MADLS技术的扩展还可以测量出颗粒浓度（Concentration）。电泳光散射（ELS）电泳光散射（ELS）测定来自在电场中进行电泳的颗粒或者分子的散射光的频移（Frequency Shift），并能够计算出Zeta电位。颗粒的Zeta电位是颗粒在特定介质中获得的总电荷，可用于预测分散体系的稳定性并深入了解所研究的颗粒的表面化学。尺寸排阻色谱（SEC）尺寸排阻色谱（SEC）是一种分离技术，可根据分子进出柱中多孔凝胶基质的流体力学半径来分离分子。搭配一系列先进的检测器，如光散射（LS）、UV、RI和粘度，可以测量绝对分子量、分子大小、特征粘度、支化和其他参数。差式扫描量热法（DSC）差式扫描量热法（DSC）是一种直接分析天然蛋白质或其他生物分子热稳定性的技术，无需外在荧光素或者内源荧光，它通过测定在恒定的升温速率下使生物分子发生热变性过程中的热容变化来实现。 案例研究 | 综合使用多种技术表征 rAAV性状：衣壳分子量、聚集状态、滴度、稳定性… … 1，空 rAAV5 衣壳分析SEC-MALS (OMNI-SEC)测量产生的关键数据是绝对分子量，与柱保留时间或用于校准系统的任何标准无关。在空rAAV的情况下（Fig.1 和表2），主要单体的Mw为3.84 x 106 g/mol。空衣壳蛋白的理论分子量为3.8 x 106 g/mol，证实该分析结果符合预期。 图1 rAAV5 空壳三重色谱图表2 rAAV5空壳的定量参数 Mw/Mn 描述样品的分散性，接近1的值表示峰中有单个群体，远高于1的值表示峰内有多个群体。在空 rAAV 的情况下，单体和二聚体的 Mw/Mn 值接近1，表明是单一群体。聚集体和碎片 Mw/Mn 值显著高于1，表明单个峰内具有不同分子量的多个群体（表2）。 样品的分数（Fraction of Sample）描述了样本在群体之间的分布情况，在这种情况下，84.7% 的样品是单体。蛋白质分数（Fraction of Protein）表示样品中衣壳的百分比；在这种情况下，单体是99.8%的衣壳。这证实样品是空的 rAAV5 。从这种单一分析方法中获得的另一个关键信息是样品滴度；在这种情况下，对于空的 rAAV5，测得的滴度为 5.91x1013 vp/mL。 2，完整 rAAV5 衣壳分析完整 rAAV5衣壳的SEC-MALS (OMNISEC) 分析如图2和表3所示。对于主要的单体峰，计算出的符合Mw为4.49 x 106 g/mol，其中86%为衣壳。这样，完整的rAAV5的蛋白质组分的Mw为3.86 x 106 g/mol，与表2中的空rAAV5衣壳生成的数据一致。单体部分占比93%，样品具有总滴度7.48 x 1013 vp/mL。 图2 完整 rAAV5 的三重色谱图表3 完整 rAAV5 的定量参数 3，rAAV5 稳定性研究病毒衣壳的稳定性和功能是一种平衡行为。病毒衣壳必须足够稳定以包含和保护其中的基因组，与宿主细胞表面结合，它们必须提供足够的构象稳定性以在复制位点释放基因货物。 AAV载体脱壳的机制仍然知之甚少。衣壳脱壳和基因组释放似乎需要结构变化。基于差示扫描荧光法和差示扫描量热法（DSC）收集的AAV热稳定性已发表数据，AAV热转变的Tm值与衣壳解聚过程有关，可作为AAV血清型的鉴定指标；一种血清型的空AAV衣壳和完整AAV衣壳的Tm值通常非常相似，并且它们与衣壳动力学、衣壳脱壳和基因组释放没有明显的相关性。 图3 空rAAV5 和完整 rAAV5的DSC数据比较，扣除空白和基线的DSC数据。垂直方向标记的区域具有明显不同的热转变过程。表4 从DSC获得的空 rAAV5 和完整 rAAV5 样品的热稳定性结果 文章中记录的完整和空 rAAV5 样品的DSC曲线叠加（图3），根据空 rAAV5 和完整rAAV5 样品的整体 DSC 图谱差异以及热稳定性参数（如 Tonset 和 Tm2，表 4），可以在图 3 中 DSC 曲线上识别出四个不同的区域，它们可以暂且归因于以下几点：#1■ 仅在完整的 rAAV5 中出现的区域，从50℃一直延展至 75℃，这个过程大约 30 分钟。这可能归因于热应激下衣壳蛋白结构和稳定性变化导致的 ssDNA 的动力学控制下的注射；#2■在空 rAAV5 中出现的最明显的预转变过程；#3■ 主要转变过程，即协同的 rAAV5 衣壳蛋白发生解组装，这由具有血清型特异性的 Tm 值所决定；#4■ 仅在完整 rAAV5 中出现的另外的转变过程，很可能归因于 ssDNA 的解链。结论：以上几例是综合应用马尔文帕纳科多种互补技术对基因治疗常用的AAV载体一些关键属性的表征，这些无标记生物物理技术需要最少的方法开发，可以从衣壳设计阶段到开发、配方开发和药物原料和产品进行深入表征，加强体内基因治疗开发的分析工作流程。 详细内容可参文献 (Pharmaceutics 2021, 13(4), 586 https://doi.org/10.3390/pharmaceutics13040586）[1] Burnham, B. Nass, S. Kong, E. Mattingly, M. Woodcock, D. Song, A. Wadsworth, S. Cheng, S.H. Scaria, A. O’Riordan, C.R. Analytical ultracentrifugation as an approach to characterize recombinant adeno-associated viral vectors. Hum. Gene Ther. Methods 2015, 26, 228–242 三、纳米粒度及电位分析仪：DLS/ ELS/ MADLS 马尔文帕纳科 Zetasizer Ultra 纳米粒度及Zeta电位分析仪具有真正的多角度动态光散射技术（MADLS），提供更高的粒度测量分辨率，及与角度无关的粒度结果，并能够测量颗粒浓度。图4 Zetasizer Ultra纳米粒度及Zeta电位分析仪 四、OMNISEC 凝胶渗透色谱仪：GPC/SEC马尔文帕纳科OMNISEC凝胶渗透色谱仪是一套完整的凝胶渗透/尺寸排阻色谱(GPC)/(SEC)，有前端色谱分离系统、检测器和软件组成，是灵敏准确的多检测器GPC/SEC 系统，可以准确测定：Ø 绝对分子量和分子量分布Ø 特性粘度和分子结构Ø 样品浓度Ø 以及其他多种关键参数图5 OMNISEC凝胶渗透色谱仪 五、PEAQ-DSC 微量热差示扫描量热仪：DSC 马尔文帕纳科 MICROCLA PEAQ-DSC 微量热差示扫描量热仪能够帮助用户快速确认维持高级结构稳定性的最佳条件，提供简洁、无缝的工作流程和自动化批量数据分析，其所提供的热稳定性信息被业内视为“金标准”技术，是一种非标记、全局性的数据。图6 MicroCal PEAQ-DSC 微量热差示扫描量热仪 关于马尔文帕纳科马尔文帕纳科的使命是通过对材料进行化学、物性和结构分析，打造出更胜一筹的客户导向型创新解决方案和服务，从而提高效率和产生可观的经济效益。通过利用包括人工智能和预测分析在内的技术发展，我们能够逐步实现这一目标。这将让各个行业和组织的科学家和工程师可解决一系列难题，如提高生产率、开发更高质量的产品，并缩短产品上市时间。 联系我们：马尔文帕纳科销售热线: +86 400 630 6902售后热线: +86 400 820 6902联系邮箱：info@malvern.com.cn官方网址：www.malvernpanalytical.com.cn

传统培养工艺下，贴壁细胞通常使用细胞培养瓶、滚瓶、或细胞工厂等进行培养，培养规模相对有限，培养过程难以控制，且难以在保障质量可控的前提下进行工艺放大。使用微载体结合生物反应器进行贴壁细胞的悬浮式培养，是一种非常好的解决方案。传统微载体多采用合成聚合物制备的刚性实心微球，贴壁细胞在微载体表面呈2D曲面生长。在高投料密度下，反应器搅拌容易造成细胞死亡、并产生微载体碎片，对病毒产量及后续纯化造成成本增加、安全风险、回收率低等不可忽略的影响。[1]华龛生物面向病毒类生物制品行业推出首款3D多孔可降解微载体——3D TableTrix 微载体V01，不仅可用于贴壁细胞的育种与收获传代，还可用于病毒生产。3D TableTrix 微载体V01与传统微载体相比，在细胞扩增、产毒方面优势明显。用于Vero细胞大规模培养，细胞密度均可达到1× 107cells/mL以上，细胞在生物反应器中可稳定逐级放大，最终实现分泌型病毒和胞内病毒高滴度生产。图1：3D FloTrix 细胞大规模培养技术用于病毒生产（点击查看大图）产品特点Product Features1. 呈蜂巢状多孔结构, 孔径范围30~50μm，孔隙率＞90%；2. 比表面积高达9000cm2/g以上，约等同于传统微载体表面积2~3倍，可在同等投料密度下提供更多有效生长空间，承载更多贴壁细胞；3. 微载体可完全降解，可提供由中检院核验的微载体降解残留检测方法（试剂盒）。实现无损收获细胞，可代替细胞工厂用于细胞育种和建立种子库；4. 具有仿生的生物力学特性，可有效缓冲搅拌式反应器中的流体剪切力与微载体间的碰撞作用，更充分地保障细胞活率，从而提高病毒产量；5. 放大工艺简单，细胞可实现罐转罐放大，全封闭工艺有效避免染菌风险；6. 支持湿热在线灭菌，可用于不锈钢反应器的大规模生产使用。Part.1微载体用于Vero细胞大规模培养工艺的建立细胞育种：使用10层工厂进行细胞育种，培养72h后用于反应器接种。培养液接种培养基为含10%NBS的SFM培养基，换液培养基为含1%NBS的SFM培养基。微载体3D TableTrix 微载体V01,密度：2g/L。细胞密度微载体2g/L条件下，推荐细胞接种密度为25万-40万/mL。接种条件40rpm 5min，0rpm 25min循环8-16h后，调节为恒速45rpm。细胞培养细胞培养过程中每天取样计数并检测葡萄糖含量，葡萄糖含量低于1g/L时使用换液培养基进行换液，换液体积为总培养体积的80%。放大比例1 ：5原位传代细胞增殖4-5天，增殖倍数达8-10倍时，可以进行原位传代。传代前先对微载体进行计数，计数方法为胰酶降解载体计数。计数后沉降微载体，PBS清洗3次，用细胞消化酶消化约30min，细胞从微载体脱落，使用完全培养基终止消化。根据下一级接种所需细胞将合适体积的细胞载体悬液转移至下一级反应器。三级增殖效果Vero细胞可实现三级放大，且细胞增殖稳定。&bull 细胞生长8天最高可实现1.37×108cells/mL密度（图2）。图2.Vero大规模扩增细胞增殖曲线&bull 第一次转罐回收率93.8%；&bull 第二次转罐回收率100%，且细胞维持较高活性（图3）。图3.Vero大规模扩增细胞增殖和消化荧光图Part.2微载体用于Vero细胞大规模培养工艺的优化为了进一步降低经济成本和操作复杂性，在原接种工艺上对接种培养基及换液培养基进行优化，将接种培养液血清浓度降低至3%，换液培养基不使用血清，并进一步放大培养比例至1:8。由于换液时不使用血清，传代消化时也可将清洗次数由3次降低到1次，有效的节省试剂耗材成本和操作时间。工艺优化后扩增结果：不添加血清不影响细胞的增殖效率，细胞生长5天可实现5.42×106cells/mL密度（图4）。传代时PBS清洗一次不影响消化效率转罐回收率为93.3%，且细胞维持较高活性。图4.工艺优化后细胞增殖曲线Part.3微载体用于猪流行性腹泻病毒（PEDV）生产使用3D TableTrix 微载体V01培养Vero细胞72h（Day 3）后，密度增殖到2.5×106cells/mL左右接种PEDV, 接种后每天收取上清检测滴度，获得病毒滴度峰值，并做二维产毒对比。用于生产PEDV结果：病毒接种后微载体上的细胞逐渐病变脱落，接毒后160h微载体上的细胞几乎完全脱落（图5）。图5. 接种PEDV前后细胞状态病毒滴度最高可达108.57 TCID50/mL，比二维平面工艺最高提高100倍以上（图6）。图6. 两种培养方式PEDV滴度对比Part.3微载体用于Vero细胞大规模培养工艺的优势1.细胞增殖迅速，5天可以实现10倍增殖。2.90%以上的细胞回收率保证较高的放大比例。3.转罐操作简便，1-2人即可操作，节省人力成本。4.血清用量少，有效降低成本。5.用于病毒生产可以显著提高病毒滴度，进而提高病毒生产效率。基于华龛微载体的Vero细胞大规模培养工艺，在微载体密度2g/L，细胞接种密度30万/ml条件下，采用无血清培养基培养5天细胞即可增殖10倍，通过罐内消化的方式传代，细胞回收率均在90%以上。在通过此工艺培养Vero细胞用于猪流行性腹泻病毒生产时病毒滴度显著优于二维平面培养的细胞。本工艺载体用量少，操作简单，同时可降解载体收获细胞，满足不同疫苗生产工艺需求。总结3D TableTrix 微载体V01在Vero细胞的培养中表现出了较好的优势，相对于现有的的培养方式，使用相对低密度的V01微载体即可实现细胞的大规模扩增，且微载体可降解，实现细胞的无损收获，工艺简单，易于放大。凭借3D TableTrix 微载体V01配合3D FloTrix 自动化生物反应器的独特优势，在满足疫苗产业对于细胞数量和质量需求的同时，大大降低人工、时间及仪器耗材等成本。这为疫苗企业提供了新选择，带来了新动力。产品资质Product Qualification华龛生物的核心产品3D TableTrix 微载体，源于清华大学科技成果转化，可作为细胞生长的微环境(Microniche) 实现细胞体外高质量扩增。该产品已获得：&bull 2项国家药监局药用辅料资质：CDE审批登记号为【F20200000496、F20210000003】；&bull 1项美国FDA-DMF药用辅料资质：备案号为【DMF-35481】。药用辅料资质（点击查看大图）参考文献[1] Kurokawa M, Sato S. Growth and poliovirus production of Vero cells on a novel microcarrier with artificial cell adhesive protein under serum-free conditions. J Biosci Bioeng. 2011 May 111(5):600-4. doi: 10.1016/j.jbiosc.2010.12.018. Epub 2011 Jan 23. PMID: 21262586.