バイオ医薬品用タンパク質製剤の粘度制御

Control of viscosity in biopharmaceutical protein formulations.

• Mitja Zidar
• Petruša Rozman
• Kaja Belko-Parkel
• Miha Ravnik

抄録

濃縮されたタンパク質溶液の粘度を制御することは未解決の課題であり、最近ではバイオ医薬品、医療、食品、およびその他の用途のためのタンパク質製剤に大きな関連性があります。粘度低下添加剤の添加は、一般に、タンパク質溶液の粘度を変化させるだけでなく、タンパク質の実際の二次／三次構造をも変化させ、これは通常、非常に望ましくなく、バイオ医薬品用途のようなシステムでは毒性さえあり得る。したがって、粘性に影響を与える添加剤と十分なタンパク質の安定性の組み合わせの制御を、通常は高タンパク質濃度で確立することができることが重要である。本研究では、異なるタンパク質-タンパク質相互作用を標的とした添加剤を用いて、タンパク質溶液（免疫グロブリンγ型IgGモノクローナル抗体）の粘度プロファイルを制御し、バイオ医薬品に直接関連した操作を実証しました。具体的には、粘度制御とタンパク質凝集の複合研究は、マイクロ流体測定による粘度とサイズ排除クロマトグラフィーによるタンパク質凝集を用いて実施され、凝集データは、熱的および化学的タンパク質変性を介した構造安定性の測定によってさらに補足されます。全粘度への寄与の解剖-立体的、静電的、疎水性、ファンデルワールス-が実行されます。また、IgG溶液の粘度に対する静電相互作用の影響の新しいメカニズムを、流動複屈折下で配向性の調整を受けた電荷を帯びたタンパク質パッチの相互作用に基づいて提案します。より一般的には、異なるコロイド、生物学的、ソフトマテリアルの粘度を理解するための一般的な貢献として、異なるタンパク質システムにおける粘度、力価、安定性の相互作用を制御することを示しています。

Controlling the viscosity of concentrated protein solutions - usually reducing - is an open challenge, with major recent relevance in protein formulations for biopharmaceutical, medical, food, and other applications. The addition of viscosity-reducing additives generally not only changes the viscosity of the protein solutions but also the actual secondary/tertiary structure of the proteins, which is usually highly undesirable, and can be even toxic in systems, such as for biopharmaceutical applications. Therefore, it is of major importance to be able to establish control over the combination of viscosity-affecting additives and adequate protein stability, usually at high protein concentrations. Here, we demonstrate the control and manipulation of the viscosity profile of a selected protein solution (monoclonal antibody of immunoglobulin gamma type IgG) of direct biopharmaceutical relevance, by identifying elementary viscosity contributions via selected additives that target different protein-protein interactions. Specifically, a combined study of viscosity control and protein aggregation is performed with viscosity characterized by microfluidic measurements and protein aggregation by size-exclusion chromatography, where aggregation data is further supplemented with conformational stability measurements via thermal and chemical protein denaturation. A dissection of contributions to total viscosity - steric, electrostatic, hydrophobic, van der Waals - is performed. A novel mechanism of the impact of electrostatic interactions on the viscosity of IgG solutions is proposed based on interacting charged protein patches subjected to orientational alignment under flow birefringence. More generally, we show a control over the interplay of viscosity, potency and stability in a distinct protein system, as a general contribution to understanding the viscosity in different colloidal, biological, and soft materials.

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