CN102906104B - 用于多肽纯化的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了用于纯化多肽的方法和系统，其中包括在纯化后对包含多肽的溶液直接过滤。

Description

用于多肽纯化的方法和系统
技术领域
本发明涉及用于纯化多肽的方法和自动化系统。尤其是，本发明涉及基于快速蛋白质液相层析(FPLC)的方法以及相应的用于从复杂混合物中纯化多肽的自动化系统。
背景技术
快速蛋白质液相层析是一种学术界和工业上广泛使用的液相层析形式，用于从复杂混合物中将大量的各种生物分子(例如蛋白质和DNA)分离和/或纯化。在FPLC中，含有可溶性成分(包括目标生物分子)的混合物在液体流动的帮助下通过经过固定相被分离，因此混合物中的单一成分被分离出来。基于所采用的洗脱方法，包含在混合物中的成分以不同的速度迁移通过固定相或者通过与固定相发生特定配体相互作用被保留下来，从而相互之间发生分离。
基于简化设计，自动化FPLC系统发展起来。基于FPLC的自动化系统特别地是由来自英国查尔芬特圣贾尔斯的通用电气医疗保健公司制造，并且以商标名称投入市场。
尽管简化了生物分子的纯化，但是纯化循环只能设立于目前的基于FPLC系统上运行，其中产生的包含目标生物分子的流经物或洗出液可以在离开该系统后短暂的时间内被收集。如果产生的流经物或洗出液并不是立即被收集并由此暴露较长时间，这样会增加变质的风险。一旦在流经物或洗出液中出现变质，所包含的生物分子将失去用途，并且不得不进行处理或者替代性地进行深入地净化，这是非常耗时和耗资的。因此，必须避免流经物或洗出液变质。为了避免流经物或洗出液变质，则需要在流经物或洗出液离开系统时操作人员就要到场，这增加了额外的工时数量，并且没有提高生产力，尤其是对于长期运行的循环而言。因此，纯化循环的运行被设定为流经物或洗出液离开系统的时间落入操作人员的常规工作时间范围内，而这反过来又限制了待运行的纯化循环时间选择和数量。
发明的简要描述
因此，本发明的目的在于提供一种方式来克服目前基于FPLC系统所存在的某些缺陷。特别地，其旨在提供一种具有改善的灵活性和/或生产力的方法和系统。
依据本发明，通过以下1至23项目的标的来达到上述目的：
1、一种用于纯化多肽的基于快速蛋白质液相层析(FPLC)的方法，包括以下步骤：
a)将包含多肽的液体溶液施加至包含固定相的层析装置中；
b)通过液体溶液经过层析装置的固定相，将多肽与包含于液体溶液中的其它分子分离；
c)以流经物或洗出液的形式，从层析装置中回收多肽；和
d)通过过滤的方式对包含回收的多肽的流经物或洗出液进行灭菌。
2、根据项目1所述的方法，其中在步骤b)中，多肽与固定相相互作用并通过固定相被保持；并且在步骤c)中，通过洗脱的方式回收多肽。
3、根据项目1或2所述的方法，其中在步骤d)中，过滤是真空过滤。
4、根据项目1至3任一所述的方法，其中步骤a)至d)中一个或多个是自动控制的。
5、根据项目1至4任一所述的方法，其中固定相是生物聚合物，无机聚合物或者合成聚合物，其中每一聚合物可随意地与官能团相连，或者为膜或体块(monolith)。
6、一种自动化快速蛋白质液相层析(FPLC)系统，其设置以根据项目1至5任一所述方法来纯化多肽，所述系统包括i)层析模块；和ii)在层析模块之后布置的过滤模块。
7、根据项目6所述的系统，其中过滤模块包括至少一个过滤装置以及控制装置，所述至少一个过滤装置用于对从层析模块中回收而来的包含多肽的流经物或洗出液进行灭菌过滤，所述控制装置用于控制经由至少一个过滤装置的灭菌过滤。
8、根据项目6或7所述的系统，其中过滤模块包括多于一个的过滤装置，所述多于一个的过滤装置用于对从层析模块中回收而来的包含多肽的流经物或洗出液进行灭菌过滤，并且对于每一过滤装置包括与之功能性连接的控制装置，用于控制经由过滤装置进行的灭菌过滤。
9、根据项目7或8所述的系统，其中灭菌过滤通过采用真空来进行。
10、根据项目7至9任一所述的系统，其中控制装置包括至少一个电动继电器和至少一个机电阀，二者功能性连接，其中所述电动继电器可选地包括输入端和输出端用于计算装置控制。
11、根据项目7至10任一所述的系统，其中每一控制装置包括电动继电器和机电阀，二者功能性连接。
12、根据项目7至11任一所述的系统，其中控制装置包括输入端和输出端用于计算装置控制。
13、根据项目10至12任一所述的系统，其中机电阀用于控制真空的提供向过滤装置的传输。
14、根据项目10至13任一所述的系统，其中机电阀由电动继电器控制。
15、根据项目10至14任一所述的系统，其中机电阀是电磁阀。
16、根据项目6至15任一所述的系统，其中过滤装置是滤杯。
17、根据项目6至16任一所述的系统，其中过滤包括4个过滤和4个控制装置。
18、一种设置用于项目6至17任一所述的自动化层析系统的过滤模块，包括至少一个过滤装置以及控制装置，所述至少一个过滤装置用于对包含多肽的溶液灭菌过滤，所述控制装置用于控制经由至少一种过滤装置的灭菌过滤。
19、根据项目18所述的过滤模块，包括多于一个的过滤装置，所述多于一个的过滤装置用于对包含多肽的溶液灭菌过滤，并且对于每一过滤装置包括与之功能性连接的控制装置，用于控制经由过滤装置进行的灭菌过滤。
20、根据项目18或19所述的过滤模块，其中过滤模块包括4个过滤装置和4个控制装置，因此总是一个过滤装置与一个控制装置功能性连接。
21、一种设置用于项目18至20任一所述的过滤模块的控制装置，包括至少一个电动继电器和至少一个机电阀，二者功能性连接，所述电动继电器可选地包括输入端和输出端用于计算装置控制。
22、根据项目21所述的控制装置，包括超过一个的电动继电器和超过一个的机电阀，二者功能性连接，所述电动继电器可选地包括超过一个的输入端和超过一个的输出端用于计算系统控制。
23、根据项目21或22所述的控制装置，其中控制装置包括4个继电器和4个阀，因此总是一个继电器与一个阀功能性连接。
一旦流经物或洗出液离开诸如纯化柱的层析装置后，直接对其进行灭菌可以使流经物或洗出液以及其中包含的生物分子安全贮藏较长时期，而不有变质的风险(也就是，层析后直接进行在线(in line)的灭菌过滤)。在这种方式下，本申请优选指向这样的设备，其包括一个层析模块以及继而平行的多个过滤装置(也就是超过1个)。上述设计的优点在于经过层析模块后形成的洗出液将通过多个平行的过滤装置，允许在给定时间内过滤更大体积的液体(与一个层析装置仅仅与一个过滤装置相连接的设备相比)。由于如此获得了更快速度的过滤，待纯化的蛋白质变质的风险大大降低。
因此，本发明的方法和系统在循环运行的用时上增加了灵活性。通过在过夜循环中允许无人照看，运行时间和工时都得到了降低，因此增加了系统的生产力。此外，使用真空过滤，就像增加由压力驱动的在线式过滤器，并没有改变系统动力学。在系统压力限制是一个问题时，这将获得较快的生产量。
附图说明
图1是本发明的包含一个电动EUL继电器和一个气体电磁阀的控制装置的原理图。
图2是本发明的包含四个电动EUL继电器和四个气体电磁阀所组成的阵列的另外一个控制装置的原理图。
定义
除非此处特别地另有说明，术语“多肽”和“蛋白质”是指由至少2个氨基酸形成的化合物。“多肽”或“蛋白质”可以具有催化或结合活性。例如，“多肽”和“蛋白质”可以是，但不局限于，酶或抗体(例如抗体的一个区域或单域抗体)。出于本发明的目的，上述两个术语可以互换使用。
除非此处特别地另有说明，术语“氨基酸”涵盖包括至少一个氨基和至少一个酸基的任何有机化合物。氨基酸可以是天然形成的化合物或者来自于合成。优选的，氨基酸包含至少一个主要的氨基和/或至少一个羧酸基。术语“氨基酸”还指包含于诸如肽和蛋白质的较大分子中的残基，这些残基来源于上述氨基酸化合物，并通过肽键或模拟肽键的方式与相邻的残基相互结合。
除非特别地另有说明，术语“固定相”是指与液体溶液中的物质相互作用的固体物质。
除非此处特别地另有说明，术语“洗出液”是指离开层析装置并且已经从固定相中去除或溶解掉了被固定相所保留的物质的液体。
除非此处特别地另有说明，术语“流经物”是指通过并且离开层析装置而没有从固定相中去除或溶解掉被固定相所保留的物质的液体。
除非此处特别地另有说明，术语“灭菌过滤”是指从流经物或洗出液中去除诸如微生物(例如细菌，真菌等)的污染物。在过滤过程中，污染物被过滤器保留，因此将污染物与流经物或洗出液中所包含的其它成分分离出来。
发明的详细描述
一方面，本发明提供了一种基于FPLC纯化多肽的方法，该方法包括以下步骤：
a)将包含多肽的液体溶液施加至包含固定相的层析装置中；
b)通过液体溶液经过层析装置的固定相，将多肽与包含于液体溶液的其它分子分离；
c)以流经物或洗出液的形式，从层析装置中回收多肽；和
d)通过过滤的方式对包含回收多肽的流经物或洗出液进行灭菌。
本发明所采用的层析装置是经常应用于柱层析、膜层析或者体块层析中用于纯化多肽和蛋白质的装置。这些装置为本领域所公知的。
在一些实施例中，层析装置是纯化柱。这些实施例中使用的纯化柱是一种包含固定相的尺寸和内径可变的管。通常情况，管的尺寸和内径分别在1到30厘米和0.1到5厘米的范围内变化。然而，管的尺寸可以达到2米。管可以由玻璃或诸如不锈钢的金属制成。纯化柱可以选自市场上可买到的纯化柱，例如，但不局限于，TricornTM柱、MiniBeadsTM柱、RESOURCETM柱、HiTrapTM柱、HiLoadTM柱、HiPrepTM柱、SuperdexTM柱和SuperoseTM柱。替代性地，可以在实验环境中，通过将选择的固定相包装在空的柱体内制备纯化柱。市场上可买到的柱体的例子是通用电气医疗保健公司的XK系列和Millipore Vantage系列。
固定相是一种固体填充材料，可以是生物聚合物，合成聚合物或者无机聚合物。生物聚合物可以选自纤维素，右旋糖酐或者琼脂糖。合成聚合物可以选自聚丙烯酰胺，异丁烯酸盐(酯)或者聚苯乙烯。无机聚合物可以是硅土，羟基磷灰石或者多孔玻璃珠。在适当情况下，填充材料可以进一步与其它功能基团相结合，从而可以与多肽发生特定相互作用。上述功能基团可以是，但不局限于，四羟丙基二乙氨乙基(quaternary hydroxypropyl diethylaminoethyl(QAE))，四(三甲基)氨乙基(quaternary trimethyl aminoethyl(Q))，二乙氨乙基(diethyl aminoethyl(DEAE))，羧甲基(carboxymethyl(CM))，硫甲基(sulfomethyl(S))，硫丙基(sulfopropyl(SP))。功能性基团还可以是一组特定配体或单一配体，例如一种与目的多肽特定结合的伴侣，例如，在多肽是抗体时，伴侣是抗原，反之亦然。
在其它实施例中，层析装置是一种包含膜作为固定相的盒或者柱，柱可以是如上所述的管。
层析中使用的膜是本领域众所周知的。膜可以由一层或多层组成，例如，但不局限于，二、三或四层。膜的基质材料可以是，但不局限于，纤维素，改性纤维素，交联纤维素，硝化纤维素，诸如尼龙的聚酰胺纤维，聚氯乙烯(PVC)或者聚偏二氟乙烯((PVDF)。
在其它实施例中，层析装置是一种包含体块作为固定相的盒或者柱，柱可以是如上所述的管。
层析中使用的体块是本领域众所周知的。
在特定的实施例中，步骤d)中的过滤是真空过滤。
在另一方面，本发明提供了一种用于基于FPLC方法的自动化系统。尤其是，本发明提供了一种设置以按照上述具体方法来纯化多肽的自动化FPLC系统。本发明的系统包括层析模块和过滤模块，过滤模块在层析模块之后布置。
本发明系统的层析模块包含层析装置，泵，检测系统和控制单元。此外，本发明的层析模块可以包含自动取样器和/或馏分收集器。作为层析模块，英国查尔芬特圣贾尔斯的通用电气医疗保健公司制造和提供的FPLC装置可以应用于本发明。
层析装置如上文所述。
泵允许液体稳定地流动通过系统。柱层析模块可以包括多于一个泵，例如，但不局限于，两个、三个或者四个泵。泵可以是蠕动泵。泵也可以是隔膜泵、止回活塞泵或者凸轮泵。泵的流速可以在0.001到100毫升/分钟的范围内。
检测系统允许对离开层析装置的分子进行检测。检测系统可以是UV分光光度计。替代性地，检测系统也可以是传导流动池(conductivity flow cell)或者pH电极。
控制单元允许对每一系统组件进行自动化控制。控制单元可以是执行控制每一系统组件的计算机程序的计算装置。计算装置可以是其上装载有计算机程序的个人计算机，通过计算机的处理器来执行该计算机程序。计算装置也可以是网络简易客户端(network thin client)。计算机程序可以是UNICORNTM控制软件，可以从英国查尔芬特圣贾尔斯的通用电气医疗保健公司获得。本发明优选UNICORNTM控制软件。
本发明系统的过滤模块包括至少一个过滤装置以及控制装置，所述过滤装置用于对从层析模块中回收而来的流经物或洗出液进行灭菌过滤，所述控制装置用于控制经由至少一种过滤装置的灭菌过滤。过滤模块可以包含超过一个的过滤装置和/或超过一个的控制装置，例如，但不局限于，两个、三个或四个过滤装置和/或两个、三个或四个控制装置。
过滤装置允许对流经物或洗出液进行灭菌过滤，也就是从流经物或洗出液中去除诸如微生物的污染物。过滤装置是包含过滤器的装置。在本发明的一个实施例中，过滤装置是过滤杯，也被称为真空驱动的瓶上过滤器。过滤杯为本领域所公知的。使用过滤杯可以直接收集流经物或洗出液，并且随后进行灭菌过滤，不再需要进行传输。过滤器的孔径可以在0.45到0.1微米的范围内，例如，但不局限于，0.45微米，0.22微米或0.1微米。通常预期0.45到0.1微米之间的孔径范围可以截留诸如细菌的微生物。在一个特定的实施例中，过滤器的孔径是0.22微米。
如上详述，可以通过真空来驱动灭菌过滤。在这种情况下，通过采用负压力将真空提供给过滤装置，迫使液体和空气通过过滤器。这一过程通过经由过滤装置的真空入口提供真空来完成，所述过滤装置位于过滤器的一侧(与保持待过滤的液体的一侧相反)。真空由真空源产生，真空源可以是一个符合要求的真空泵或管道真空泵。过滤装置和真空源通过充气管和/或硅树脂实验室管(silicone laboratory tubing)连接。
本发明的控制装置允许通过过滤装置控制灭菌过滤。控制装置包括至少一个电动继电器(或固态等效物)以及至少一个机电阀，二者功能性连接。电动继电器和机电阀通过电路功能性连接。电路可由具有迟滞设置的高输入阻抗电压感应继电器组成。
控制装置可包括超过一个的电动继电器和/或超过一个的机电阀，例如，但不局限于，两个、三个或四个电动继电器和/或两个、三个或四个机电阀。在特定的实施例中，本发明的控制装置包括四个继电器的阵列。
电动继电器可以是小功率继电器。可以由专用的24伏直流电源单元供电，该单元可以与继电器安装在同一外壳中。在特定的实施例中，继电器由24伏直流电源供电。
电动继电器由控制单元控制。控制单元可以是执行计算机程序的计算装置，该程序控制继电器的开关。针对计算装置的控制，电动继电器包括输入端和输出端，从而允许将继电器连接至计算装置。在特定的实施例中，由如上所述的层析模块的控制单元对电动继电器进行控制。
在特定的实施例中，一个或多个机电阀是电磁阀。电磁阀是一种通过允许或阻止电流通过电磁线圈以使用液体或气体驱动的机电阀，从而开启或关闭阀。电磁阀可以是线圈或电线。在特定的实施例中，电磁阀是一种气体电磁阀。
在采用真空过滤的特定实施例中，使用气体电磁阀来控制真空供给向过滤装置的传送。在这些实施例中，气体电磁阀被布置在过滤装置和真空源之间。
示例
图1给出了控制装置的配置的一个示例。图1所示的控制装置由位于同一外壳中的24伏直流电源，EUL继电器和气体电磁阀组成。这些部件由电线进行连接。通过端子E2和M，继电器连接至纯化设备的PIN6和PINI5。气体电磁阀连接至EUL继电器的端子11和12。
图2进一步给出了控制装置配置的另一个示例。图2所示的控制装置由位于同一外壳中的24伏直流电源，四个EUL继电器和四个气体电磁阀组成。这些部件由电线进行连接。每一继电器通过各自的端子E2与纯化设备的PIN6、PIN7、PIN8和PIN9中的任一相连接，其中，通过端子M与纯化设备的PIN5相连接。每一气体电磁阀与EUL继电器中的一个的端子11和12相连接，因此独立地受纯化设备的控制。
上述配置允许UNICORNTM控制软件对电磁阀进行控制，由此传送真空供给。
如上所述的过滤模块与其所包含的控制装置体现了本发明的更多方面。根据这些方面，本发明提供的过滤模块和控制装置为基于FPLC的系统所配置，因此可以应用于基于FPLC的系统。
真空控制配件
真空控制配件旨在提供一种方法。在该方法中，在不影响系统流量特征的前提下，对来自系统的柱洗出液进行灭菌，这样在某种程度上保持了产品的质量和完整。这样就使得在一天的大多数时间里都可以使用系统，从而降低了对人工干预的要求。为了显示这种效果，将带有这些配件和不带有这些配件的运行情况进行了比较。
不带有上述配件的运行情况
研究人员在工作日开始的时候将系统建立起来。在这种情况下，一个循环大约8个小时。经过大约7个小时以后，研究人员移除了洗出液以用于分析或者进一步处理，系统允许完成了循环。从此刻开始到第二天早上，系统处于闲置状态。
在无人管理的情况下，一晚上可以运行3个循环。然而，第一循环的输出在环境温度(室温)下存放16小时，第二循环的输出在环境温度下存放8小时。不是一种灭菌系统，并且从系统或实验室空气中带来了生物负载。高蛋白溶液刺激微生物的生长，这将对收集样品的变质产生影响，从而对接下来的分析或进一步处理产生负面影响。
带有上述配件的运行情况
下面的示例是在使用纯化系统的情况下完成的。研究人员在工作日开始的时候将系统建立起来。充足的材料被提供以允许机器可以运行3个循环，其中每个循环大约运行8个小时。经过7个小时以后，系统收集来自第一个循环的输出，并在上述配件控制下进行灭菌。15小时后，来自第二个循环的洗出液被同样的灭菌，接着，就是23小时后的第三循环。来自第一循环的洗出液在环境温度下存放16小时，通过灭菌过滤器去除了任何带入的微生物，因此没有微生物进行生长，第二循环类似。
总结
在不带有上述配件的情况下的操作限制了仅能在工作日中生产材料。试图在工作日之外的时间运行机器将生产的产品样品置于由微生物生长而被污染和破坏的风险中。
在带有上述配件的情况下运行，允许在没有微生物生长的风险下，最大限度地使用了自动化层析系统。
从本发明描述的上述这些方面，可以理解本发明的精神和范围覆盖了所有上述实施方案的可能性组合。此外，可以领会到的是本领域技术人员容易想到它的各种变更、修改和改进。上述变更、修改和改进也将是本发明公开的一部分，并且也在本发明的精神和范围之内。因此，上述描述和附图仅仅是进行举例说明。

Claims (14)

1.一种基于快速蛋白质液相层析纯化多肽的方法，包括以下步骤：
a）将包含所述多肽的液体溶液施加至包含固定相的层析装置中；
b）通过使所述液体溶液经过所述层析装置的固定相，将所述多肽与包含于所述液体溶液中的其它分子分离；
c）以流经物或洗出液从层析装置中回收多肽；和
d）通过真空过滤的方式对包含回收的多肽的流经物或洗出液进行灭菌，
其中，所述灭菌过滤是在层析结束后直接进行的在线灭菌过滤。
2.根据权利要求1所述的方法，其中在步骤b）中，多肽与固定相相互作用并被固定相保持；并且在步骤c）中，通过洗脱的方式回收多肽。
3.根据权利要求1至2中任一项所述的方法，其中步骤a）至d）中一个或多个是自动控制的。
4.根据权利要求1至2中任一项所述的方法，其中固定相是生物聚合物、无机聚合物或者合成聚合物，其中每一所述聚合物可选地具有连接至其的官能团，或者每一所述聚合物是膜或体块。
5.一种自动化快速蛋白质液相层析系统，其设置成根据权利要求1至4中任一项所述的方法来纯化多肽，所述系统包括i）层析模块；和ii）在层析模块之后布置的过滤模块，其中过滤模块包括至少一个过滤装置以及控制装置，所述至少一个过滤装置用于对包含从层析模块中回收而来的多肽的流经物或洗出液进行灭菌过滤，所述控制装置用于控制通过所述至少一个过滤装置进行的灭菌过滤，所述灭菌过滤由供应的真空来驱动，并且所述灭菌过滤是在层析结束后直接进行的在线灭菌过滤。
6.根据权利要求5所述的系统，其中过滤模块包括超过一个的过滤装置，其中，所述过滤装置用于对包含从层析模块中回收而来的多肽的流经物或洗出液进行灭菌过滤，并且过滤模块对于每一过滤装置包括与之功能性连接的控制装置，用于控制通过过滤装置进行的灭菌过滤。
7.根据权利要求5至6中任一项所述的系统，其中所述控制装置包括至少一个电动继电器和至少一个机电阀，二者功能性连接，其中，所述电动继电器可选地包括输入端和输出端用于计算装置控制。
8.根据权利要求7所述的系统，其中每一控制装置包括电动继电器和机电阀，二者功能性连接。
9.根据权利要求7所述的系统，其中控制装置包括输入端和输出端用于计算装置控制。
10.根据权利要求7所述的系统，其中机电阀用于控制真空供应向过滤装置的传送。
11.根据权利要求7所述的系统，其中机电阀由电动继电器控制。
12.根据权利要求7所述的系统，其中机电阀是电磁阀。
13.根据权利要求7所述的系统，其中过滤装置是滤杯。
14.根据权利要求7所述的系统，其中过滤包括四个过滤和四个控制装置。
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