CN108779145B - 用于浓缩生物分子溶液的切向流过滤方法 - Google Patents
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Abstract
提供一种浓缩包含生物分子的液体的方法。所述方法包括使液体在压力下通过切向流过滤装置，其中施加的压力在至少较高压力和较低压力之间变化。优选地，压力变化通过使用可变流量控制器比如阀门来传递。
Description
本发明涉及一种用于浓缩生物分子(尤其重组多肽和核酸)的溶液的方法，以及用于实施这种方法的仪器。
许多生物分子，尤其是重组多肽和核酸，比如质粒DNA (pDNA)，特别是在治疗应用方面备受关注。这种生物分子通常通过培养经过工程改造以表达期望的生物分子的重组宿主细胞来生产。然后通过一般地包括离心、过滤和色谱纯化的方法从培养基回收生物分子。生物分子的回收通常包括调节溶解或悬浮有生物分子的液体培养基的性质和性能。所涉及的处理一般地产生相对稀释的生物分子溶液，并且因此在从培养基回收期间增加生物分子在培养基中的浓度，并且可能期望纯化，因为例如浓度可能低，以致该形式的生物分子不实用，或者需要储存大量液体。
常规浓缩方法涉及使包含生物分子的初始培养基在恒定压力下通过过滤仪器比如微滤或超滤膜。选择这种仪器使得生物分子保留在滞留物中，但是一部分培养基通过过滤介质而浪费。使滞留物再循环至储存罐，并继续再循环过程直至达到期望的生物分子浓度。这种方法的缺点是浓缩步骤相对慢，并且因此减慢生物分子的处理。另外，由于生物分子反复通过泵头并且随着缓冲液交换的进行在宽范围的溶质和缓冲液浓度范围内经历物理剪切力，因此可能发生蛋白质不稳定性或不溶性(比如聚集或变性)。进一步地，常规浓缩方法涉及大的滞留体积。如果浓缩步骤可作为生物分子处理的部分在线实现，而不是需要分批的基于再循环的浓缩，那么这是期望的。
US7682511描述一种浓缩方法和仪器，其中多个切向流过滤装置以“圣诞树”配置连接，如图1所示，通过装置的流动通过两个泵的组合进行调节，一个位于过滤装置3的上游1和一个位于下游2，以控制进料4和滞留物5的流速。过量的液体被移除到渗透物6中。采用恒定压力。
本发明的第一方面提供一种浓缩包含生物分子的液体的方法，包括使液体在压力下通过切向流过滤装置，其中施加的压力在至少较高压力和较低压力之间循环。
在本发明的一个实施方案中，方法在线实施，其中滞留物不被再循环。滞留物或被使用，或接受进一步处理。在其他实施方案中，方法以分批或部分分批模式实施，其中一些或全部滞留物被再循环至进料。
可在仪器中采用的切向流过滤(“TFF”)装置为本领域熟知的(参见例如Filtration in the Biopharmaceutical Industry, ed. T.H. Meltzer and M.W.Jornitz, 1998)，并且包括平板、中空纤维和环形缠绕装置。优选地，TFF装置为中空纤维过滤装置。
选择TFF装置以具有适合于生物分子性质的截留值(cut-off)，使得生物分子不通过屏障，而液体的较小组分可通过屏障至渗透物。
应该认识到，较高压力和较低压力之间的差异程度取决于所采用的条件。例如，所有其他条件相同的情况下，在较高进料流速下操作将导致比在较低进料流速下操作更大的差异。类似地，对于中空纤维，较高剪切速率将导致比较低剪切速率更大的压力差。
本申请中采用的压力上限为所采用的仪器的操作极限。在某些情况下，可选择上限为制造商规定的装置操作极限。应该认识到，较高压力的实际上限可能显著高于制造商规定的上限，并且可通过常规实验易于确定。在许多实施方案中，较高压力为操作极限的至少25%，例如至少30%，比如至少40%，通常至少50%，一般地至少60%，经常至少70%，优选地至少80%，并且可为至少90%。
在一些实施方案中，较低压力为不超过操作极限的40%，通常不超过30%，一般地不超过20%，并且优选地不超过10%。
在一些实施方案中，选择较低和较高压力之间的差值大于较高压力的5%。在某些实施方案中，选择较低和较高压力之间的差值在较高压力的大于5-50%，例如10-40%范围内。在其他实施方案中，选择较低和较高压力之间的差值在较高压力的大于50-95%，例如70-90%范围内。
在许多尤其优选的实施方案中，较高压力是较低压力的至少1.05倍。在一些尤其优选的实施方案中，较高压力是较低压力的至少1.1-2.0倍。在其他尤其优选的实施方案中，较高压力是较低压力的2-10倍，特别是3-7倍。
本发明第一方面的方法可涉及施加例如2种、3种、4种或更多种不同压力，施加的最高和最低压力如上所述，并且施加的任何其他压力介于它们之间。在采用两种不同压力的某些实施方案中，施加较高压力总处理时间的多达99.9%，比如多达99%、98%、97%、96%、95%、94%、93%、92%、91 %或90%，并且其余时间施加较低压力。在许多情况下，施加较高压力总处理时间的至少50%，经常为总处理时间的至少60%，比如至少70%，和优选地至少80%，并且其余时间施加较低压力。在许多优选的实施方案中，施加较高压力总处理时间的85-99%，并且其余时间施加较低压力。
在许多实施方案中，当TFF装置为中空纤维装置时，操作极限一般地为约2-4巴，和当TFF装置为平板装置时，操作极限一般地为约5-7巴。
应该认识到，所有其他条件相同的情况下，所采用的TFF装置的长度将影响可获得的浓缩因子，使得浓缩器内的流体路径长度越长，浓缩因子越大。在平板装置情况下的总膜面积与总有效宽度的比率或者在中空纤维装置情况下的周长将影响浓缩因子。对于相同膜面积，较大比率将导致比较小比率更大的浓缩因子。在某些实施方案中，选择路径长度为大于30 cm，尤其是大于40 cm，并且优选地大于50 cm。 在许多情况下，路径长度多达200 cm。
向TFF装置施加压力的工具为本领域熟知的，并且包括施加气体压力，尤其是惰性气体，比如氮气或氦气。优选地，用于施加压力的工具为泵。可采用的泵包括蠕动泵、隔膜泵、凸轮泵和离心泵。可采用一次性和可重复使用的泵设计。用于施加压力的工具可与位于TFF装置下游的限流器一起采用。限流器的实例包括夹管阀。在许多优选的实施方案中，限流器包括可变流量阀。
可用于本发明的限制器用于调节液体通过TFF装置的流动，并且因此与用于赋予流动的工具相结合，以控制施加于TFF装置中液体的压力，并且因此获得滞留物和渗透物中液体的相对比例，并且因此获得浓缩因子。
当限流器为固定限制器时，施加的压力可通过调节通过TFF装置的液体流速来改变，例如通过增加和减小泵的速度，或者增加或减小施加的气体压力。
当采用可变流量阀作为改变所施加的压力的工具时，可变流量阀可调节第一相对低流速(其中液体保持能够流动)和至少第二较高流速之间的流动。在优选的实施方案中，可变流量阀为间歇流量阀，其防止第一位置的流动，但是允许至少第二位置的流动。
在某些优选的实施方案中，液体通过可变流量阀的流动通过可编程控制单元控制，该单元调节阀门的打开和关闭以获得需要的浓度。这通过循环相对低流速和相对较高流速的预定时间段或者例如打开和关闭阀门获得，以产生期望的浓度。一个循环表示压力从初始压力变为较高或较低压力，并恢复到初始压力，这相当于阀门打开和关闭并恢复到初始状态的步骤。循环速率可为恒定的或变化的。在许多操作条件下，可变流量阀的循环速率在整个浓缩过程中保持恒定。
在许多实施方案中，采用多个循环。采用的循环数取决于许多因素，比如过程的持续时间、浓缩的液体体积、流速、仪器的最大压力、TFF装置的长度和/或面积以及TFF装置的分子量截留值。在某些实施方案中，可采用至少10个循环，比如至少50、100、500、750、1000、1500、2000、3000、5000、7500、10000或更多个循环。
应该认识到可采用一定范围的循环频率。所有其他因素相同的情况下，较高频率将产生较高和较低压力之间的较小差异，而较低频率将产生较大差异。取决于所实施的过程的性质，在不同情况下任一者都可能是有利的。在许多情况下，频率小于100 Hz，一般地小于50 Hz，通常小于10 Hz，并且优选地小于5 Hz。在某些优选的实施方案中，频率为2 Hz或者更小，最优选地为1 Hz或者更小，比如0.05-0.5 Hz。
当可变流量阀打开时，液体通过TFF装置和阀门到达滞留物。当所述阀门关闭时，液体通过TFF过滤器到达渗透物，并且任何大于TFF装置截留值的溶质和/或生物分子保留在浓缩器中，以在下一次滞留物管线上的阀门打开时被冲洗到滞留物中。
在TFF装置操作期间，通常在过滤器表面的滞留物一侧形成包含生物分子的凝胶层。该凝胶层一般地在浓缩结束时通过包括冲洗从TFF装置除去，并且可在本发明方法中采用这种冲洗步骤。浓缩结束时的冲洗步骤可导致生物分子浓度显著增加，并且因此可导致高于预计的生物分子浓度。在本发明的某些实施方案中，在整个浓缩过程中间隔地包括冲洗阶段。冲洗阶段可包括延长液体在较低压力下通过TFF装置的时间段，并可另外包括防止渗透物流动，使得所有流动到达滞留物，比如通过关闭渗透物管线上的阀门(优选地在冲洗持续时间内)。经常选择冲洗阶段的持续时间以获得基本上所有凝胶层转移至滞留物中。浓缩结束时的冲洗阶段可包括通过多达5倍TFF装置体积。浓缩过程中间隔包括的冲洗阶段可包括通过较低的TFF装置体积，比如0.25、0.5、0.75或1倍TFF装置体积。在一些实施方案中，在较高和较低压力之间循环操作之后采用冲洗阶段，以通过1倍TFF装置体积、2倍TFF装置体积、5倍TFF装置体积、10倍TFF装置体积或者更多，随后恢复在较高和较低压力之间循环操作。在其中在浓缩过程中间隔地结合一个或多个冲洗阶段的许多实施方案中，冲洗阶段伴随着防止渗透物流动，比如通过关闭渗透物管线上的阀门(优选地在冲洗持续时间内)。
本发明中采用的液体可为来自纯化方法(例如色谱柱、常规或一过性(singlepass)TFF步骤、过滤/澄清步骤、离心上清液/离心分离液(centrate)或浆液、调节/稀释步骤)的洗脱液、来自生物反应器和发酵罐的输出以及来自细胞破碎过程的输出。
本发明的仪器可用于浓缩包含生物分子的液体，生物分子例如pDNA、包涵体，特别是包含多肽(并且尤其是重组多肽)的包涵体。
pDNA可为多种形式中的一种或多种，比如超螺旋、线性和开环(即带切口的或松弛型)同种型。超螺旋pDNA同种型具有共价闭合的环状形式，并且pDNA通过宿主酶系统的作用在宿主细胞中负超螺旋。在开环同种型中，pDNA双链体的一条链在一个或多个位置断裂。
用于产生pDNA的方法为本领域熟知的。pDNA可为天然的或人工的，例如携带外源DNA插入片段的克隆载体。在许多实施方案中，pDNA的大小在1千碱基-5万碱基的范围内。例如，编码表达的干扰RNA的pDNA一般地大小在3千碱基-4千碱基的范围内。
多肽，尤其是重组多肽，包括治疗性蛋白质和肽，包括细胞因子、生长因子、抗体、抗体片段、免疫球蛋白样多肽、酶、疫苗、肽激素、趋化因子、受体、受体片段、激酶、磷酸酶、异构酶、水解酶、转录因子和融合多肽。
抗体包括单克隆抗体、多克隆抗体和具有生物活性的抗体片段，包括前述任一种的多价和/或多特异性形式。
天然存在的抗体一般地包含4条多肽链，两条相同的重(H)链和两条相同的轻(L)链通过二硫键相互连接。每条重链包含可变区(VH)和恒定区(CH)，CH区在其天然形式中包含3个结构域，CH1、CH2和CH3。每条轻链包含可变区(VL)和包含一个结构域的恒定区CL。
VH和VL区可进一步细分为高变区(称为互补决定区(CDR))，散布于更保守区域(称为框架区(FR))。每个VH和VL由3个CDR和4个FR组成，按照以下顺序从氨基末端到羧基末端排列：FR1、CDR1、FR2、CDR2、FR3、CDR3、FR4。
可表达的抗体片段包含完整抗体的一部分，所述部分具有期望的生物活性。抗体片段通常包含至少一个抗原结合位点。抗体片段的实例包括：(i) 具有VL、CL、VH和CH1结构域的Fab片段；(ii) Fab衍生物，比如在CH1结构域的C末端具有一个或多个半胱氨酸残基的Fab’片段，其可通过两个Fab衍生物之间的二硫键桥接形成二价片段；(iii) 具有VH和CH1结构域的Fd片段；(iv) Fd衍生物，比如在CH1结构域的C末端具有一个或多个半胱氨酸残基的Fd衍生物；(v) 具有抗体单臂VL和VH结构域的Fv片段；(vi) 单链抗体分子，比如其中VL和VH结构域共价连接的单链Fv (scFv)抗体；(vii)与另一个有或没有恒定区结构域的可变结构域(VH或VL结构域多肽)连接的没有恒定区结构域的VH或VL结构域多肽(例如VH-VH、VH-VL或VL-VL)；(viii) 结构域抗体片段，比如由VH结构域或VL结构域组成的片段，以及VH或VL结构域的抗原结合片段，比如分离的CDR区；(ix) 包含两个抗原结合位点的所谓“双价抗体(diabody)”，例如在相同多肽链中与轻链可变结构域(VL)连接的重链可变结构域(VH)；和(x) 包含一对连续Fd区段的所谓线性抗体，所述区段与互补轻链多肽一起形成一对抗原结合区。
包涵体包括在细菌细胞比如大肠杆菌的细胞质中形成的不溶性聚集体，最常见的是包含多肽，并且尤其是重组多肽。
除了生物分子之外，液体的其他组分可包括盐(包括缓冲盐)、培养基和进料组分、溶剂(通常为水)、两性洗涤剂、表面活性剂、咪唑或其他竞争性配体结合剂、氨基酸、离液剂(比如尿素)、还原剂、氧化剂、PEG化缀合反应物(底物、副产物和活化剂)、糖、脂质、核酸、代谢物和小多肽。
该方法可用作整体操作，或者可包括多步骤过程中的一个或多个步骤。在一些实施方案中，采用本发明的单一浓缩方法。在其他实施方案中，采用本发明的两种或更多种浓缩方法。当采用两种或更多种浓缩方法时，这些步骤可为连续的，通常通过一个或多个纯化或处理阶段分开，比如色谱法、离心、常规过滤或缓冲液交换。两种或更多种浓缩方法也可平行实施，比如在浓缩不同工业生产液流时，所述液流随后被合并，并且可随后通过本发明方法进一步浓缩。
通过本发明仪器和方法产生的液体可“原样”使用而无需进一步处理，或者可经受多个进一步处理步骤中的一个，比如纯化或处理步骤，例如色谱法步骤，比如亲和色谱法、阴离子和/或阳离子交换色谱法、疏水相互作用色谱法、尺寸排阻色谱法、亲和色谱法，和/或进一步过滤、澄清、调节(conditioning)、稀释或其他配制步骤。
包含本发明第一方面方法的用于生产生物分子的方法形成本发明的第二方面。
本发明的第三方面提供用于在线浓缩含有生物分子的液体的仪器，包括与用于赋予液体流动通过TFF装置的工具和可变流量阀处于流体连接的TFF装置，其中用于赋予流动的工具位于过滤装置的上游，可变流量阀位于TFF装置的下游，并且可变流量阀被控制为在至少较高压力和较低压力之间循环。
在该方面采用的TFF装置、用于赋予流动的工具、可变流量阀、生物分子和液体如以上关于本发明第一方面所述。
在本发明的一些实施方案中，仪器包括单一TFF装置。在其他实施方案中，仪器包括两个或更多个可连续和/或平行的TFF装置。在某些实施方案中，仪器包括两个或更多个按照本发明第三方面连续配置的TFF装置，其中来自上游TFF装置的出口与下游TFF装置处于流体连接。
在相关方面提供一种用于浓缩液体中生物分子的方法，其中生物分子通过使用本发明第一方面的仪器浓缩。
浓缩过程可用作整体操作，或者可包括多步骤过程中的一个或多个步骤。在一些实施方案中，采用本发明的单一浓缩步骤。在其他实施方案中，采用本发明的两个或更多个浓缩步骤。当采用两个或更多个本发明浓缩步骤时，这些步骤可为连续的，通常通过一个或多个纯化或处理阶段分开，比如色谱法、离心、常规过滤或缓冲液交换。两个或更多个浓缩步骤也可平行实施，比如在浓缩不同工业生产液流时，所述液流随后被合并，并且可随后通过本发明方法进一步浓缩。
本发明的仪器在图2中示出。TFF装置7位于泵8的下游，泵8将液体进料9供给至TFF装置7。间歇流量阀10位于滞留物管线11上。间歇流量阀10在关闭或限制较多和打开或限制较少的位置之间循环，造成跨越TFF装置7的压力循环。当阀门10关闭或受限制时压力增加，并且小于TFF装置7截留值的液体组分被迫进入渗透物12，从而增加生物分子的浓度。生物分子保留在TFF装置7中，并进入滞留物11。
本申请通过以下实施例非限制性地说明。
实施例1
缩写
在实验研究中使用纯化rhLactoferrin在25 mM磷酸钠缓冲液pH 7.5中初始浓度为1 mg/mL的储备溶液。储备溶液使用包含GE Healthcare ÄKTATM Explorer系统的浓缩器系统进行体积浓缩，该浓缩器系统具有Spectrum Labs MidkrosTM中空纤维浓缩器(65 cm长，10 kDa mPES中空纤维，表面积为370 cm2，最大推荐操作压力为2巴)。中空纤维滞留物管线进而直接连接至下游可变流量控制器(包含双入口可变流量控制器)的入口阀1。双入口可变流量控制器包含定制的(Gemü)塑料双阀门歧管，单一出口内孔为2 mm，带有快动螺线管致动器，由Raspberry Pi小型计算机控制，其控制液体通过歧管和通过浓缩器的流动。双入口可变流量控制器的入口阀2始终保持完全关闭。系统配置为以15 mL/min的恒定流速运行，并且rhLactoferrin以下流模式通过ÄKTA Explorer V2阀上的位置2被导入浓缩器。中空纤维滞留物的流速通过下游入口阀调节。阀门的循环时间设定为2秒，并且阀门被控制为完全打开5%的循环，并在剩余的95%的循环完全关闭，以提供理论上20倍的VCF。间歇流量阀的出口连接至ÄKTATM Explorer上的位置2的阀门V3，并且通过测量280 nm吸光度数据监测rhLactoferrin浓度。在线浓缩的rhLactoferrin溶液通过ÄKTATM Explorer阀门V4上的出口管线F8收集。单独收集来自中空纤维的渗透物以确定体积浓缩因子。记录最大和最小系统压力。浓缩器先后用缓冲液和1 mg/mL rhLactoferrin冲洗，滞留物管线完全打开以起动(prime)浓缩器。为了从浓缩器清除浓缩的rhLactoferrin，滞留物管线完全打开，之后用缓冲液冲洗浓缩器。
实施例2-12
重复实施例1的方法，但是条件如表1所示变化。对于实施例8-12，采用具有所述长度的较长中空纤维。
实施例1-12的结果在表1中给出。
表1
实施例13-19
用两个65 cm的分子量截留值为50 kDa的连续中空纤维，使用2 mg/mL分子量为约150 kDa的IgG1抗CD20单克隆抗体储备液重复实施例1的方法，并且条件如表2所示变化。
实施例13-19的结果在表2中给出。
表2
结果显示在阀门打开的时间与获得的VCF之间呈逆线性关系。此外，使用单一65cm中空纤维浓缩器和间歇流量阀可获得超过7倍的VCF。这是出人意料的，因为其几乎是PALL Cadence™在线浓缩器可达到的VCF的两倍，PALL Cadence™在线浓缩器中4个在线Cadence™在线浓缩器的配置给出与65 cm中空纤维相当的直接路径长度。另外出人意料的是，流速对可获得的VCF仅有很小影响，从而提供更大的操作灵活性。所有其他因素相同的情况下，增加浓缩器的长度导致获得更高的浓缩因子。
Claims (17)
1.一种浓缩包含生物分子的液体的方法，包括使所述液体在压力下通过切向流过滤装置，其中施加的所述压力在至少一个较高压力和一个较低压力之间循环，所述较高压力是所述较低压力的至少1.05倍，且所述压力通过操作可变流量阀改变，所述可变流量阀位于所述切向流过滤装置的下游，采用至少10个循环，且循环频率小于100Hz。
2.权利要求1的方法，其中压力通过泵施加。
3.权利要求2的方法，其中所述可变流量阀为间歇流量阀。
4.权利要求1-3中任一项的方法，其中采用两种不同压力，所述较高压力用于压力施加时间的最多达99.9％。
5.权利要求1-3中任一项的方法，其中采用两种不同压力，所述较高压力用于压力施加时间的85-99％。
6.权利要求1-3中任一项的方法，其中采用至少100个循环。
7.权利要求1-3中任一项的方法，其中采用小于50Hz的循环频率。
8.权利要求1-3中任一项的方法，其中采用小于5Hz的循环频率。
9.权利要求7的方法，其中所述循环频率为0.05-0.5Hz。
10.权利要求1-3中任一项的方法，其中采用两种不同压力，并且所述较高压力是所述较低压力的1.1-2.0倍。
11.一种用于在线浓缩含有生物分子的液体的仪器，包括切向流过滤装置，所述切向流过滤装置与用于在压力下赋予液体流动通过所述切向流过滤装置的工具和可变流量阀处于流体连接，其中用于赋予流动的所述工具位于所述过滤装置的上游，所述可变流量阀位于所述切向流过滤装置的下游，以及控制所述可变流量阀使得压力在至少一个较高压力和一个较低压力之间以小于100Hz的循环频率循环至少10个循环周期的工具，所述较高压力是所述较低压力的至少1.05倍。
12.权利要求11的仪器，其中用于赋予流动的所述工具包括泵。
13.一种用于浓缩液体中的生物分子的方法，其中所述生物分子通过使用权利要求11或12的仪器浓缩。
14.权利要求13的方法，其中采用两种不同压力，所述较高压力用于压力施加时间的最多达99.9％。
15.权利要求14的方法，其中采用两种不同压力，所述较高压力用于压力施加时间的85-99％。
16.一种用于生产生物分子的方法，包括通过权利要求1-3中任一项的方法浓缩包含所述生物分子的液体。
17.权利要求15的方法，其中所述生物分子是重组多肽。
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