JP2008514424A5

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Publication number: JP2008514424A5
Application number: JP2007534786A
Authority: JP
Filing date: 2005-09-29
Publication date: 2012-03-15
Anticipated expiration: 2025-09-29

Description

もう１つの態様において、本発明は、生体高分子（または関連生体高分子の場合、一種以上の生体高分子）を固定相微粒子に選択的に結合して標的分子と固定相微粒子との生成物を形成するように生体高分子と結合可能な固定相微粒子がその上流面上に位置する複合フィルター媒体を含むフィルターカートリッジを含有する分離システムを提供する工程を含む生体高分子の分離方法（精製を含み得る）を提供する。好ましくは、フィルターカートリッジはデッドエンドフィルターカートリッジである。使用される方法は、溶質として少なくとも一種の生体高分子を含む溶液を含有する貯蔵器と、好ましくは閉ループアセンブリを形成するポンプおよびフィルターカートリッジと貯蔵器とポンプと関連するチューブを含んでもよく、そしてフィルターカートリッジを通して溶液をポンピングし、任意に生体高分子を遊離するように生体高分子：固定相微粒子生成物結合相互作用を逆転可能である閉ループアセンブリを通して溶出溶液をポンピングする。もう１つの態様において、複合フィルター媒体を含むフィルターカートリッジが提供される。

本願において：
「生体高分子」は、少なくとも５００の分子量を有する細胞の構成物または産物、例えばタンパク質、炭水化物、脂質または核酸を意味し；
「濾過層」は、シングルシートを提供するために組み合わせることができる一層以上の個々の層を含むシート様織物または不織物多孔性材料を意味し；
平均細孔径は１マイクロメートルより大きく、そして５０マイクロメートルまでであり；
「複合濾過媒体」または「複合フィルター媒体」は、その上流面に位置する固定相微粒子の層を含む濾過層を意味し；媒体は、最高０．２５メガパスカル（ＭＰａ）のフィルターカートリッジ圧力において少なくとも０．０１ｃｍ／分の流動速度を維持することができ、「複合濾過媒体」は、流体通過のために構成されたその上流面上に配置された一層以上の濾過層および収着剤微粒子層を含み；それは濾過／分離／精製操作を達成する分離フィルターアセンブリの実際の構成物であり；
「標的分子」は、本明細書に記載される複合濾過物品が液体供給流または溶液混合物供給流から分離されるように設計される一種以上の化学種を指す。標的分子としては、例えば医薬種、生体高分子、例えば細菌、酵母、哺乳類、植物または昆虫細胞によって発現されたタンパク質および抗体（モノクローナルまたはポリクローナル）、ＤＮＡ、ＲＮＡ、鉱物、ならびに人工化学種、例えば合成小有機分子、ペプチドおよびポリペプチド、オリゴ糖および糖変性タンパク質が挙げられる。いくつかの実施形態において、標的分子は一種以上の不純物または廃棄物であり得、タンパク質、無機種、例えば金属、金属イオンまたはイオン、例えば炭酸イオン、硫酸イオン、酸化物イオン、リン酸イオン、重炭酸イオンおよび工業的に一般に見られる他のイオン、住居的および生物学的供給流、小有機分子、例えば限定されないが、染料、殺虫剤、肥料、添加剤、安定剤、プロセス副産物および汚染物質を含むもの、ＤＮＡ、ＲＮＡ、リン脂質、ウイルスまたはバイオプロセスからの他の細胞細片が挙げられる。なおさらなる実施形態において、上流の親和性分離プロセスからの浸出配位子、例えば、タンパク質Ａまたは他の親和性配位子も標的分子であり得る。他の実施形態において、本明細書に記載される複合濾過物品を使用して、例えば吸着または酵素反応のいずれかを経て、廃棄物または飲料水流から様々な化学種または生物種を除去することができる。
「フィルターカートリッジ」は固定相微粒子が充填され得る濾過デバイスを意味し；
「フィルターカートリッジハウジング」は、フィルターカートリッジのための支持構造を意味し；
「マクロ多孔性」は、乾燥状態においても永久多孔性構造を有する粒子を指す。溶媒と接触時に樹脂は膨張し得るが、多孔性構造を通して粒子の内部への接近を可能にするために膨張は必要でない。
「ゲル型樹脂」または「ゲル」は乾燥状態において永久多孔性構造を有さないが、適切な溶媒によって膨張して粒子の内部への接近を可能にする。マクロ多孔性およびゲル粒子は、Ｓｈｅｒｒｉｎｇｔｏｎ、Ｃｈｅｍ．Ｃｏｍｍｕｎ．、２２７５−２２８６（１９９８）にさらに記載される。マクロ多孔性イオン交換樹脂は、典型的に２０〜３０００オングストロームの径の細孔を有する（すなわち細孔径は、窒素吸着を使用して様々な相対圧力で低温条件下で、または水銀圧入ポロシメトリーによって特徴づけられる）。
「分離フィルターアセンブリ」は、その上流面上に固定相微粒子が位置する複合フィルター媒体を含むフィルターカートリッジ、好ましくはデッドエンドフィルターカートリッジを含有するハウジングを意味し；
「分離システム」は、貯蔵器中に含有された少なくとも一種の生体高分子溶質を含む溶液混合物、分離フィルターアセンブリまたはクロマトグラフィカラム、ポンプおよびフィルターカートリッジと貯蔵器とポンプと関連するチューブを意味し；
「分離デバイス」は、デバイスを通しての流体通過の少なくとも１つの手段と、デバイス内で固定相微粒子を保持する手段とを含む容器を意味し；
「流動速度」は、フィルタリングエレメント中を通過する液体流の速度を意味し、そして濾過層の断面表面積によって分割される流速と等しい。このように記載されて、液体流の流れを特徴づけることができ、そしてこれは濾過層のサイズに依存しない。流動速度はフィルターを横切る圧力低下にも関与し、すなわち、流動速度の増加は一般的に系圧の増加を意味する。市販フィルターカートリッジの適用において、液体流の最大量を処理する最小サイズのフィルターを提供することは非常に所望である。従って、流速を増加させることによって流動速度を増加させることは望ましい；
「固定相微粒子」は、溶液混合物中の重要な構成物と結合会合を形成することができる不溶性微粒子を意味し；具体的な結合会合としては、吸着、イオン交換、疎水性および親和性相互作用が挙げられる；
「不溶物」は、２３℃で１００部の溶媒中に１部以下の微粒子が溶解することを意味し；そして
「フィルターカートリッジ圧」は、分離システムにおいてフィルターカートリッジユニットを横切る圧力の、インレットまたは上流とアウトレットまたは下流との間の差異を意味する。

図６は本発明の分離システム８０の概略図である。貯蔵器８１は、水性固定相微粒子スラリー８２および／または生体高分子溶液混合物８２を含有し、撹拌装置８３によって撹拌が提供される。スラリーまたは溶液８２は分離フィルターアセンブリ８６（フィルターカートリッジ（図示せず）の濾過層の上流面上に位置する固定相微粒子を含有する）を通してポンプ８５によってアウトレットチューブ８４からポンピングされ、そしてインレットチューブ８７を経て貯蔵器へ戻される（矢印は液体流動方向を示す）。

特に本発明は、
１）生体高分子と吸着、イオン交換、疎水性または親和性結合が可能である（本明細書に記載の）固定相微粒子がその上流面上に位置する複合フィルター媒体を含むフィルターカートリッジ（好ましくは、デッドエンドフィルターカートリッジ）と、一種または二種以上の生体高分子溶質を含む溶液混合物を収容する貯蔵器と、（好ましくは閉ループ系を形成する）ポンプおよびフィルターカートリッジと貯蔵器とポンプと関連するチューブとを含有する分離システムを提供する工程と、
２）（任意に再循環を伴って）固定相微粒子への選択された生体高分子の結合を達成するためにフィルターカートリッジアセンブリを通して溶液混合物をポンピングする工程とであって、フィルターエレメントを通してのポンピングが、最高０．３４ＭＰａ、好ましくは最高０．２５ＭＰａ）のフィルターカートリッジ圧力において少なくとも０．０１ｃｍ／分、好ましくは少なくとも０．１０ｃｍ／分、そしてより好ましくは少なくとも０．３０ｃｍ／分の流動速度で実行される工程と；
３）任意に、開ループまたはワンパス手順において、選択された吸着、イオン交換、疎水性または親和性結合相互作用によって、固定相微粒子に結合されない望ましくない生体高分子および他の溶質を除去するために適切な液体によって生体高分子：固定相微粒子生成物を洗浄する工程と、
４）任意に、分離および精製された生体高分子を遊離するために生体高分子：固定相微粒子結合相互作用を逆転する脱結合溶液の好ましくは（最初の溶液混合物の容積と比較して）減少された容積をポンピングする工程と、
を含む生体高分子の分離または精製の方法を提供する。

液体流の濾過による微粒子の除去は、以下の濾過メカニズムの１つまたは組み合わせを適用することによって達成され、各メカニズムによって操作される液体フィルターカートリッジは現在、市販品として入手可能である。本発明は、濾過層が流動分離システムにおいて固定相微粒子を保持するこれらの濾過メカニズムを利用する。
ｉ）表面濾過−この手順は、微粒子を含有する液体流が、大きさを設定された穴または孔の分布を有するフィルターエレメントに直面し、そして微粒子に濾過層を通して湾曲した経路を提供するものである。従来技術においては、微粒子は濾過層内での吸着および／またはエントラップメントによって大部分が除去された。表面濾過は、しばしば系に適用される粗いかまたは第１の濾過手順であり、数百マイクロメートル（直径で最大の寸法）から約１マイクロメートルまでの粒度を有する微粒子を除去するように設計されたものであって、不明確な細孔径のため微粒子の不完全な除去の問題があり、そしてフィルターが充填されるとフィルターカートリッジ圧は一定に迅速に増加する。
ｉｉ）表面（ケーキ）濾過−この手順は本発明において好ましく、液体流の処理において表面濾過に続いてしばしば行なわれる。従来技術において、これは明確に画定された細孔径を有するガラスまたはポリマーマイクロファイバーの多層を使用して一般的に実行され、そして微粒子は一般的に濾過層内に浸透しないが、層の上流面上に閉じ込められたままである。約０．１マイクロメートルまでの粒度の微粒子が効率よく充填され得る。高い流動速度は容易に達成可能であり、そしてフィルターがほぼ充満されるまで、比較的多量の微粒子が比較的低い系圧において充填される。本発明において、液体流の多くの逆転によって濾過層の表面上で濾過された粒子を充填または再調整することは都合がよい；このような機会は深層フィルターで存在しない。
ｉｉｉ）膜（スクリーンまたは篩分け）濾過−この濾過メカニズムは、精密に画定された非常に小さい孔が存在することを除いて表面濾過と非常に類似しており、０．０５マイクロメートル程度の小さい径の微粒子の充填が可能である。

吸着分離は、固定相の極性基と生体高分子上の多種多様な極性基との結合会合を利用する。これらの結合会合は一般的に、双極子間およびイオン−双極子間相互作用の形態である。固定相と生体高分子溶質との間の上記結合会合が最大化されて結合がもたらされるように、精製操作の結合段階または分離段階は通常、比較的低イオン強度の緩衝水溶媒から行われる。低イオン強度の緩衝水溶液による洗浄後、一般に利用される溶出溶液は比較的多量の溶解塩および付随する高イオン強度を有するため、固定相と溶解塩との間の相互作用によって固定相から生体高分子が置換され、そして生体高分子は再溶解し、より純粋な形態で分離システムから回収可能である。

このようにフィルターカートリッジ、フィルターハウジングおよび固定相微粒子を記載したが、分離システムを調製する方法を以下に詳述する。このプロセスは、以下の工程：
ｉ）ハウジングに含有される本発明の複合フィルター媒体を含むフィルターカートリッジと、少なくとも０．０１ｃｍ／分の流動速度を送達可能であるポンプおよびフィルターカートリッジと貯蔵器とポンプと関連するチューブとを含むアセンブリを提供する工程と、
ｉｉ）分離フィルターアセンブリ中で循環を受けて生体高分子の分離が実行されるように、貯蔵器中の少なくとも一種の生体高分子溶質を含む生物学的溶液混合物を導入する工程と
を含む。

本発明において有用なポンプは、フィルターカートリッジを通して０．０１ｃｍ／分を超える、好ましくは０．１０ｃｍ／分を超える、より好ましくは０．３０ｃｍ／分を超える流動速度を提供する。二種以上の生体高分子溶質を含むスラリーおよび溶液混合物の少なくとも一種がそれを通して流動するポンプおよび関連ガスケットおよびチューブ／パイプは、好ましくは比較的に溶液によって化学的に影響を受けない。好ましいポンプとしては、ペリスタル、ダイヤフラム、ギアおよび遠心駆動ポンプが挙げられ、ここでは溶液と接触している実際のポンプ構成部分はステンレス鋼またはポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）から構成されている。ゴムまたはプラスチックチューブ／パイプのほとんどの種類は水性媒体中で実行される充填および分離に適切であるが、有機溶媒の水性混合物が利用される場合、ポリプロピレン、ポリエチレン、ＰＴＦＥ、ステンレス鋼およびガラスチューブが好ましく利用される。フィルターハウジングおよび他の分離システムとのフィルターカートリッジの接続を連結する好ましいガスケット材料としては、ＰＴＦＥおよびポリプロピレンが挙げられる。

フィルターカートリッジは、以下の工程：
ｉ）ハウジングに含有される本発明の複合フィルター媒体を含むフィルターカートリッジと、少なくとも０．０１ｃｍ／分の流動速度を送達可能であるポンプおよびフィルターカートリッジと貯蔵器とポンプと関連するチューブとを含むアセンブリを提供する工程と、
ｉｉ）適切な溶媒中の微粒子のスラリーを提供する工程と、
ｉｉｉ）所望の量の固定相微粒子が充填されるまで、再生利用の様式でフィルターカートリッジを通してスラリーをポンピングする工程と
を含む「湿式」充填技術によって充填され得る。好ましくは、フィルターカートリッジ圧力は約０．１５ＭＰａ未満、より好ましくは０．１０ＭＰａ未満、そして最も好ましくは０．０５ＭＰａ未満である。

最短期間で精製された生体高分子の最大量、すなわち高い処理量を得ることは、通常、望ましい。高い処理量は、しばしば文献において、生産性（または生産率）として、または１時間あたりの時クロマトグラフィ樹脂１リットルあたり精製される生成物の量として定義される。市販品として入手可能なタンパク質Ａ樹脂の典型的な生産性は、ファーナー（Ｆａｈｒｎｅｒ）ら、Ｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌ．Ａｐｐｌ．Ｂｉｏｃｈｅｍ．、１９９９、３０、１２１−１２８によって、１３−２３ｇ／Ｌ／時間の範囲内であると報告された。本発明の分離システムを使用することによって、＞２５ｇ／Ｌ／時間、＞４０ｇ／Ｌ／時間、＞７０ｇ／Ｌ／時間および＞１００ｇ／Ｌ／時間の捕捉効率および／または生産性が達成可能である。溶液混合物が複合濾過媒体を通過し（すなわち流動速度）、そして再生利用される速度は、本発明における機能の重要な基準であると決定される。１つの非常に重要な要因は、主に低圧操作のため、本発明の分離フィルターアセンブリが所定の時間で溶液混合物のより大容積の処理を可能にするということである。本発明の分離フィルターアセンブリの高効率に寄与し得る他の要因は：１）充填されたカラムで利用されるより大きい粒子と比較して、比較的高い表面積および低下された拡散限度を有するより小さい固定相微粒子を利用する能力；２）より高い流動速度における生体高分子溶質および固定相微粒子のより良好な剪断混合；および３）より高い流動速度におけるフィルタリングエレメントのプリーツまたは折り目内に深く含有される、より多量の微粒子への接近；である。少なくとも０．０１ｃｍ／分の溶液混合物通過の流動速度が好ましく、より好ましくは少なくとも０．１０ｃｍ／分、そして最も好ましくは少なくとも０．３０ｃｍ／分である。

実施例４
ＣＭ−セファデックス（Ｓｅｐｈａｄｅｘ）Ｃ５０は、小規模タンパク質精製のために有用なイオン交換樹脂である。製造業者は４５ｃｍ／時間の最大の流速を推奨しており、この樹脂が大規模なカラム使用のためには軟質であることを示す。４０℃で一晩混合することによって、試料を１０ｍＭリン酸ナトリウム緩衝液中で水和した。沈殿した樹脂１０ｍｌを実施例１に記載の分離システムに充填し、そして１１３４ｍｌ／分の流速で、充填されたフィルターカプセルを通してウサギＩｇＧの溶液（１０ｍＭリン酸塩中０．１７ｍｇ／ｍｌ、ｐＨ７．２）を再循環することによってＩｇＧ吸着に関して評価した。時間経過に従って採取された試料のＵＶ分析はＩｇＧの急速な吸着を示し、６分で３．９ｍｇ／ｍｌの樹脂が吸着し、そして２５分以内で４．５ｍｇ／ｍｌの平衡吸着が達成された。製造業者によると、有効容量（飽和容量）は７ｍｇ／ｍｌであると規定されている。実験の間、流速の変化または圧力増加は観測されなかった。

その上流面上に位置する固定相微粒子の層を含む濾過層を含む複合濾過媒体の横断面の概略図。本発明の複合濾過媒体のエンボスパターンの斜視図。本発明の円筒状プリーツフィルターエレメントの斜視図。本発明の円筒状フィルターカートリッジのための支持部材の斜視図。本発明の分離フィルターアセンブリの斜視図。本発明の分離システムの概略図。

Claims

少なくとも一層の多孔性繊維状濾過層を含むフィルターエレメントと、標的分子と結合可能な少なくとも一層の固定相微粒子とを含む複合フィルター媒体であって、前記固定相微粒子が破砕モノリシックポリマー粒子を含み、前記フィルターエレメントが上流面と下流面とを含み、微粒子層が前記上流面上に配置される、クロマトグラフィ用複合フィルター媒体。
請求項１に記載の複合フィルター媒体を含むフィルターカートリッジ。
請求項２に記載のフィルターカートリッジと、溶質として少なくとも一種の標的生体高分子を含む溶液混合物を収容する貯蔵器と、前記少なくとも一種の生体高分子を固定相微粒子に結合して標的分子と固定相微粒子との生成物を形成するためにフィルターカートリッジを通して溶液混合物をポンピングするためのポンプおよび前記フィルターカートリッジと前記貯蔵器と前記ポンプと関連するチューブとを含む生体高分子の分離システム。
ａ）標的分子と結合可能な請求項１に記載の複合フィルター媒体を含むフィルターカートリッジと、溶質として少なくとも一種の標的分子を含む溶液混合物を収容する貯蔵器と、ポンプおよび前記フィルターカートリッジと前記貯蔵器と前記ポンプと関連するチューブとを含有する分離システムを提供する工程と、
ｂ）前記少なくとも一種の生体高分子を固定相微粒子に結合して標的分子と固定相微粒子との生成物を形成するために最大３４４．７ｋＰａ（５０ｐｓｉ）の圧力でフィルターカートリッジを通して溶液混合物をポンピングする工程と
を含む溶液混合物からの標的分子の分離方法。