KR102196653B1 - Quantitative analysis method of non-human sialic acid using Cucurbituril[7] - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전자분무이온화 방법을 이용하여 [CB[7]+시알산+NH4+H]2+ 복합체 이온을 형성한 후, 질량분석법을 이용하여 비인간 시알산의 분석능을 획기적으로 향상시킬 수 있는 쿠커비투릴[7]을 이용한 비인간 시알산의 정량 분석방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 쿠커비투릴[7]을 이용한 비인간 시알산의 정량 분석방법을 이용하면, 간단한 방법을 통해 시알산의 정확한 상대 정량 및 절대 정량을 가능하게 하는 효과가 있어 비인간 시알산의 분석 시간 및 비용을 획기적으로 감소시킬 수 있다.
In the present invention, after forming [CB[7] + sialic acid + NH 4 +H] 2+ complex ions using the electrospray ionization method, the analytical performance of non-human sialic acid can be dramatically improved using mass spectrometry. It relates to a method for quantitative analysis of non-human sialic acid using cucurbituril [7].
When the quantitative analysis method of non-human sialic acid using cucurbituril [7] according to the present invention is used, there is an effect of enabling accurate relative and absolute quantification of sialic acid through a simple method, thereby reducing the analysis time and cost of non-human sialic acid. It can be drastically reduced.

Description

쿠커비투릴[7]을 이용한 비인간 시알산의 정량 분석방법{Quantitative analysis method of non-human sialic acid using Cucurbituril[7]}Quantitative analysis method of non-human sialic acid using Cucurbituril[7]}

본 발명은 쿠커비투릴[7]을 이용한 비인간 시알산의 정량 분석방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for quantitative analysis of non-human sialic acid using cucurbituril [7].

단백질에 글리코실화 되어 있는 시알산들 중 N-glycolylneuraminic acid(Neu5Gc)와 N-acetylneuraminic acid(Neu5Ac)는 가장 높은 비율을 차지하고 있으며, 이들의 구조는 매우 유사하여 수산기 그룹(hydroxyl group)의 유무에 의해 구별된다. 이러한 구조적 유사성으로 인하여, Neu5Gc와 Neu5Ac가 혼합물로 존재할 경우, 물리적 특성이 유사하여 액체 크로마토그래피 상에서 용출 시간(elution time)이 겹치게 되기 때문에 이들을 정량적으로 분석하기 위해서는 Neu5Gc와 Neu5Ac의 유도체화(derivatization) 과정이 필수적으로 요구된다.Among the sialic acids glycosylated in proteins, N-glycolylneuraminic acid (Neu5Gc) and N-acetylneuraminic acid (Neu5Ac) occupy the highest proportions, and their structures are very similar, so they are distinguished by the presence or absence of a hydroxyl group. do. Due to this structural similarity, when Neu5Gc and Neu5Ac are present in a mixture, the physical properties are similar and the elution time on liquid chromatography overlaps. Therefore, in order to quantitatively analyze them, the derivatization process of Neu5Gc and Neu5Ac. This is essential.

한편, 쿠커비투릴[7](cucurbit[7]uril, CB[7])은 합성 고분자인 쿠커비투릴 동족체의 하나이다. 쿠커비투릴 동족체는 글라이코우릴(glycouril) 단량체로 구성되어 있고, 단량체의 개수에 따라 CB[6], CB[7], CB[8] 등이 존재한다. 이 동족체들은 가운데가 구멍이 뚫린 호박 모형으로써, 그 가운데의 크기에 알맞은 여러 게스트 분자(guest molecule)들을 수용할 수 있다. 구멍의 양 입구는 부분적으로 음전하를 띄는 카르보닐기가 단량체의 개수에 맞춰 존재하고, 구멍 내부는 소수성을 띄고 있다.Meanwhile, cucurbit[7]uril, CB[7]) is one of the cucurbituril homologues, which are synthetic polymers. Cucurbituril homologues are composed of glycouril monomers, and there are CB[6], CB[7] and CB[8] depending on the number of monomers. These homologues are amber models with a hole in the middle, which can accommodate multiple guest molecules that fit the size of the middle. At both entrances of the hole, a partially negatively charged carbonyl group exists in accordance with the number of monomers, and the inside of the hole is hydrophobic.

또한, 전자분무이온화 질량분석기는 전자분무이온화 기술과 질량분석기 기술이 합쳐져 있는 기기이다. 우선, 질량분석기란 질량분석법(mass spectrometry, MS)을 사용할 수 있는 기기를 지칭한다. 질량분석법이란 시료를 이온화한 뒤 수집하여, 그 개개의 이온을 질량과 전하의 비(mass to charge ratio, m/z)에 따라 분리, 검출해서 각 m/z에 따른 이온들의 양을 측정하는 방법이다. 또한, 전자분무이온화는 질량분석기에서 감지될 이온들을 생성하기 위한 연성이온화 (soft ionization) 기술로서, 고분자나 비공유결합 복합체들이 이온화 과정 중 쪼개져 조각 이온들이 생성되는 문제가 발생하지 않는바, 생명, 의약 분야에서 널리 활용되고 있다.In addition, the electrospray ionization mass spectrometer is a device that combines the electrospray ionization technology and the mass spectrometer technology. First of all, a mass spectrometer refers to an instrument capable of using mass spectrometry (MS). Mass spectrometry is a method of measuring the amount of ions according to each m/z by ionizing a sample and collecting it, separating and detecting individual ions according to the mass to charge ratio ( m/z ). to be. In addition, electrospray ionization is a soft ionization technology to generate ions to be detected in a mass spectrometer. As a problem that fragment ions are generated by splitting of polymers or non-covalent complexes during the ionization process does not occur, life, medicine It is widely used in the field.

전술한 기술적 배경하에서, 본 발명자들은 종래 Neu5Gc와 Neu5Ac 정량 분석 방법의 문제점을 해결하기 위해 예의 연구한 결과, Neu5Gc와 Neu5Ac 혼합 용액에 CB[7]과 아세트산암모늄(ammonium acetate, NH4OAc)을 혼합하여 전자분무이온화 질량분석법을 수행할 경우 별도의 유도체화 과정 없이도 정량 분석이 가능함을 확인하고 본 발명을 완성하였다.Under the above-described technical background, the present inventors have conducted extensive research to solve the problem of the conventional Neu5Gc and Neu5Ac quantitative analysis method, and as a result, CB[7] and ammonium acetate (ammonium acetate, NH 4 OAc) were mixed in a mixed solution of Neu5Gc and Neu5Ac. Thus, when performing the electrospray ionization mass spectrometry, it was confirmed that quantitative analysis was possible without a separate derivatization process, and the present invention was completed.

대한민국 공개특허 제10-2017-0076236호Republic of Korea Patent Publication No. 10-2017-0076236

본 발명에서는 전자분무이온화 방법을 이용하여 [CB[7]+시알산+NH4+H]2+ 복합체 이온을 형성한 후, 질량분석법을 이용하여 비인간 시알산의 분석능을 획기적으로 향상시킬 수 있는 쿠커비투릴[7]을 이용한 비인간 시알산의 정량 분석방법을 제공하고자 한다.In the present invention, after forming [CB[7]+sialic acid+NH 4 +H] 2+ complex ions using the electrospray ionization method, the analytical performance of non-human sialic acid can be dramatically improved by using mass spectrometry. We intend to provide a method for quantitative analysis of non-human sialic acid using cucurbituril[7].

본 발명은 상기 과제를 해결하기 위하여,The present invention in order to solve the above problems,

(a) 시알산 용액에 쿠커비투릴[7] 및 암모늄염을 혼합하여 혼합물을 생성하는 단계; (b) 상기 혼합물을 전자분무이온화전자분무이온화(electrospray ionization) 방법으로 이온화시켜 [CB[7]+시알산+NH4+H]2+ 복합체 이온을 형성하는 단계; 및 (c) 상기 복합체 이온을 질량분석법을 이용하여 정량 분석하는 단계;를 포함하는 쿠커비투릴[7]을 이용한 비인간 시알산의 정량 분석방법을 제공한다.(a) mixing cucurbituril[7] and an ammonium salt in a sialic acid solution to form a mixture; (b) forming [CB[7] + sialic acid + NH 4 +H] 2+ complex ions by ionizing the mixture by electrospray ionization; And (c) quantitatively analyzing the complex ions using mass spectrometry. It provides a quantitative analysis method of non-human sialic acid using cucurbituril [7].

본 발명에 따르면, 상기 시알산은 N-glycolylneuraminic acid(Neu5Gc), N-acetylneuraminic acid(Neu5Ac) 또는 이들의 혼합물일 수 있다.According to the present invention, the sialic acid may be N-glycolylneuraminic acid (Neu5Gc), N-acetylneuraminic acid (Neu5Ac), or a mixture thereof.

본 발명에 따르면, 상기 암모늄염은 아세트산암모늄, 염화암모늄, 탄산암모늄, 수산화암모늄으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상일 수 있다.According to the present invention, the ammonium salt may be at least one selected from the group consisting of ammonium acetate, ammonium chloride, ammonium carbonate, and ammonium hydroxide.

본 발명에 따르면, 상기 (b) 단계의 [CB[7]+시알산+NH4+H]2+ 복합체 이온은 상기 혼합물의 전자분무이온화에 의해, 쿠커비투릴[7]의 양 입구(portal) 중 어느 하나인 제1 입구 영역과 시알산의 양성자화된 아세트아마이드기(acetamide group)의 기체상 호스트-게스트 상호작용 및 쿠커비투릴[7]의 양 입구(portal) 중 다른 하나인 제2 입구 영역과 암모늄 이온, 시알산의 수산기(hydroxyl group)의 기체상 호스트-게스트 상호작용에 의해 형성되는 것을 특징으로 할 수 있다.According to the present invention, the [CB[7] + sialic acid + NH 4 +H] 2+ complex ions in the (b) step are formed in both ports of cucurbituril [7] by electrospray ionization of the mixture. The gas phase host-guest interaction of either the first inlet region and the protonated acetamide group of sialic acid and the second inlet region and the other one of the two portals of cucurbituril [7] and ammonium It may be characterized in that it is formed by a gas phase host-guest interaction of ions and hydroxyl groups of sialic acid.

본 발명에 따르면, 상기 시알산의 정량 분석 시 상기 (a) 단계의 시알산 용액은 서로 다른 복수의 분석대상 시알산이 혼합되어 있는 것을 특징으로 할 수 있다.According to the present invention, in the quantitative analysis of the sialic acid, the sialic acid solution of step (a) may be characterized in that a plurality of different sialic acids to be analyzed are mixed.

본 발명에 따르면, 상기 시알산의 정량 분석은 표준 첨가법(standard addition method)으로 도출한 검정 곡선을 통해 수행할 수 있다.According to the present invention, the quantitative analysis of sialic acid can be performed through a calibration curve derived by a standard addition method.

본 발명에 따른 쿠커비투릴[7]을 이용한 비인간 시알산의 정량 분석방법을 이용하면, 간단한 방법을 통해 시알산의 정확한 상대 정량 및 절대 정량을 가능하게 하는 효과가 있어 비인간 시알산의 분석 시간 및 비용을 획기적으로 감소시킬 수 있다. When the quantitative analysis method of non-human sialic acid using cucurbituril [7] according to the present invention is used, there is an effect of enabling accurate relative and absolute quantification of sialic acid through a simple method, thereby reducing the analysis time and cost of non-human sialic acid. It can be drastically reduced.

도 1은 시알산 분석을 위한 호스트-게스트 전략을 도식화한 것이다. (a)는 CB[7], Neu5Gc 및 Neu5Ac의 구조를 나타낸 것이고, (b)는 본 발명에 이용된 호스트-게스트 화학에 대한 모식도, (c)는 CB[7], Neu5Gc 및 Neu5Ac를 함유하는 혼합물의 질량 스펙트럼 결과를 나타낸다.
도 2는 기체상 호스트-게스트 화학을 이용한 시알산의 정량화 결과를 나타낸 것이다. (a)는 상이한 총 시알산 농도([SA]t)에서의 Neu5Gc 및 Neu5Ac의 공존 비율(Complexation proportion)을 나타낸 검정 곡선이다. (b)는 상기 (a)의 검정 곡선을 기반으로 시알산 이원 혼합물을 정량한 결과를 나타낸다. x축은 이원 혼합물 내 각 시알산의 농도([SA]sol)이고 y축은 본 발명에 따른 분석법을 통해 유추한 시알산 이원 혼합물들의 농도([SA]det)를 나타낸다. (c)는 상기 (a)의 검정 곡선을 기반으로 단일 시알산 용액을 정량한 결과를 나타낸다. x축과 y축은 각각 용액 내 시알산의 농도([SA]sol)와 본 발명에 따른 분석법을 통해 유추한 시알산의 농도([SA]det)를 나타낸다.
도 3은 시알산과 CB[7]의 기체상 복합체화(Gas-phase complexation)를 나타낸 것이다. (a) CB[7]-시알산 복합체 이온 및 free CB [7] 이온의 IM 스펙트럼 결과를 나타낸 것이다. 각 이온의 실험 충돌 단면(experimental collision cross section)은 각 IM 피크 상단에 표시하였다. (b)는 Neu5Gc 및 Neu5Ac의 아세트아마이드 그룹의 2가지 양자화 구조를 나타낸 것이다. (c)는 CB[7]-Neu5Gc (상부) 및 CB[7]-Neu5Ac (하부) 복합체 이온의 대표 구조를 나타낸 것이다. (d)는 시알산 이온의 상대적 결합 에너지 (ΔBEs)를 나타낸 것이다. ΔBEs는 O-양성자화된 Neu5Gc 이온의 결합 에너지의 차이를 나타낸다. (e)는 상기 대표 구조의 확장된 구조를 나타낸 것이다.
도 4는 기체상 호스트-게스트 화학을 이용한 당 단백질 내 시알산의 정량결과를 나타낸 것이다. 모든 단백질들은 본 도면에서 생략하였다. Cetuximab (cet)의 μgsialic acid/mgprotein 값과 bovine mucin I-S (mucin)의 molsialic acid/molprotein 값은 cet 표본의 용액 상태와 mucin의 알려지지 않은 서열의 결과로 cet의 질량과 mucin의 몰 농도를 얻을 수 없기 때문에 제외하였다. 기준 농도는 이전에 보고된 농도를 평균하여 수득하였다.
도 5는 시알산 이원 혼합물에 CB[7] 및 NH4OAc를 첨가하였을 때의 질량 분석 스펙트럼 결과를 나타낸 것이다.
1 is a schematic diagram of a host-guest strategy for sialic acid analysis. (a) shows the structures of CB[7], Neu5Gc and Neu5Ac, (b) is a schematic diagram of the host-guest chemistry used in the present invention, (c) is CB[7], Neu5Gc and Neu5Ac. The mass spectrum result of the mixture is shown.
2 shows the results of quantification of sialic acid using gaseous host-guest chemistry. (a) is a calibration curve showing the Complexation proportion of Neu5Gc and Neu5Ac at different total sialic acid concentrations ([SA] t ). (b) shows the result of quantifying the sialic acid binary mixture based on the calibration curve of (a). The x-axis represents the concentration of each sialic acid in the binary mixture ([SA] sol ), and the y-axis represents the concentration of the sialic acid binary mixtures ([SA] det ) inferred through the analysis method according to the present invention. (c) shows the results of quantifying a single sialic acid solution based on the calibration curve of (a). The x-axis and y-axis represent the concentration of sialic acid in the solution ([SA] sol ) and the concentration of sialic acid inferred through the analysis method according to the present invention ([SA] det ), respectively.
3 shows gas-phase complexation of sialic acid and CB[7]. (a) The results of the IM spectrum of CB[7]-sialic acid complex ions and free CB [7] ions are shown. The experimental collision cross section of each ion is indicated at the top of each IM peak. (b) shows two quantization structures of the acetamide group of Neu5Gc and Neu5Ac. (c) shows the representative structures of complex ions of CB[7]-Neu5Gc (top) and CB[7]-Neu5Ac (bottom). (d) shows the relative binding energy (ΔBEs) of sialic acid ions. ΔBEs represents the difference in binding energy of O-protonated Neu5Gc ions. (e) shows the expanded structure of the representative structure.
Figure 4 shows the quantitative results of sialic acid in the glycoprotein using gaseous host-guest chemistry. All proteins are omitted from this figure. The value of μg sialic acid /mg protein in cetuximab (cet) and mol sialic acid /mol protein in bovine mucin IS (mucin) is the result of the solution state of the cet sample and the unknown sequence of mucin, resulting in the mass of cet and the molar concentration of mucin. Was excluded because it could not be obtained. The reference concentration was obtained by averaging the previously reported concentrations.
5 shows the results of mass spectrometry when CB[7] and NH 4 OAc were added to the sialic acid binary mixture.

이하, 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.

전술한 바와 같이, 단백질에 글리코실화 되어 있는 시알산들 중 N-glycolylneuraminic acid(Neu5Gc)와 N-acetylneuraminic acid(Neu5Ac)는 가장 높은 비율을 차지하고 있으며, 이들의 매우 유사한 구조로 인해 정량 분석이 어렵다는 문제가 있으며, 종래 시알산의 정량 분석 기술들은 긴 분석시간을 필요로 하는 시알산들의 유도체화(derivatixation) 과정이 요구된다는 단점이 있다.As described above, among the sialic acids glycosylated in proteins, N-glycolylneuraminic acid (Neu5Gc) and N-acetylneuraminic acid (Neu5Ac) occupy the highest proportions, and their very similar structures make it difficult to quantify. In addition, conventional techniques for quantitative analysis of sialic acid have a disadvantage that a derivatization process of sialic acids that requires a long analysis time is required.

이에, 본 발명에서는 전자분무이온화 방법을 이용하여 [CB[7]+시알산+NH4+H]2+ 복합체 이온을 형성한 후, 질량분석법을 이용하여 비인간 시알산의 분석능을 획기적으로 향상시킬 수 있는 쿠커비투릴[7]을 이용한 비인간 시알산의 정량 분석방법을 제공하고자 한다.Accordingly, in the present invention, after forming [CB[7]+sialic acid+NH 4 +H] 2+ complex ions using the electrospray ionization method, the analytical performance of non-human sialic acid is dramatically improved using mass spectrometry. We intend to provide a method for quantitative analysis of non-human sialic acid using cucurbituril [7] that can be used.

도 1은 본 발명에 따른 호스트-게스트 전략을 이용한 시알산의 정량 분석 방법을 도식화한 것이다.1 is a schematic diagram of a method for quantitative analysis of sialic acid using a host-guest strategy according to the present invention.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 비인간 시알산의 정량 분석방법은 (a) 시알산 용액에 쿠커비투릴[7] 및 암모늄염을 혼합하여 혼합물을 생성하는 단계; (b) 상기 혼합물을 전자분무이온화전자분무이온화(electrospray ionization) 방법으로 이온화시켜 [CB[7]+시알산+NH4+H]2+ 복합체 이온을 형성하는 단계; 및 (c) 상기 복합체 이온을 질량분석법을 이용하여 정량 분석하는 단계;를 포함한다.Referring to FIG. 1, a method for quantitative analysis of non-human sialic acid according to the present invention includes the steps of: (a) mixing cucurbituril[7] and an ammonium salt in a sialic acid solution to produce a mixture; (b) forming [CB[7] + sialic acid + NH 4 +H] 2+ complex ions by ionizing the mixture by electrospray ionization; And (c) quantitatively analyzing the complex ions using mass spectrometry.

이때, 상기 시알산은 당업계에 공지된 시알산이라면 특별히 한정되지 않으나, 바람직하게는 N-glycolylneuraminic acid(Neu5Gc), N-acetylneuraminic acid(Neu5Ac) 또는 이들의 혼합물일 수 있다.At this time, the sialic acid is not particularly limited as long as it is a sialic acid known in the art, but may be preferably N-glycolylneuraminic acid (Neu5Gc), N-acetylneuraminic acid (Neu5Ac), or a mixture thereof.

또한, 상기 암모늄염은 암모늄 이온을 포함하는 염이라면 이에 제한되는 것은 아니지만, 바람직하게는 아세트산암모늄, 염화암모늄, 탄산암모늄, 수산화암모늄으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상일 수 있다.In addition, the ammonium salt is not limited thereto as long as it contains an ammonium ion, but may be preferably at least one selected from the group consisting of ammonium acetate, ammonium chloride, ammonium carbonate and ammonium hydroxide.

또한, 상기 (b) 단계의 [CB[7]+시알산+NH4+H]2+ 복합체 이온은 상기 혼합물의 전자분무이온화에 의해, 쿠커비투릴[7]의 양 입구(portal) 중 어느 하나인 제1 입구 영역과 시알산의 양성자화된 아세트아마이드기(acetamide group)의 기체상 호스트-게스트 상호작용 및 쿠커비투릴[7]의 양 입구(portal) 중 다른 하나인 제2 입구 영역과 암모늄 이온, 시알산의 수산기(hydroxyl group)의 기체상 호스트-게스트 상호작용에 의해 형성될 수 있다.In addition, the [CB[7] + sialic acid + NH 4 +H] 2+ complex ion in the step (b) is one of the two portals of cucurbituril [7] by electrospray ionization of the mixture. The gas phase host-guest interaction of the first inlet region and the protonated acetamide group of sialic acid and the second inlet region, the other of the two portals of cucurbituril [7], and ammonium ions, sialic acid It can be formed by gaseous host-guest interactions of the acid's hydroxyl groups.

또한, 본 발명은 분석대상 시알산이 혼합되어 있는 경우에는 각 시알산별로 정량화할 수 있는데, 이때, 상기 (a) 단계의 시알산 용액은 서로 다른 복수의 분석대상 시알산이 혼합되어 있으며, 하기 실시예에서 설명하는 바와 같이 표준 첨가법(standard addition method)으로 도출한 검정 곡선을 통해 수행할 수 있다.In addition, in the present invention, when the sialic acid to be analyzed is mixed, it can be quantified for each sialic acid. In this case, the sialic acid solution of step (a) contains a plurality of different sialic acids to be analyzed, and the following examples This can be done through the calibration curve derived by the standard addition method as described in.

이하에서는 바람직한 실시예 등을 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 그러나 이들 실시 예 등은 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이에 의하여 제한되지 않는다는 것은 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to preferred embodiments. However, these examples and the like are for describing the present invention in more detail, and it will be apparent to those of ordinary skill in the art that the scope of the present invention is not limited thereto.

실험 방법Experimental method

재료material

N-glycolylneuraminic acid(Neu5Gc)와 N-acetylneuraminic acid(Neu5Ac)의 표준 물질(standards), 쿠커비투릴[7], 아세트산암모늄(NH4OAc), 포름산(Formic acid, FA), 아세트산(≥99%), Bovine mucin I-S, bovine transferrin, human transferrin, human α1-acid glycoprotein, HEK293 세포에서 발현되는 erythropoietin은 Sigma-Aldrich (St. Louis, MO, USA)에서 구입하였다. 염화수소 표준 용액 (6.0 M)은 Honeywell Fluka (Morris Plains, NJ, USA)에서 구입하였다. 제1 및 제2 인산나트륨(sodium phosphate)은 Biosesang (Seongnam, Gyeonggi, South Korea)에서 구입하였다. Cetuximab (Erbitux)은 고려대학교 의과대학으로부터 기증받았다. 다공성 그래파이트 탄소 (HyperSep Hypercarb SPE 카트리지)가 충진된 고상 추출 카트리지는 ThermoFisher Scientific (Waltham, MA, USA)에서 구입하였다. 용매로는 HPLC-등급 물과 아세토니트릴 (ACN) (Avantor Performance Materials, Center Valley, PA, USA)을 사용하였다.Standards of N-glycolylneuraminic acid (Neu5Gc) and N-acetylneuraminic acid (Neu5Ac), cucurbituril[7], ammonium acetate (NH 4 OAc), formic acid (FA), acetic acid (≥99%), Bovine mucin IS, bovine transferrin, human transferrin, human α1-acid glycoprotein, and erythropoietin expressed in HEK293 cells were purchased from Sigma-Aldrich (St. Louis, MO, USA). Hydrogen chloride standard solution (6.0 M) was purchased from Honeywell Fluka (Morris Plains, NJ, USA). The first and second sodium phosphate were purchased from Biosesang (Seongnam, Gyeonggi, South Korea). Cetuximab (Erbitux) was donated by Korea University School of Medicine. A solid-phase extraction cartridge filled with porous graphite carbon (HyperSep Hypercarb SPE cartridge) was purchased from ThermoFisher Scientific (Waltham, MA, USA). As a solvent, HPLC-grade water and acetonitrile (ACN) (Avantor Performance Materials, Center Valley, PA, USA) were used.

전자분무 이온화 질량분석법(Electrospray ionization mass spectrometry ( ESIESI -MS)-MS)

호스트-게스트(host-guest) 화학을 사용하여 혼합물에서 시알산을 측정하기 위한 모든 MS 실험은 양이온 모드에서, ESI (electrospray ionization) 소스를 구비한 Agilent 6560 ion mobility quadrupole time-of-flight (IM-QTOF) 질량 분광계를 사용하여 수행하였다. All MS experiments for measuring sialic acid in mixtures using host-guest chemistry were performed in positive ion mode, Agilent 6560 ion mobility quadrupole time-of-flight (IM-) with an electrospray ionization (ESI) source. QTOF) mass spectrometer.

Neu5Gc 및 Neu5Ac의 정량화를 위한 CB[7]-시알산 복합체의 이온화를 위해, 가스 온도, 건조 가스 유량 및 분무기 압력을 각각 325 ℃, 3 L/min 및 20 psig로 설정 하였다. 시스 가스(sheath gas) 유량 및 온도는 각각 8 L/min 및 100 ℃로 설정하였다. VCap, 노즐 전압, 프래그먼트 전압 및 Oct 1 RF Vpp도 각각 3500, 2000, 350 및 700V로 설정하였다. IM 실험은 헬륨으로 채워진 드리프트 셀에서 수행하였으며, 드리프트 셀 압력은 3.950 Torr로 설정하였다. For the ionization of the CB[7]-sialic acid complex for quantification of Neu5Gc and Neu5Ac, gas temperature, dry gas flow rate and nebulizer pressure were set to 325°C, 3 L/min and 20 psig, respectively. Sheath gas flow rate and temperature were set to 8 L/min and 100°C, respectively. VCap, nozzle voltage, fragment voltage, and Oct 1 RF Vpp were also set to 3500, 2000, 350 and 700V, respectively. The IM experiment was performed in a drift cell filled with helium, and the drift cell pressure was set to 3.950 Torr.

컴퓨팅 계산 및 계산된 구조의 이론적인 Computing calculation and the theoretical of the calculated structure CCSsCCSs 계산 Calculation

모든 MD 시뮬레이션 결과는 GROMACS 4.5.5를 사용하여 수득하였다. 시뮬레이션을 위해 CHARMM 제너럴 포스필드(Vanommeslaeghe, K.; Hatcher, E.; Acharya, C.; Kundu, S.; Zhong, S.; Shim, J.; Darian, E.; Guvench, O.; Lopes, P.; Vorobyov, I. J. Comput. Chem. 2010, 31 (4), 671-690.)를 사용하였다. CB[7]-시알산 복합체 이온의 초기 구조는 Hyperchem 7.5 (Hypercube Inc., Gainesville, FL, USA)를 사용하여 구성하였다. MD 시뮬레이션은 후보 구조로서 기상의 복합체 이온의 최저 에너지 구조를 얻기 위해 수행되었다. 특정 구조물에 갇히는 것을 방지하기 위해 300K와 600K 사이에서 어닐링 시뮬레이션을 수행하였다. 300 어닐링 사이클 (90 ns)의 마지막 프레임을 추출하고, 포텐셜 에너지를 기준으로 각 복합체 이온에 대한 5 개의 구조를 선택하였다. 선택된 구조는 Becke three-parameter를 이용하고, Q-Chem 4.1 계산 패키지 (Q-Chem Inc., Pittsburgh, PA, USA)를 이용한 DFT 계산을 통해 더욱 최적화하였다. 복합체 이온의 이론적인 충돌 단면은 수정된 궤도법(modified trajectory method)을 사용하여 계산하였다(Tangvoranuntakul, P.; Gagneux, P.; Diaz, S.; Bardor, M.; Varki, N.; Varki, A.; Muchmore, E. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2003, 100 (21), 12045-12050.). 간략히, 이 CCS 계산 방법은 Exp-6 vdW 상호 작용 가능성을 분자 역학 포스필드(MMFF94)의 vdW 상호작용 변수와 결합한다. vdW 상호 작용 매개 변수는 다양한 이온의 정확한 CCS 예측을 위해 선형적으로 조정된다. All MD simulation results were obtained using GROMACS 4.5.5. For simulation, CHARMM General Forcefield (Vanommeslaeghe, K.; Hatcher, E.; Acharya, C.; Kundu, S.; Zhong, S.; Shim, J.; Darian, E.; Guvench, O.; Lopes, P.; Vorobyov, IJ Comput.Chem. 2010, 31 (4), 671-690.) was used. The initial structure of the CB[7]-sialic acid complex ion was constructed using Hyperchem 7.5 (Hypercube Inc., Gainesville, FL, USA). MD simulation was performed to obtain the lowest energy structure of the complex ions in the gas phase as a candidate structure. Annealing simulations were performed between 300K and 600K to prevent trapping in certain structures. The last frame of 300 annealing cycles (90 ns) was extracted, and five structures were selected for each complex ion based on the potential energy. The selected structure was further optimized through DFT calculation using the Becke three-parameter and the Q-Chem 4.1 calculation package (Q-Chem Inc., Pittsburgh, PA, USA). The theoretical collision cross section of the complex ions was calculated using a modified trajectory method (Tangvoranuntakul, P.; Gagneux, P.; Diaz, S.; Bardor, M.; Varki, N.; Varki, A.; Muchmore, E. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2003, 100 (21), 12045-12050.). Briefly, this CCS calculation method combines the Exp-6 vdW interaction potential with the vdW interaction variable of the Molecular Dynamics Forcefield (MMFF94). The vdW interaction parameters are linearly adjusted for accurate CCS prediction of various ions.

당단백질(Glycoprotein ( glycoproteinglycoprotein ) 내 시알산의 분리) Isolation of my sialic acid

당단백질 내 Neu5Gc와 Neu5Ac의 함량을 확인하기 위하여 다음의 분리 과정을 수행하였다. 우선 0.2-1.0 밀리그램의 당단백질은 HPLC grade의 수용액 120 마이크로리터에 녹였다. Cetuximab의 경우 용액으로 되어 있는 시료를 제공받았기 때문에 위 용액을 바로 실험에 사용하였다. 이후 4 몰농도의 acetic acid 100 마이크로리터를 위 당단백질 100 마이크로리터에 섞은 뒤, 해당 용액을 80 ℃ 오븐에 3시간 30분 동안 두었다. 남은 20 마이크로리터 당단백질 용액은 UV-Vis를 통해 용액 내 당단백질의 농도를 확인하기 위하여 사용되었다. 다음으로 오븐에 두었던 시료를 정제하기 위하여 PGC SPE cartridge를 사용하였다. 단백질 시료를 주입하기 전에 해당 cartridge에 TFA 0.05%가 함유된 80% ACN 3 밀리미터를 주입하여 충전제를 씻어준 뒤, HPLC grade 수용액 2 밀리미터를 이어 주입하여 분리를 진행할 수 있는 환경이 되도록 준비하였다. 시료를 주입한 뒤, HPLC 수용액 1 밀리미터, 0.05% TFA가 함유된 10% ACN, 0.05% TFA가 함유된 20% ACN을 순차적으로 주입하였다. 시료를 주입한 뒤 각 elution을 e-tube에 받아 동결건조 하였으며, 건조가 완료된 시료는 100 마이크로리터 HPLC 수용액에 녹여 준비하였다. 마지막으로 Shim-pack GIS C18 column이 연결되어 있는 LCMS-8050을 이용하여 준비된 시료 내 시알산들을 분획하였다. 시알산들을 분획하기 위해 사용된 용매는 0.1% formic acid 수용액(A)과 0.1% formic acid ACN(B)이며, 해당 용매들의 변화도는 다음과 같다: 0-3.8 분, 0% B; 3.8-8.6분, B 용매가 0%부터 60%까지 선형적으로 증가; 8.6-10.6분, 60% B; 10.6-11.6분, B용매가 60%부터 0%까지 선형적으로 감소; 11.6-25.0분, 0% B. 최종적으로 얻은 분획된 용액을 동결 건조시킨 후, 표적 당 단백질의 시알산 정량에 이용하였다.The following separation process was performed to confirm the content of Neu5Gc and Neu5Ac in the glycoprotein. First, 0.2-1.0 milligrams of glycoprotein was dissolved in 120 microliters of HPLC grade aqueous solution. In the case of Cetuximab, since a sample in solution was provided, the above solution was used for the experiment. Thereafter, 100 microliters of 4 molar concentration of acetic acid was mixed with 100 microliters of gastric glycoprotein, and the solution was placed in an oven at 80° C. for 3 hours and 30 minutes. The remaining 20 microliters of glycoprotein solution was used to check the concentration of glycoprotein in the solution through UV-Vis. Next, a PGC SPE cartridge was used to purify the sample placed in the oven. Before injecting the protein sample, 3 millimeters of 80% ACN containing 0.05% TFA were injected into the cartridge to wash the filler, and then 2 millimeters of an HPLC grade aqueous solution was injected to prepare an environment in which separation can proceed. After the sample was injected, 1 millimeter of an aqueous HPLC solution, 10% ACN containing 0.05% TFA, and 20% ACN containing 0.05% TFA were sequentially injected. After the sample was injected, each elution was received in an e-tube and lyophilized, and the dried sample was prepared by dissolving in 100 microliter HPLC aqueous solution. Finally, sialic acids in the prepared sample were fractionated using LCMS-8050 to which a Shim-pack GIS C18 column was connected. The solvents used to fractionate the sialic acids are 0.1% aqueous formic acid solution (A) and 0.1% formic acid ACN (B), and the degree of gradient of the solvents is as follows: 0-3.8 min, 0% B; 3.8-8.6 min, solvent B increases linearly from 0% to 60%; 8.6-10.6 min, 60% B; 10.6-11.6 min, solvent B decreases linearly from 60% to 0%; 11.6-25.0 min, 0% B. The finally obtained fractionated solution was freeze-dried, and then used for quantification of sialic acid in a target glycoprotein.

결과 및 고찰Results and Discussion

ESIESI -MS를 통해, CB[7]을 이용한 시알산의 -Through MS, of sialic acid using CB[7] 초분자적Supramolecular 정량화 Quantification

Neu5Gc와 Neu5Ac 혼합 용액에 CB[7](10 μM)과 아세트산암모늄(ammonium acetate, NH4OAc)(200 μM)을 혼합하여 전자분무이온화 질량분석기를 통하여 분석한 결과, 기체상에서 Neu5Gc와 Neu5Ac가 모두 ESI 동안 CB [7]와 이중으로 하전된 복합체 이온을 형성 하며, 구체적으로 Neu5Gc와 Neu5Ac가 각각 CB[7]과 하나의 암모늄 이온 및 양성자와 복합체 이온을 형성함을 확인하였다(도 1c 및 도 5). Neu5Gc와 Neu5Ac의 몇 가지 복합 이온 피크는 스펙트럼에서 서로 중첩되어 관찰되었다(도 1c). 2개의 복합 이온 피크인 [CB[7]+Neu5Gc+NH4+H]2+ (observed: m/z 753.2409; calculated: m/z 753.2344) 와 [CB[7]+Neu5Ac+NH4+H]2+ (observed: m/z 745.2442; calculated: m/z 745.2458)는 그들의 단일동위원소 피크가 중첩되지 않았다. 시알산 이원혼합물의 정량을 위한 검정 곡선을 도출하기 위해, 두 시알산들의 농도를 아래의 [표 1]과 같이 준비하여 시알산 혼합물 용액을 제조한 후, 하기 식 1 내지 식 3을 이용하여 상기 시알산 이원 혼합물 용액들의 복합체 형성 비율을 도출한 후, 각 시알산의 용액 내 농도 비율을 함께 비교하여 도 2(a)의 검정 곡선으로 나타내었다:As a result of mixing CB[7] (10 μM) and ammonium acetate (NH 4 OAc) (200 μM) in a mixed solution of Neu5Gc and Neu5Ac and analyzed through an electrospray ionization mass spectrometer, both Neu5Gc and Neu5Ac were found in the gas phase. During the ESI, it was confirmed that the complex ions were double-charged with CB [7], and specifically, Neu5Gc and Neu5Ac formed a complex ion with CB[7] and one ammonium ion and a proton, respectively (Figs. 1c and 5 ). Several complex ion peaks of Neu5Gc and Neu5Ac were observed overlapping each other in the spectrum (Fig. 1c). Two complex ion peaks, [CB[7]+Neu5Gc+NH 4 +H] 2+ (observed: m/z 753.2409; calculated: m/z 753.2344) and [CB[7]+Neu5Ac+NH 4 +H] 2+ (observed: m/z 745.2442; calculated: m/z 745.2458) did not overlap their monoisotope peaks. In order to derive a calibration curve for quantification of a sialic acid binary mixture, a sialic acid mixture solution was prepared by preparing the concentrations of the two sialic acids as shown in [Table 1] below, and then using the following Equations 1 to 3 After deriving the complex formation ratio of the sialic acid binary mixture solutions, the concentration ratios in the solution of each sialic acid were compared together and shown as a calibration curve in FIG. 2(a):

[Neu5Gc]+[Neu5Ac] (μM)[Neu5Gc]+[Neu5Ac] (μM) [Neu5Gc]
(μM)
[Neu5Gc]
(μM)
[Neu5Ac]
(μM)
[Neu5Ac]
(μM)
[Neu5Gc]+[Neu5Ac] (μM)[Neu5Gc]+[Neu5Ac] (μM) [Neu5Gc]
(μM)
[Neu5Gc]
(μM)
[Neu5Ac]
(μM)
[Neu5Ac]
(μM)
0.50.5 0.050.05 0.450.45 2020 22 1818 0.150.15 0.350.35 66 1414 0.250.25 0.250.25 1010 1010 0.350.35 0.150.15 1414 66 0.450.45 0.050.05 1818 22 1.01.0 0.10.1 0.90.9 5050 55 4545 0.30.3 0.70.7 1515 3535 0.50.5 0.50.5 2525 2525 0.70.7 0.30.3 3535 1515 0.90.9 0.10.1 4545 55 2.02.0 0.20.2 1.81.8 7575 7.57.5 67.567.5 0.60.6 1.41.4 22.522.5 52.552.5 1.01.0 1.01.0 37.537.5 37.537.5 1.41.4 0.60.6 52.552.5 22.522.5 1.81.8 0.20.2 67.567.5 7.57.5 5.05.0 0.50.5 4.54.5 100100 1010 9090 1.51.5 3.53.5 3030 7070 2.52.5 2.52.5 5050 5050 3.53.5 1.51.5 7070 3030 4.54.5 0.50.5 9090 1010 1010 1One 99 33 77 55 55 77 33 99 1One

[식 1][Equation 1]

INeu5Gc = Im /z 753.24 I Neu5Gc = I m /z 753.24

[식 2][Equation 2]

INeu5Ac = Im /z 745.24 - 0.170 × Im /z 744.24 I Neu5Ac = I m / z 745.24 - 0.170 × I m / z 744.24

[식 3][Equation 3]

Complexation proportion for A = IA ÷ (IA + IB)Complexation proportion for A = I A ÷ (I A + I B )

여기서 INeu5Gc 및 INeu5Ac는 양성자 및 암모늄 양이온을 함유하는 Neu5Gc 및 Neu5Ac의 단일동위원소 복합체 이온 피크(monoisotopic complex ion peaks)의 강도를 나타낸다. 각각의 Im /z symbol은 아래 첨자에 기술된 m/z와 함께 단일동위원소 피크의 강도를 나타낸다. INeu5Gc는 [CB[7]+Neu5Gc+NH4+H]2+의 단일동위원소 피크 강도로부터 수득하였다(식 1). CB[7]-Neu5Ac 복합체 이온의 강도는 [CB[7]+Neu5Ac+NH4+H]2+ 의 단일동위원소 피크 강도로부터 [CB[7]+Neu5Gc+NH4+H-H2O]2+의 삼중동위원소 피크(tri-isotropic peak) 강도(observed: m/z 744.2398; calculated: m/z 744.2381)를 빼서, 삼중동위원소 피크와 단일동위원소 피크 사이의 중첩의 결과로서 INeu5Ac의 증가를 배제하여 수득하였다(식 2). CB [7]-dehydrated Neu5Gc 복합체의 삼중동위원소 피크의 단일동위원소 피크에 대한 강도 비율인 0.170은 복합체 이온의 동위원소 패턴으로부터 계산되었다. 시알산 (Neu5Gc 또는 Neu5Ac)에 대한 상대적인 복합체 형성 비율은 식 3을 사용하여 계산하였다. 다음으로, ESI 동안 이원 혼합물에서 Neu5Gc 및 Neu5Ac의 복합체 형성 비율을 조사하였다. 도 2a에 나타난 바와 같이, 이원 혼합물 용액에서의 복합체 형성 비율과 두 시알산들의 농도 비율은 강한 상관관계가 있는 것으로 관찰되었다.Here, I Neu5Gc and I Neu5Ac represent the intensity of monoisotopic complex ion peaks of Neu5Gc and Neu5Ac containing protons and ammonium cations. Each I m /z symbol represents the intensity of a monoisotope peak with m/z described in the subscript. I Neu5Gc was obtained from the monoisotope peak intensity of [CB[7]+Neu5Gc+NH 4 +H] 2+ (Equation 1). CB [7] the strength of the complex ion is -Neu5Ac [CB [7] + Neu5Ac + NH 4 + H] of a single isotope peak intensity of 2+ [CB [7] + Neu5Gc + NH 4 + H-H2O] 2+ By subtracting the tri-isotropic peak intensity (observed: m/z 744.2398; calculated: m/z 744.2381), the increase in I Neu5Ac as a result of the overlap between the triple isotope peak and the single isotope peak is obtained. It was obtained by exclusion (Equation 2). The intensity ratio of the triple isotope peak of the CB [7]-dehydrated Neu5Gc complex to the monoisotope peak of 0.170 was calculated from the isotope pattern of the complex ions. Relative ratio of complex formation to sialic acid (Neu5Gc or Neu5Ac) was calculated using Equation 3. Next, the rate of complex formation of Neu5Gc and Neu5Ac in the binary mixture during ESI was investigated. As shown in FIG. 2A, it was observed that the ratio of the complex formation in the binary mixture solution and the concentration ratio of the two sialic acids had a strong correlation.

두 시알산의 농도합과 농도비를 다르게 하며 농도비와 복합체 형성 비율 간의 직선성을 확인하였고, 그 결과 두 시알산의 농도 합이 0.5-100 μM 사이(0.5, 1, 2, 5, 10, 20, 50, 75, 100 μM)이고, Neu5Gc 대 Neu5Ac의 농도비가 10-90% 사이(10, 30, 50, 70, 90%)일 경우 이들은 시알산과 CB[7]의 총 농도에 관계없이 우수한 선형성을 보였다(R2 = 0.999)(도 2a). 또한, 두 시알산의 CB[7]에 대한 복합체화 선호도는 매우 유사하였는데, 두 시알산의 농도비가 1:1일 때, ESI-MS를 사용하여 Neu5Gc와 Neu5Ac의 측정된 복합체화 비율은 각각 47.2±0.9%와 52.8±0.9%였다 (도 2a). 또한, Neu5Gc과 Neu5Ac의 정량 한계는 각각 1.60 pmol, 0.65 pmol로 나타났으며, 확인된 linear range는 5-9,000 pmol로 측정된바, 본 발명에 따를 경우 유도체화 과정 없이도 시알산에 대한 정확한 정량 분석이 가능함을 확인하였다.The sum of the concentrations of the two sialic acids and the ratio of the concentration were different, and the linearity between the concentration ratio and the ratio of complex formation was confirmed. 50, 75, 100 μM), and when the concentration ratio of Neu5Gc to Neu5Ac is between 10-90% (10, 30, 50, 70, 90%), they have excellent linearity regardless of the total concentration of sialic acid and CB[7]. Was seen (R 2 = 0.999) (Fig. 2A). In addition, the complexing preferences of the two sialic acids for CB[7] were very similar. When the concentration ratio of the two sialic acids was 1:1, the measured complexing ratios of Neu5Gc and Neu5Ac using ESI-MS were 47.2, respectively. ±0.9% and 52.8±0.9% (Fig. 2a). In addition, the limits of quantification of Neu5Gc and Neu5Ac were 1.60 pmol and 0.65 pmol, respectively, and the confirmed linear range was measured to be 5-9,000 pmol.According to the present invention, accurate quantitative analysis of sialic acid without derivatization process It was confirmed that this is possible.

다음으로, 농도가 알려지지 않는 Neu5Gc와 Neu5Ac의 혼합액에 농도를 알고 있는 Neu5Gc와 Neu5Ac의 표준 혼합액를 섞은 뒤 표준 혼합액의 복합체 형성비와 미지 용액과 표준 혼합액이 섞인 용액의 복합체 형성비를 비교하여 미지 용액의 Neu5Gc와 Neu5Ac의 함량의 정량이 가능한지를 시험하였다. 구체적으로, 도 2b는 도 2a의 검정 곡선을 기반으로 시알산 이원 혼합물들을 정량한 결과를 나타낸 것이다. x축은 이원 혼합물 내 각 시알산의 농도이고 y축은 정량에 따라 유추된 시알산 이원 혼합물들의 농도이다. 이원 혼합물 내 시알산들은 표준 첨가법과 아래의 식 4를 사용하여 정량을 진행하였다.Next, mix the standard mixture of Neu5Gc and Neu5Ac with known concentrations in the mixture of Neu5Gc and Neu5Ac whose concentration is unknown, and then compare the complex formation ratio of the standard mixture and the complex formation ratio of the solution mixed with the unknown solution and the standard mixture. It was tested whether it was possible to quantify the contents of Neu5Gc and Neu5Ac. Specifically, FIG. 2B shows the results of quantifying sialic acid binary mixtures based on the calibration curve of FIG. 2A. The x-axis is the concentration of each sialic acid in the binary mixture, and the y-axis is the concentration of the sialic acid binary mixtures inferred by quantification. Sialic acids in the binary mixture were quantified using the standard addition method and Equation 4 below.

Figure 112019033844400-pat00001
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여기서, IA와 IB는 표준 용액을 첨가한 시료 용액의 각 CB[7]-시알산 복합체 이온의 질량분석기에서의 세기를 의미한다. V0, Vs, CA,s, CB,s는 각각 표준 용액을 첨가하기 전 시료의 부피, 첨가한 표준 용액의 부피, 표준용액의 시알산 A 혹은 B의 농도를 지칭한다. 위 실험에서는 50 μM의 Neu5Gc와 Neu5Ac가 들어 있는 표준 용액의 1-10 ㎕를 분석하고자 하는 용액 50 ㎕에 첨가하여 사용하였다. 측정 결과, 결정된 시알산 농도와 표준 용액 내 농도가 거의 일치함을 확인하였다(도 2b).Here, I A and I B mean the intensity of each CB[7]-sialic acid complex ion in the sample solution to which the standard solution was added in the mass spectrometer. V 0 , Vs, C A, s and C B, s refer to the volume of the sample before adding the standard solution, the volume of the standard solution added, and the concentration of sialic acid A or B in the standard solution, respectively. In the above experiment, 1-10 µl of a standard solution containing 50 µM of Neu5Gc and Neu5Ac was added to 50 µl of the solution to be analyzed. As a result of the measurement, it was confirmed that the determined sialic acid concentration and the concentration in the standard solution were almost identical (FIG. 2b).

다음으로, Neu5Gc 또는 Neu5Ac만 존재하는 용액에서도 같은 방법으로 정량 분석이 가능한지를 확인하였다. 구체적으로, 도 2c는 도 2a의 검정 곡선을 기반으로 시알산 용액을 정량한 결과를 나타낸 것이다. 이때, x축과 y축은 각각 용액 내 시알산의 농도와 정량에 따라 유추된 시알산의 농도이다. 각 시알산 용액은 시알산 이원 혼합물과 유사하게 표준 첨가법과 아래의 식 5를 사용하여 정량하였다.Next, it was confirmed whether quantitative analysis was possible in the same way even in a solution in which only Neu5Gc or Neu5Ac was present. Specifically, FIG. 2C shows the results of quantifying a sialic acid solution based on the calibration curve of FIG. 2A. At this time, the x-axis and y-axis are the concentration of sialic acid inferred according to the concentration and quantification of sialic acid in the solution, respectively. Each sialic acid solution was quantified using the standard addition method and Equation 5 below, similar to the sialic acid binary mixture.

Figure 112019033844400-pat00002
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위 실험에서는 50 μM의 Neu5Gc와 Neu5Ac가 들어 있는 표준 용액의 1-10 ㎕를 분석하고자 하는 용액 100 ㎕에 첨가하여 사용하였다. 측정 결과, 결정된 시알산 농도가 용액에서의 농도와 거의 일치함을 확인하였다(도 2c).In the above experiment, 1-10 μl of a standard solution containing 50 μM of Neu5Gc and Neu5Ac was added to 100 μl of the solution to be analyzed. As a result of the measurement, it was confirmed that the determined sialic acid concentration almost coincided with the concentration in the solution (Fig. 2c).

기체상에서In the gas phase CB[7]과 시알산 사이의 독특한 호스트- Unique host between CB[7] and sialic acid- 게스트guest 화학 chemistry

시알산과 CB[7]의 독특한 복합체 형성 특성을 이온 이동성 질량 분광법 (IM-MS)을 사용하여 연구하였다. IM-MS는 중성 버퍼 가스 (즉, He) 내의 약한 전기장 하에서 이온의 이동 속도로부터 결정된 충돌 단면적 (CCS)에 기초하여 이온의 구조적 특징에 관한 정보를 제공할 수 있다. 도 3a는 ATDs(ion arrival time distributions)에서 결정된 CCS 값과 함께 [CB[7]+sialic acid+NH4+H]2+ and [CB[7]+2H]2+의 이온 도착 시간 분포(ATD)를 나타낸다. 두 가지 시알산 각각의 복합체 이온들은 복합체 이온화되지 않은 CB[7] 이온(CCSCB[7] = 207.0 ± 0.6 Å2)에 비해 현저히 높은 CCS(CCSCB [7]- Neu5Gc = 227.9.0 ± 0.9 Å2; CCSCB [7]- Neu5Ac = 226.0 ± 0.4 Å2)를 나타내었다. 이것은 시알산 게스트의 상당 부분이 CB[7] 공동(cavity) 외부에 노출되어 놓여 있음을 의미한다.The unique complexing properties of sialic acid and CB[7] were studied using ion mobility mass spectrometry (IM-MS). IM-MS can provide information about the structural characteristics of ions based on the collision cross-sectional area (CCS) determined from the speed of movement of ions under a weak electric field in a neutral buffer gas (ie, He). Figure 3a shows the ion arrival time distribution of [CB[7]+sialic acid+NH 4 +H] 2+ and [CB[7]+2H] 2+ together with CCS values determined in ATDs (ion arrival time distributions). ). The complex ions of each of the two sialic acids were significantly higher in CCS (CCS CB [7] -Neu5Gc = 227.9.0 ± 0.9) compared to the unconjugated CB[7] ions (CCS CB [7] = 207.0 ± 0.6 Å 2 ). Å 2; CCS CB [7] - shown Neu5Ac = 226.0 ± 0.4 Å 2) . This means that a significant portion of the sialic acid guests are exposed outside the CB[7] cavity.

본 발명에서는 CB[7]의 양성자와 양성자화된 아세트아미드 그룹의 암모늄 양이온(도 3b, O- 및 N- 양성자화)의 복합체에서 시알산의 두 가지 가능한 양성자화 구조를 연구하였다. 분자 역학 (MD) 시뮬레이션과 밀도 함수 이론 (DFT) 계산으로부터 도출된 CB[7]-시알산 복합체 이온의 대표적인 구조는 도 3c에 나타내었다. Exp-6 potential과 MMFF94 매개 변수의 조합을 사용하는 trajectory(TJ) 방법을 이용하여 계산된 이론적 CCSs 값은 실험적인 CCS 값과 일치하였다. 이것은 계산된 구조가 복합체 이온의 기체상 구조를 효과적으로 반영할 수 있음을 나타낸다. CB[7]-시알산 복합체 이온의 대표적인 구조를 통해 시알산 게스트의 대부분이 CB[7] 공동에 캡슐화되었음을 확인하였다. 복합체화되지 않은 CB[7] 이온에 비해 복합체 이온의 큰 CCSs 값은 양성자화된 아세트아미드기와 CB[7] 공동으로부터 시알산의 헥소오스 고리의 일부의 노출에 기인한 것이다. 복합체는 시알산의 양성자화된 아세트아미드 그룹과 CB [7] 입구(portal)의 카보닐 그룹 사이의 정전기적 상호작용을 통해 안정화되었다.In the present invention, two possible protonated structures of sialic acid were studied in the complex of the proton of CB[7] and the ammonium cation of the protonated acetamide group (Fig. 3b, O- and N-protonation). Representative structures of CB[7]-sialic acid complex ions derived from molecular dynamics (MD) simulations and density function theory (DFT) calculations are shown in Fig. 3c. The theoretical CCSs values calculated using the trajectory (TJ) method using a combination of Exp-6 potential and MMFF94 parameters were consistent with the experimental CCS values. This indicates that the calculated structure can effectively reflect the gaseous structure of the complex ions. Through the representative structure of the CB[7]-sialic acid complex ion, it was confirmed that most of the sialic acid guests were encapsulated in the CB[7] cavity. The large CCSs value of the complex ions compared to the uncomplexed CB[7] ions is due to the exposure of the protonated acetamide group and part of the hexose ring of sialic acid from the CB[7] cavity. The complex was stabilized through an electrostatic interaction between the protonated acetamide group of sialic acid and the carbonyl group of the CB [7] portal.

복합체 이온의 대표적인 구조의 결합 에너지에 대한 연구는 기상에서 CB[7]과 2개의 시알산의 호스트-게스트 상호 작용에 대한 다른 통찰을 제공하였다. 결합 에너지는 CB[7]-시알산 복합체 이온의 에너지에서 각 성분의 최적화된 구조의 에너지를 빼서 수득하였다. 시알산과 CB[7]의 결합 에너지는 양성자화 위치에 따라 상당히 다르게 나타났다(도 3d). Neu5Gc의 경우, N-양성자화된 구조는 O-양성자화된 구조 에 비해 CB [7]와의 복합체 형성을 선호하는 것으로 나타났다(도 3d). CB[7] 복합체에서 두 구조 사이의 결합 에너지의 계산된 차이(ΔBEs)는 70 kJ/mol이었다. 대조적으로, Neu5Ac의 경우, O-양성자화된 Neu5Gc와 CB[7]의 복합체화는 N-양성자화된 Neu5Gc에 비해 25 kJ/mol 만큼 에너지적으로 선호되었다.Studies of the binding energies of representative structures of complex ions have provided other insights into the host-guest interactions of CB[7] and two sialic acids in the gas phase. The binding energy was obtained by subtracting the energy of the optimized structure of each component from the energy of the CB[7]-sialic acid complex ion. The binding energy of sialic acid and CB[7] was significantly different depending on the protonation position (Fig. 3d). In the case of Neu5Gc, it was found that the N-protonated structure favors the formation of a complex with CB [7] compared to the O-protonated structure (Fig. 3D). The calculated difference (ΔBEs) in the binding energy between the two structures in the CB[7] complex was 70 kJ/mol. In contrast, for Neu5Ac, the complexation of O-protonated Neu5Gc and CB[7] was energetically favored by 25 kJ/mol over N-protonated Neu5Gc.

ΔBEs에 기초하여 Neu5Gc와 Neu5Ac 이온의 CB에 대한 복합체화 선호도는 N-protonated Neu5Gc> O-protonated Neu5Ac> N-protonated Neu5Ac> O-protonated Neu5Gc 순으로 평가되었다(도 3d). 시알산 이온의 복합체화 선호도에 대한 더 많은 통찰을 얻기 위해 복합체내에서 CB[7]과 시알산 간의 기상 호스트-게스트 상호 작용을 조사하였다. 양성자화 된 아세트아미드기는 양성자화 위치에 관계없이 CB [7]의 카르보닐기와 강하게 상호 작용한다(도 3c 및 e). O-양성자화 시알 산 이온의 경우, Ha 및 Hb (도 3b)는 CB[7]의 카르보닐기와 2개의 수소 결합을 형성할 수 있다(도 3b). 또한, N-양성자화 시알산의 Hc와 Hd는 CB [7] 입구(portal)과 상호 작용할 수 있다(도 3b). 이러한 상호 작용은 CB[7]-시알산 복합체 이온의 전체적인 기하학적 구조에 결정적인 영향을 미친다 (도 3c 및 e). O-양성자화 Neu5Ac의 경우, 아세트아미드 그룹은 CB[7] 포털에 인접해 있었고, Ha 및 Hb는 모두 H-결합 상호 작용이 가능하였다. 대조적으로, Neu5Ac의 N-양성자화 아세트아미드 그룹은 Hc와 Hd 및 양전하를 띠는 질소를 제외하고는 아세트아미드 그룹의 부분적으로 음으로 하전된 카르보닐 산소 때문에 CB[7] 입구와는 거리가 멀었다. CB[7]-Neu5Gc 복합체 이온의 대표적인 구조는 CB[7] 공동 내의 Neu5Gc의 구조적 특징이 C5 hydroxymethyl기의 존재 때문에 Neu5Ac의 그것과 약간 다르다는 것을 보여준다 (도 3c 및 e). O-양성자화 Neu5Gc의 경우, N-Ha···O와 O-Hb···O의 두 수소 결합은 CB[7]과 C5 hydroxymethyl기 사이의 상호 작용을 방해하여 복합체 이온의 구조적 안정성을 향상시켰다. 이 구조는 반대쪽 CB[7] 입구에서 Neu5Gc 이온과 CB[7]의 효과적인 정전기 상호 작용을 방해하면서 CB[7] 공동으로 O-양성자화된 Neu5Gc 이온의 더 깊은 삽입을 유도하였다. N-양성자화 Neu5Gc의 경우, C5 hydroxymethyl기는 C5 작용기의 U자 구조를 통해 CB[7] 입구와 상호 작용하였다. U형 구조의 카르 보닐 산소는 N-양성자화된 Neu5Ac 복합체 이온보다 더 멀리 위치하였으며, 이것은 N-양성자화된 Neu5Gc에 대한 더 강한 복합체화 선호도를 설명한다.Based on ΔBEs, the complexation preference of Neu5Gc and Neu5Ac ions for CB was evaluated in the order of N-protonated Neu5Gc> O-protonated Neu5Ac> N-protonated Neu5Ac> O-protonated Neu5Gc (Fig. 3d). In order to gain more insight into the complexation preference of sialic acid ions, we investigated the gaseous host-guest interaction between CB[7] and sialic acid in the complex. The protonated acetamide group strongly interacts with the carbonyl group of CB [7] regardless of the protonation position (Figs. 3c and e). In the case of O-protonated sialic acid ions, H a and H b (FIG. 3B) can form two hydrogen bonds with the carbonyl group of CB[7] (FIG. 3B). In addition, H c and H d of N-protonated sialic acid can interact with the CB [7] portal (Fig. 3b). These interactions have a decisive effect on the overall geometry of the CB[7]-sialic acid complex ions (Figs. 3c and e). In the case of O-protonated Neu5Ac, the acetamide group was adjacent to the CB[7] portal, and both H a and H b were capable of H-bonding interactions. In contrast, the N-protonated acetamide group of Neu5Ac is distant from the CB[7] inlet due to the partially negatively charged carbonyl oxygen of the acetamide group except for H c and H d and positively charged nitrogen. Is far away. Representative structures of CB[7]-Neu5Gc complex ions show that the structural characteristics of Neu5Gc in the CB[7] cavity are slightly different from those of Neu5Ac due to the presence of C5 hydroxymethyl groups (Figs. 3c and e). In the case of O-protonated Neu5Gc, the two hydrogen bonds of N-Ha...O and O-Hb...O interfere with the interaction between CB[7] and C5 hydroxymethyl groups, improving the structural stability of complex ions. Made it. This structure induces deeper insertion of O-protonated Neu5Gc ions into the CB[7] cavity, interfering with the effective electrostatic interaction of Neu5Gc ions and CB[7] at the opposite CB[7] inlet. In the case of N-protonated Neu5Gc, the C5 hydroxymethyl group interacted with the CB[7] inlet through the U-structure of the C5 functional group. The U-structured carbonyl oxygen was located farther than the N-protonated Neu5Ac complex ion, which explains the stronger complexation preference for N-protonated Neu5Gc.

요약하면, 위의 결과를 통해 CB[7]와 시알산 이온 사이에 별개의 호스트-게스트 상호 작용이 존재하여 상이한 복합체화 선호도를 유도하며, 그들의 농도 비율과 선형 관계를 갖는 복합체 형성 비율이 유도된다는 것을 알 수 있다. In summary, from the above results, there is a distinct host-guest interaction between CB[7] and sialic acid ions, leading to different complexing preferences, and that a complex formation ratio having a linear relationship with their concentration ratio is derived. Can be seen.

기체상Gas phase 호스트- Host- 게스트guest 화학을 이용한 Chemically Neu5GcNeu5Gc And Neu5Ac의Neu5Ac 정량 분석 Quantitative analysis

전술한 기체상 호스트-게스트 화학을 이용한 정량 분석 방법을 이용하여 두 종의 단백질 치료체들(cetuximab, human erythropoietin)과 네 종의 당단백질들(bovine mucin I-S, bovine fetuin, human transferrin, human alpha-1 glycoprotein) 내 Neu5Gc와 Neu5Ac의 함량을 정량해보았다. 먼저, 당 단백질의 시알산은 산 가수분해와, 고상 추출 카트리지 및 역상 크로마토 그래피를 사용하여 추출하였다. 다음으로, 시알산 분석을 위해 CB[7]을 사용하여 샘플의 초분자 MS 스캐닝을 수행하였다. 도 4는 각각의 당단백질 내 시알산의 정량결과를 나타낸 것이다. 측정 결과, Neu5Ac와 광범위한 몰비에 걸쳐 존재하는 당단백질 결합 Neu5Gc의 농도를 정확하게 결정할 수 있음을 확인하였다 (from 0.07:1 to 21.25:1 of Neu5Gc:Neu5Ac). 또한, 종래 시알산 정량 방법을 연구한 문헌(Ghaderi, D.; Taylor, R. E.; Padler-Karavani, V.; Diaz, S.; Varki, A. Nat. Biotechnol. 2010, 28 (8), 863-867., Honda, S.; Suzuki, S. Anal. Biochem. 1984, 142 (1), 167-174.)들에 게재된 값과 Relative error%가 25% 내로 매우 유사함을 확인할 수 있었다. 뿐만 아니라, 종래 보고된 문헌들에서 확인되지 못했던 cetuximab 내 미량의 Neu5Ac가 본 발명에 따라 정밀하게 정량될 수 있음을 확인하였다.Two kinds of protein therapeutics (cetuximab, human erythropoietin) and four kinds of glycoproteins (bovine mucin IS, bovine fetuin, human transferrin, human alpha-) were analyzed using the above-described quantitative analysis method using gaseous host-guest chemistry. 1 glycoprotein) content of Neu5Gc and Neu5Ac was quantified. First, the sialic acid of the glycoprotein was extracted using acid hydrolysis, a solid phase extraction cartridge and reverse phase chromatography. Next, supramolecular MS scanning of the sample was performed using CB[7] for sialic acid analysis. Figure 4 shows the quantitative results of sialic acid in each glycoprotein. As a result of the measurement, it was confirmed that the concentration of Neu5Ac and the glycoprotein-binding Neu5Gc present over a wide molar ratio can be accurately determined (from 0.07:1 to 21.25:1 of Neu5Gc:Neu5Ac). In addition, the literature on the conventional sialic acid quantification method (Ghaderi, D.; Taylor, RE; Padler-Karavani, V.; Diaz, S.; Varki, A. Nat. Biotechnol. 2010, 28 (8), 863- 867., Honda, S.; Suzuki, S. Anal.Biochem. 1984, 142 (1), 167-174.), it was confirmed that the relative error% was very similar to within 25%. In addition, it was confirmed that a trace amount of Neu5Ac in cetuximab, which was not confirmed in the previously reported literature, can be precisely quantified according to the present invention.

결론conclusion

본 발명에서는 CB[7] 호스트를 이용하여 Neu5Gc와 Neu5Ac를 간단하고 정확하게 동정하고 정량화함으로써 호스트-게스트 원리의 실제 적용을 증명하였다. 기체상에서 CB[7]와 시알산 사이의 독특한 호스트-게스트 화학은 간단한 ESI-MS 스캐닝을 통한 당 단백질의 Neu5Gc 분석에 이용되었다. 시알산들과 CB[7]의 구별되는 호스트-게스트 상호 작용은 용액에서의 농도 비율과의 높은 선형 관계로 복합체화 비율을 유도하였다. 이 선형 관계는 높은 감도와 단순성으로 다양한 당단백에서 Neu5Gc와 Neu5Ac를 확인하고 정량화하기 위한 MS 방법 개발에 사용되었다. 이러한 접근법은 비인간형 글리칸의 우수한 분리 및 정량을 제공하며, 생물 치료제 개발에서 면역원성 관련 위험을 제어하는 데 유용하게 적용될 것으로 기대된다.In the present invention, the actual application of the host-guest principle was demonstrated by simply and accurately identifying and quantifying Neu5Gc and Neu5Ac using a CB[7] host. The unique host-guest chemistry between CB[7] and sialic acid in the gas phase was used for Neu5Gc analysis of glycoproteins by simple ESI-MS scanning. The distinct host-guest interaction between sialic acids and CB[7] induced a complexing ratio with a high linear relationship with the concentration ratio in solution. This linear relationship was used to develop an MS method to identify and quantify Neu5Gc and Neu5Ac in various glycoproteins with high sensitivity and simplicity. This approach provides excellent separation and quantification of non-human glycans, and is expected to be useful in controlling immunogenicity-related risks in biotherapeutic development.

Claims (6)

(a) 시알산 용액에 쿠커비투릴[7] 및 암모늄염을 혼합하여 혼합물을 생성하는 단계;
(b) 상기 혼합물을 전자분무이온화(electrospray ionization) 방법으로 이온화시켜 [CB[7]+시알산+NH4+H]2+ 복합체 이온을 형성하는 단계; 및
(c) 상기 복합체 이온을 질량분석법을 이용하여 정량 분석하는 단계;를 포함하고,
상기 (b) 단계에서, 쿠커비투릴[7]의 양 입구(portal) 중 어느 하나인 제1 입구 영역과 시알산의 양성자화된 아세트아마이드기(acetamide group)의 기체상 호스트-게스트 상호작용 및 쿠커비투릴[7]의 양 입구(portal) 중 다른 하나인 제2 입구 영역과 암모늄 이온, 시알산의 수산기(hydroxyl group)의 기체상 호스트-게스트 상호작용에 의해 상기 [CB[7]+시알산+NH4+H]2+ 복합체 이온을 형성하는 것을 특징으로 하는 쿠커비투릴[7]을 이용한 비인간 시알산의 정량 분석방법.
(a) mixing cucurbituril[7] and an ammonium salt in a sialic acid solution to form a mixture;
(b) forming [CB[7] + sialic acid + NH 4 +H] 2+ complex ions by ionizing the mixture by electrospray ionization; And
(c) quantitatively analyzing the complex ions using mass spectrometry; Including,
In step (b), the gaseous host-guest interaction of the first inlet region, which is one of the ports of cucurbituril [7], and the protonated acetamide group of sialic acid, and cucurbituril [ [CB[7] + sialic acid + NH 4 by gas-phase host-guest interaction between the second inlet region, which is the other of the two portals of [7], and ammonium ions and hydroxyl groups of sialic acid. +H] 2+ A method for quantitative analysis of non-human sialic acid using cucurbituril [7], characterized in that it forms a complex ion.
제1항에 있어서,
상기 시알산은 N-glycolylneuraminic acid(Neu5Gc), N-acetylneuraminic acid(Neu5Ac) 또는 이들의 혼합물인 것을 특징으로 하는 쿠커비투릴[7]을 이용한 비인간 시알산의 정량 분석방법.
The method of claim 1,
The sialic acid is N-glycolylneuraminic acid (Neu5Gc), N-acetylneuraminic acid (Neu5Ac), or a mixture thereof, characterized in that the quantitative analysis method of non-human sialic acid using cucurbituril [7].
제1항에 있어서,
상기 암모늄염은 아세트산암모늄, 염화암모늄, 탄산암모늄, 수산화암모늄으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 쿠커비투릴[7]을 이용한 비인간 시알산의 정량 분석방법.
The method of claim 1,
The ammonium salt is one or more selected from the group consisting of ammonium acetate, ammonium chloride, ammonium carbonate, and ammonium hydroxide. Method for quantitative analysis of non-human sialic acid using cucurbituril [7].
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 시알산의 정량 분석 시 상기 (a) 단계의 시알산 용액은 서로 다른 복수의 분석대상 시알산이 혼합되어 있는 것을 특징으로 하는 쿠커비투릴[7]을 이용한 비인간 시알산의 정량 분석방법.
The method of claim 1,
In the quantitative analysis of the sialic acid, the sialic acid solution of step (a) is a method of quantitative analysis of non-human sialic acid using cucurbituril [7], wherein a plurality of different sialic acids to be analyzed are mixed.
제1항에 있어서,
상기 시알산의 정량 분석은 표준 첨가법(standard addition method)으로 도출한 검정 곡선을 통해 수행하는 것을 특징으로 하는 쿠커비투릴[7]을 이용한 비인간 시알산의 정량 분석방법.
The method of claim 1,
The quantitative analysis of sialic acid is a method for quantitative analysis of non-human sialic acid using cucurbituril [7], characterized in that it is performed through a calibration curve derived by a standard addition method.
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