Notorious but not understood: How liquid-air interfacial stress triggers protein aggregation

眾所周知但未解其因：液-氣界面應(yīng)力如何觸發(fā)蛋白質(zhì)聚集

來源：International Journal of Pharmaceutics, Volume 537, 2018, Pages 202-212

《國際藥劑學(xué)雜志》，第537卷，2018年，第202-212頁

 

摘要

這篇論文的摘要討論了蛋白質(zhì)聚集是生物藥物開發(fā)中的主要挑戰(zhàn)，尤其液-氣界面的存在被確認(rèn)會觸發(fā)大蛋白質(zhì)粒子的形成。研究通過調(diào)查兩種單克隆抗體（IgGs）在液-氣界面的行為，發(fā)現(xiàn)形成了高度可壓縮的薄膜。Brewster-Angle顯微鏡顯示界面蛋白質(zhì)分布不均勻，存在高堆積密度區(qū)域。重復(fù)壓縮和解壓縮薄膜導(dǎo)致顯著滯后和粒子數(shù)量增加。壓縮程度和速度直接影響薄膜的機(jī)械性質(zhì)和粒子形成數(shù)量。紅外反射-吸收光譜表明與溶液中的FT-IR光譜相比，二級結(jié)構(gòu)沒有顯著變化，因此IgG在界面保持天然樣構(gòu)象。物理化學(xué)方法結(jié)合新設(shè)計的Mini-trough提供了界面相關(guān)蛋白質(zhì)聚集機(jī)制的新知識，并能測試不同配方在受控應(yīng)力條件下的表現(xiàn)。

 

研究目的

本研究旨在理解液-氣界面應(yīng)力如何觸發(fā)蛋白質(zhì)聚集的機(jī)制，并開發(fā)方法來局部化和分析這一過程。具體目的是通過表面敏感分析技術(shù)表征液-氣界面蛋白質(zhì)薄膜的特性，研究機(jī)械應(yīng)力（如壓縮和解壓縮）對粒子形成的影響，并評估配方條件對界面誘導(dǎo)聚集的傾向性。

 

研究思路

研究采用多方法結(jié)合的方式：首先使用表面壓力測量來監(jiān)測IgGs在液-氣界面的吸附和薄膜行為；其次應(yīng)用紅外反射-吸收光譜（IRRAS）和Brewster-Angle顯微鏡（BAM）分析界面的蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)和形態(tài)；然后通過新設(shè)計的Mini-trough模型進(jìn)行受控的壓縮和解壓縮循環(huán)，僅施加界面應(yīng)力來研究粒子形成；同時進(jìn)行 agitation 實驗作為對比。研究思路強(qiáng)調(diào)通過物理化學(xué)表征直接鏈接界面薄膜特性與粒子形成機(jī)制，并優(yōu)化測試方法。

 

測量的數(shù)據(jù)及研究意義

1 表面壓力數(shù)據(jù)：來自圖2、圖3和圖4。這些數(shù)據(jù)顯示了蛋白質(zhì)薄膜在壓縮和解壓縮過程中的表面壓力變化，如滯后現(xiàn)象和最大壓力值。研究意義是證明界面薄膜具有可壓縮性和粘彈性，壓縮因子和速度影響薄膜的堆積密度和穩(wěn)定性，為界面應(yīng)力導(dǎo)致薄膜破裂和粒子形成提供直接證據(jù)。

 

 

 

2 粒子形成數(shù)據(jù)：來自圖7、圖8和圖9。包括視覺檢查類別、濁度、光遮蔽法和微流成像測量的粒子數(shù)量。研究意義是顯示 agitation 和 Mini-trough 應(yīng)力均能顯著增加粒子數(shù)量，尤其是壓縮因子高于3時，直接驗證界面應(yīng)力是蛋白質(zhì)聚集的關(guān)鍵觸發(fā)因素。

 

 

 

3 結(jié)構(gòu)形態(tài)數(shù)據(jù)：來自圖5（IRRAS）和圖6（BAM）。IRRAS數(shù)據(jù)顯示蛋白質(zhì)在界面保持天然樣二級結(jié)構(gòu)，無顯著變化；BAM圖像顯示界面蛋白質(zhì)分布不均勻，存在簇狀結(jié)構(gòu)。研究意義是表明蛋白質(zhì)聚集并非由構(gòu)象變化主導(dǎo)，而是由物理壓縮和薄膜破裂引起，強(qiáng)調(diào)了界面形態(tài)的重要性。

 

 

 

結(jié)論

本研究得出結(jié)論，液-氣界面應(yīng)力通過壓縮蛋白質(zhì)薄膜導(dǎo)致蛋白質(zhì)材料壓實和蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用增加，隨后薄膜破裂釋放簇狀物質(zhì)形成粒子。IgGs在界面保持天然樣構(gòu)象，表明聚集機(jī)制主要是物理而非化學(xué)變化。Mini-trough方法能有效模擬界面應(yīng)力，為配方篩選提供了可控工具。總體證實界面應(yīng)力是蛋白質(zhì)藥物中大型粒子形成的主要因素。

 

使用丹麥Unisense電極測量數(shù)據(jù)的研究意義

本論文未使用丹麥Unisense電極進(jìn)行測量。研究中所用的表面壓力測量設(shè)備為Kibron Inc.的Langmuir trough，而結(jié)構(gòu)分析采用IRRAS和BAM等技術(shù)。因此，無法提供丹麥Unisense電極數(shù)據(jù)的詳細(xì)解讀。本研究側(cè)重于界面薄膜的物理化學(xué)表征，而非微傳感器氧測量。