Nākamās-paaudzes bioattīrīšanas tehnoloģija: membrānas hromatogrāfijas pamatteorija, galvenie atribūti un rūpnieciskie pielietojumi

I. Kas ir membrānas hromatogrāfija?

Membrānas hromatogrāfijā kā hromatogrāfijas vidi izmanto porainas atdalīšanas membrānas ar specifiskiem ligandiem, kas ir imobilizēti uz membrānas virsmas. Paļaujoties uz konvekciju-dominējošo masas pārnesi, nevis uz difūzijas-ierobežotu masas pārnesi tradicionālās sveķu-bāzētās hromatogrāfijā, tas nodrošina lielu plūsmas ātrumu, augstu izšķirtspēju, vieglu mērogojamību, zemu spiediena kritumu un vienreizējas lietošanas bioloģisko apstrādi biomolekulu attīrīšanai.

Galvenais secinājums. Membrānas hromatogrāfija ir ļoti efektīva attīrīšanas tehnoloģija, kuras pamatā ir konvekcijas{0}}masas pārnese.

 

 

II. Atšķirības starp membrānas hromatogrāfiju un sveķiem

Būtiskas atšķirības masu pārsūtīšanā

• Sveķu-bāzes pildīta-slāņa hromatogrāfija: sveķu daļiņās esošās poras ir ne{2}}gala poras, kā rezultātā notiek ārkārtīgi lēna lielu molekulu difūzija. Palielinoties plūsmas ātrumam, gan izšķirtspēja, gan saistīšanas spēja strauji samazinās.
• Membrānas hromatogrāfija: membrānas poras pārsvarā ir caur-porām, ļaujot izšķīdušajām vielām tieši konvekcijas ceļā transportēt uz saistīšanās vietām uz poru sieniņām. Tāpēc plūsmas ātrumam ir maza ietekme uz izšķirtspēju un saistīšanas spēju.

 

 

 

III. Inovācijas membrānas hromatogrāfijā: trīs{1}}dimensiju atklājumi materiālos, moduļos un procesos

1. Inovācijas membrānas materiālos (matrica + ligands + savienojums)

Matrica:

• Dabiski: celuloze, polisaharīdi.
• Sintētisks: neilons, PES, PTFE.
• Jaunums: nanošķiedras, agarozes šķiedras (augsts īpatnējais virsmas laukums).

Ligandes:

• Jonu apmaiņa (visnobriedušākā): ceturtdaļas amonija grupas (AEX), sulfonskābes grupas (CEX).
• Afinitāte: Proteīns A/G, peptīdu ligandi, metāla helātu veidotāji (IDA), krāsvielas, aptamēri.
• Hidrofobas: fenilgrupas, alkilgrupas.

Savienojuma tehnoloģijas:Membrānas matricām ar reaktīvām vietām uz membrānas virsmas:

Iepriekš -sintezētus ligandus var tieši savienot ar membrānas virsmu.

Polimerizāciju var uzsākt tieši uz membrānas virsmas. Piemēram, katjonu-apmaiņas membrānas un jaukta-režīma hromatogrāfijas membrānas var sagatavot, izmantojot atomu pārneses radikāļu polimerizāciju (ATRP). Šī savienojuma pieeja var nodrošināt salīdzinoši augstu saistīšanas spēju.

Membrānas matricām bez pieejamām reaktīvām vietām uz membrānas virsmas var izmantot piemērotas aktivācijas metodes, lai ieviestu reaktīvas vietas. Piemēram, ar dopamīnu-pārklāta membrānas matrica var reaģēt ar tiolu- un amino-saturošiem ligandiem, izmantojot Maikla pievienošanas un Šifa bāzes reakcijas.

Starplikas:
Ievietojot starplikas starp membrānas matricu un ligandiem, var uzlabot mērķa molekulu pieejamību ligandiem. Atbilstoši starplikas var arī palielināt ligandu blīvumu un uzlabot ligandu izmantošanas efektivitāti atdalīšanas procesa laikā.

 

 

2. Inovācijas moduļu izstrādē (trīs galvenās konfigurācijas + jauni modeļi)

• Sakrauta diska veids (laboratorijas produkti):Membrānas loksnes ir sakrautas kopā, veidojot īsai kolonnai līdzīgu struktūru. To ir viegli palielināt, taču plūsmas-lauka sadalījums ir salīdzinoši nevienmērīgs.

• Radiālās plūsmas veids (galvenais rūpnieciskais dizains):Membrāna ir aptīta ap centrālo kolonnu. Tas ir piemērots caurplūdes-aplikācijām (netīrumu noņemšanai), bet nav piemērots saistīšanai-un-eluēšanai.

 

 

3. Procesa optimizācija (nepārtraukta apstrāde + liela caurlaidspēja + inteliģenta darbība)

• Darbības režīmi:Izplūst-caur (piemaisījumu noņemšana) un saistās-un -eluē (mērķa uztveršana).
• Nepārtraukta hromatogrāfija:Vairāku-kolonnu nepārtrauktas hromatogrāfijas tehnoloģijas, piemēram, simulētā kustīgā gulta (SMB) un periodiskā skaitītāja-strāvas (PCC) hromatogrāfija, var palielināt produktivitāti, vienlaikus samazinot bufera patēriņu.
• Augstas-caurlaidības skrīnings:Miniaturizēti membrānas moduļi ar lielu plūsmas ātrumu nodrošina ātru, augstas -caurlaidības optimizāciju (piemēram, 96 iedobju plāksnes membrānas hromatogrāfiju) tādiem parametriem kā pH un sāls koncentrācija, vienlaikus samazinot parauga patēriņu.

 

• IV. Lietojumprogrammas perspektīvas: koncentrējoties uz makromolekulām un nākamās-paaudzes bioloģiju
• Membrānas hromatogrāfija pakāpeniski aizstāj dažus sveķu{0}}balstītas hromatogrāfijas soļus parastajos proteīnu attīrīšanas procesos, piemēram, monoklonālās antivielas un sapludinātos proteīnus. Tas piedāvā arī unikālas priekšrocības nākamās-paaudzes biofarmaceitisko preparātu attīrīšanā:
• Makromolekulārie proteīni:Monoklonālās antivielas (150 kDa), PEGilēti proteīni (molekulārie izmēri × 10) un SARS-CoV-2 smaile proteīni (multimēri). Liels plūsmas ātrums un liela ražība padara membrānas hromatogrāfiju labi piemērotu pakārtotā procesa intensifikācijai.

 

 

• Nukleīnskābes:Plazmīdu DNS un mRNS (membrānas hromatogrāfija nodrošina lielāku saistīšanās spēju nekā hromatogrāfija, kuras pamatā ir sveķi{0}}).
• Vīrusi un vīrusiem līdzīgas daļiņas (VLP):Gripas vīruss, AAV un HIV{0}}VLP (lielas daļiņas 200–400 nm). Difūzija caur sveķu vidi ir ārkārtīgi lēna, un ierobežota poru pieejamība var ievērojami samazināt saistīšanās spēju. Turpretim membrānas hromatogrāfija nodrošina efektīvu konvektīvo masas pārnesi, augstu poru pieejamību, lielu plūsmas ātrumu un lielu saistīšanas spēju.
• Ārpusšūnu pūslīši:Eksosomas un mikrovezikulas (izmērs 50–1000 nm). Šie produkti nevar efektīvi iekļūt sveķu barotnes porās un mijiedarboties ar ligandiem, padarot membrānas hromatogrāfiju par piemērotāku attīrīšanas tehnoloģiju.

 

 

V. Izaicinājumi un perspektīvas: mērogojamības un veiktspējas līdzsvarošana

1. Galvenie izaicinājumi

• Zems saistīšanas virsmas laukums: membrānas ir pašnesošas{0}}struktūras ar efektīvo saistīšanas virsmu, kas ir ievērojami zemāka nekā sveķu materiālam. Tas var izraisīt nepietiekamu saistīšanas jaudu saistīšanas-un-eluēšanas lietojumprogrammās.
• Augstas izmaksas: vienreizējās lietošanas- membrānas moduļi var būt salīdzinoši dārgi, kas ierobežo to plašo ieviešanu plašā mērogā, izņemot augstvērtīgus produktus.
• Komerciālo moduļu ierobežojumi: nevienmērīgs plūsmas sadalījums un nepietiekama izšķirtspēja joprojām ir izaicinājumi komerciāli pieejamajos moduļos, tādēļ nepieciešama turpmāka moduļu dizaina optimizācija.
• Ligandu stabilitāte: Afinitātes ligandi, piemēram, proteīns A, tiek pakļauti skarbiem eluēšanas apstākļiem, īpaši skābam pH, kas var izraisīt ligandu degradāciju un īsāku kalpošanas laiku.

2. Nākotnes virzieni

• Materiāli: izveidojiet membrānas matricas ar lielāku saistīšanas spēju, uzlabotu stabilitāti un zemākām izmaksām, piemēram, elektriski vērptas šķiedras un jauktas{0}}matricas membrānas. Izstrādājiet zemu-izmaksu afinitātes ligandus, tostarp peptīdus un biomimētiskos ligandus, kā alternatīvas proteīnam A.
• Moduļi: izstrādājiet zinātniski optimizētus moduļu dizainus ar vienmērīgāku plūsmas sadalījumu un augstāku izšķirtspēju. Moduļu konstrukcijas ar fiksētu korpusu ar nomaināmām membrānas kaudzēm varētu palīdzēt samazināt lietošanas izmaksas.
• Procesi: veiciniet nepārtrauktu un integrētu apstrādi, piemēram, membrānas un sveķu tandēma konfigurācijas. Iespējojiet vairāku-ciklu atkārtotu izmantošanu, optimizējot tīrīšanas un reģenerācijas procesus, lai samazinātu darbības izmaksas.
• Pielietojums: paplašiniet membrānas hromatogrāfijas izmantošanu jaunās jomās, piemēram, vīrusos, VLP, eksosomās un mRNS, lai izveidotu diferencētas un grūti{0}}aizvietojamas tehnoloģiskās priekšrocības.

 

 

VI. Secinājums

Pateicoties galvenajām priekšrocībām, ko raksturo konvektīvā masas pārnese, liels plūsmas ātrums, viegla mērogojamība un zems spiediena kritums, membrānas hromatogrāfija attīstās no "papildu alternatīvas" par galveno bioapstrādes tehnoloģiju. Lai gan joprojām ir problēmas saistībā ar saistīšanas jaudu, izmaksām un moduļu dizainu, tā unikālā vērtība makromolekulu un nākamās paaudzes bioloģisko līdzekļu attīrīšanā turpinās virzīt inovācijas membrānu materiālos, moduļu konfigurācijās un procesu tehnoloģijās.

Paredzams, ka nākotnē membrānas hromatogrāfija kļūs par pamattehnoloģiju pakārtotajai biofarmaceitiskajai attīrīšanai ar īpaši nozīmīgu potenciālu nepārtrauktā ražošanā un jaunos bioterapijas lietojumos.