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整体水平蛋白质药物的质谱表征

2019/8/14 1:44:26发布122次查看
整体分子量测定是蛋白质药物产品(如单 抗)研发与质控中最常进行的分析项目,而 esi-orbitrap ms(电喷雾离子化-静电场轨道阱 质谱)已经成为最常用的测量方法之一。而 另一种常见质谱技术maldi—tof(基质辅助 激光解析-飞行时间质谱)无法进行此项分析, 其原因是由于:在maldi条件下,蛋白将主要 形成单电荷离子,而目前最尖端的tof型质谱 在高质荷比范围分析中(10万m/z以上范围), 分辨率也仅有数千。因此当面对质量巨大的 蛋白质药物离子时(如单抗分子量近15万), tof分辨率明显不足,不但无法进行分子量的 精确测定,甚至连单抗的糖型也根本无法辨 别(图1)。在esi(电喷雾离子化)条件下, 蛋白分子将携带多电荷,以单抗为例,其将 携带40-70 个左右的电荷,信号落入2500- 3500m/z 范围内 。 在此质荷比区域内 , orbitrap质谱仪分辨率可达几万,因此可从容进行此 项分析。
实验时,蛋白首先在高效液相色谱 中通过c4反相色谱柱进行脱盐,然后在电喷雾离子源实现蛋白离子化,离子化的蛋白进 入质谱,产生原始质谱数据,数据将通过去 卷积软件计算出蛋白质的质量。与tof原理完 全不同,orbitrap采用傅里叶变换进行离子质 量分析,在低质荷比区域,其分辨率可达40 万以上,而tof分辨率仅为数千。在2000- 4000m/z范围,两者分辨率近似,但由于原理 的不同,orbitrap更易于实现基线分离——也 就是说即使在分辨率一致的情况下,相比tof, orbitrap可获得更为清晰的质谱原始数据(图2) [1-3] 。高质量的原始数据为分析结果提供了保 证。在完整单抗分析中,orbitrap准确度一般 为10ppm内(以单抗分子量15万计算,10ppm 约相当于1.5da),而tof为20-30ppm左右。 orbitrap不仅准确度高,更由于在硬件中伴有 离子蓄积设计,而使灵敏度更高(tof质谱受 到分析原理的局限,不能大量蓄积离子分析, 在一定程度上影响了其灵敏度)。在图3中, orbitrap数据清晰地显示出单抗9种不同的糖型 组合,主要峰的质量误差在10ppm之内。
图1:单抗全分子量原始质谱图对比,左为maldi-tof,右为esi-orbitrap数据。其中在对高质 荷比离子进行采集时,由于灵敏度原因,tof只能采用离子的线性飞行模式(此模式下分辨率 仅为数千),而无法采用分辨率更高的反射飞行模式(分辨率可达5万)。
在单抗类药物中,抗体-化学药物偶联物 ( antibody-drug conjugate, adc)利用抗体对 靶细胞的特异性结合能力,输送高细胞毒性 化学药物,来实现对癌变细胞的有效杀伤。 目前,经fda已批准上市的adc药物有三种, 分别为mylotargtm、adcetristm,kadcylatm,分 别治疗急性髓系白血病,霍奇金淋巴瘤,以 及her2阳性的转移性乳腺癌。全分子量测量 技术也可用于 adc 药物的 dar ( drug to antibody ratio)值分析。图4为某adc药物去 糖基化后,orbitrap分析结果,其中偶联了不 同数量化学药物的质谱信号清晰明确,有利 于准确计算dar值(图4中,未标示的峰为 free linker信号)。
在orbitrap平台上还具有一项独特的分析 方法——top down(至上而下)技术。top down是在完整蛋白的状态下,直接对蛋白整 体进行碎裂,通过碎片分析获得蛋白结构信息(图5)。在蛋白药物分析中,可用于电荷 异质性分析的快速方法开发,以及肽图序列 信息验证。
木瓜蛋白酶及还原快速处理后的,分子量约 为2.5万da的重链fab与轻链fab部分进行分子 质量测量时,原始质谱数据可实现同位素分 辨,因而可进行同位素质量计算(在全单抗 分子下,目前各种类型质谱数据仅可做平均 分子量测算)。同位素质量精度较平均分子 量更为精准。在图6中,单抗重链fab与轻链 fab的分析准确度分别达到了惊人的2.7ppm与 0.9ppm(以da计算,质量误差约在小数点后 第二位)。如前所述,加之top down提供的 丰富的碎片信息,此项技术被用于可用于电 荷异质性分析的快速方法开发,以及肽图序 列信息快速验证工作[3] 。
基于orbitrap的全分子量分析工作,可在 数分钟内完成。但事实上,这项看似简单的 分析工作,却蕴含了对质谱准确性、分辨率、 灵敏度、稳定性的多项挑战,却也正好是 orbitrap强大性能的集中体现。orbitrap系列质谱也正是基于这样的品质,为其使用者提供 了最有力的技术保证。

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