Технологія біоочищення наступного-покоління: фундаментальна теорія, ключові атрибути та промислове застосування мембранної хроматографії

I. Що таке мембранна хроматографія?

Мембранна хроматографія використовує пористі розділові мембрани як хроматографічне середовище зі специфічними лігандами, іммобілізованими на поверхні мембрани. Покладаючись на конвекційний-масоперенос, а не на дифузійний-обмежений масоперенос традиційної хроматографії-на основі смоли, він забезпечує високу швидкість потоку, високу роздільну здатність, легку масштабованість, низький перепад тиску та одноразову-біообробку для очищення біомолекул.

Ключовий висновок: мембранна хроматографія є високоефективною технологією очищення, яка базується на конвекційному-масоперенесенні.

 

 

II. Відмінності між мембранною хроматографією та хроматографією на шарі-на основі-смол

Фундаментальна різниця в масопередачі

• Хроматографія в-заповненому{1}}шарі смоли: пори в частинках смоли є тупиковими-порами, що призводить до надзвичайно повільної дифузії великих молекул. Зі збільшенням швидкості потоку роздільна здатність і здатність до зв’язування різко зменшуються.
• Мембранна хроматографія: пори мембрани є переважно наскрізними -порами, що дозволяє розчиненим речовинам транспортуватися безпосередньо конвекцією до місць зв’язування на стінках пор. Таким чином, швидкість потоку мало впливає на роздільну здатність і здатність до зв'язування.

 

 

 

III. Інновації в мембранній хроматографії: три{1}}прориви в матеріалах, модулях і процесах

1. Інновації в мембранних матеріалах (матриця + ліганд + з'єднання)

Матриця:

• Натуральні: целюлоза, полісахариди.
• Синтетика: нейлон, PES, PTFE.
• Новинка: нановолокна, агарозні волокна (висока питома поверхня).

Ліганди:

• Іонообмін (найбільш зрілий): групи четвертинного амонію (AEX), групи сульфокислоти (CEX).
• Спорідненість: білок A/G, пептидні ліганди, хелатування металів (IDA), барвники, аптамери.
• Гідрофобні: фенільні, алкільні групи.

Технології зчеплення:Для мембранних матриць з реактивними центрами на поверхні мембрани:

Попередньо-синтезовані ліганди можна безпосередньо з’єднати з поверхнею мембрани.

Полімеризацію можна ініціювати безпосередньо на поверхні мембрани. Наприклад, катіонообмінні мембрани та мембрани хроматографії змішаного-режиму можна виготовити за допомогою радикальної полімеризації з переносом атомів (ATRP). Цей підхід зв'язування може забезпечити відносно високу здатність зв'язування.

Для мембранних матриць без доступних реакційноздатних центрів на поверхні мембрани можна використовувати відповідні методи активації для введення реакційноздатних сайтів. Наприклад, мембранна матриця, покрита-допаміном, може реагувати з тіол- та аміно-вмісними лігандами за допомогою реакцій приєднання Міхаеля та реакцій Шиффа.

Розпірні руки:
Введення спейсерів між матрицею мембрани та лігандами може покращити доступність цільових молекул для лігандів. Відповідні спейсери також можуть збільшити щільність ліганду та підвищити ефективність використання ліганду під час процесу поділу.

 

 

2. Інновації в дизайні модуля (три основні конфігурації + нові конструкції)

• Тип багатошарового диска (лабораторні вироби):Листи мембрани складаються разом, утворюючи структуру, схожу на коротку колону. Його легко збільшити, але розподіл-поля потоку відносно нерівномірний.

• Тип радіального потоку (основний промисловий дизайн):Мембрана намотується навколо центральної колони. Він підходить для проточного-застосування (видалення домішок), але не підходить для зв’язуючого-і-промивання.

 

 

3. Оптимізація процесу (безперервна обробка + висока пропускна здатність + інтелектуальна робота)

• Режими роботи:Протікання-(видалення домішок) і зв’язування-і-елюювання (захоплення цілі).
• Безперервна хроматографія:Багато{0}}технології безперервної хроматографії, такі як імітація рухомого шару (SMB) і хроматографія з періодичним проти{1}}струмом (PCC), можуть підвищити продуктивність, одночасно зменшуючи споживання буфера.
• Висока-пропускна здатність:Мініатюрні мембранні модулі з високою швидкістю потоку забезпечують швидку оптимізацію-пропускної здатності (наприклад, мембранна хроматографія з 96-лунковими планшетами) таких параметрів, як рН і концентрація солі, зводячи до мінімуму споживання зразка.

 

• IV. Перспективи застосування: зосередження на макромолекулах і біопрепаратах наступного-покоління
• Мембранна хроматографія поступово витісняє деякі етапи хроматографії на основі-смол у звичайних процесах очищення білка, наприклад моноклональних антитіл і злитих білків. Він також пропонує унікальні переваги в очищенні біофармацевтичних препаратів наступного-покоління:
• Високомолекулярні білки:Моноклональні антитіла (150 кДа), ПЕГільовані білки (розмір молекули ×10) і спайкові білки SARS-CoV-2 (мультимерні). Висока швидкість потоку та високий вихід роблять мембранну хроматографію добре придатною для інтенсифікації подальших процесів.

 

 

• Нуклеїнові кислоти:Плазмідна ДНК і мРНК (мембранна хроматографія забезпечує вищу здатність зв’язування, ніж хроматографія на основі смоли).
• Віруси та вірус{0}}подібні частинки (VLP):VLP вірусу грипу, AAV та-ВІЛ (великі частинки 200–400 нм). Дифузія крізь смоляне середовище є надзвичайно повільною, а обмежений доступ до пор може значно знизити зв’язувальну здатність. Мембранна хроматографія, навпаки, забезпечує ефективний конвективний масообмін, високу доступність пор, високу швидкість потоку та високу здатність зв’язування.
• Позаклітинні везикули:Екзосоми та мікровезикули (розміром 50–1000 нм). Ці продукти не можуть ефективно проникати в пори смоляного середовища та взаємодіяти з лігандами, що робить мембранну хроматографію більш прийнятною технологією очищення.

 

 

V. Виклики та перспективи: балансування масштабованості та продуктивності

1. Основні виклики

• Низька площа зв’язувальної поверхні: мембрани є -самонесучими структурами, ефективна зв’язуюча поверхня яких значно нижча, ніж у смоляних середовищ. Це може призвести до недостатньої здатності зв’язування в програмах bind{2}}і-elute.
• Висока вартість: мембранні модулі для одноразового-використання можуть бути відносно дорогими, що обмежує їх широке застосування у великих масштабах, за винятком високо{1}}вартісних продуктів.
• Обмеження комерційних модулів: не-рівномірний розподіл потоку та недостатня роздільна здатність залишаються проблемами комерційно доступних модулів, що вимагає подальшої оптимізації конструкції модуля.
• Стабільність ліганду: Афінні ліганди, такі як протеїн А, піддаються впливу суворих умов елюції, зокрема кислого рН, що може призвести до деградації ліганду та скорочення терміну служби.

2. Майбутні напрямки

• Матеріали: розробляйте мембранні матриці з вищою здатністю зв’язування, покращеною стабільністю та нижчою вартістю, як-от електропрядені волокна та змішані-матричні мембрани. Розробити недорогі-афінні ліганди, включаючи пептиди та біоміметичні ліганди, як альтернативу протеїну А.
• Модулі: розробляйте науково оптимізовані конструкції модулів із більш рівномірним розподілом потоку та вищою роздільною здатністю. Модульні конструкції з фіксованим корпусом зі змінними мембранними стеками можуть допомогти знизити витрати на використання.
• Процеси: Сприяти безперервній і інтегрованій обробці, наприклад, тандемні конфігурації мембрана-смола. Увімкніть повторне-циклове використання, оптимізувавши процеси очищення та регенерації, щоб зменшити експлуатаційні витрати.
• Застосування: розширте використання мембранної хроматографії в нових областях, таких як віруси, VLP, екзосоми та мРНК, щоб встановити диференційовані та важко{0}}замінні-технологічні переваги.

 

 

VI. Висновок

Завдяки таким ключовим перевагам, як конвективний масообмін, висока швидкість потоку, легка масштабованість і низький перепад тиску, мембранна хроматографія перетворюється з «додаткової альтернативи» в основну технологію в біообробці. Незважаючи на те, що залишаються проблеми щодо зв’язувальної здатності, вартості та дизайну модулів, його унікальна цінність у очищенні макромолекул і біопрепаратів наступного-покоління й надалі спонукатиме до інновацій у мембранних матеріалах, конфігураціях модулів і технологічних процесах.

Очікується, що в майбутньому мембранна хроматографія стане основною технологією для подальшого біофармацевтичного очищення, з особливо значним потенціалом у безперервному виробництві та нових біотерапевтичних застосуваннях.