Kitos-kartos biologinio gryninimo technologija: pagrindinė membraninės chromatografijos teorija, pagrindiniai požymiai ir pramoninis pritaikymas

I. Kas yra membraninė chromatografija?

Membraninės chromatografijos metu kaip chromatografinė terpė naudojamos porėtos atskyrimo membranos, o specifiniai ligandai yra imobilizuoti ant membranos paviršiaus. Remiantis konvekciniu-dominuojamu masės perdavimu, o ne difuzija-ribotu masės perdavimu, naudojant tradicinę dervos-pagrįstą chromatografiją, jis užtikrina didelį srautą, didelę skiriamąją gebą, lengvą mastelį, mažą slėgio kritimą ir vienkartinį -biologinį apdorojimą, skirtą biomolekulėms išvalyti.

Pagrindinė išvada: membraninė chromatografija yra labai efektyvi valymo technologija, pagrįsta konvekciniu{0}}masės perdavimu.

 

 

II. Skirtumai tarp membraninės chromatografijos ir derva{1}}pagrįstos supakuotos-lova

Esminis masinio perdavimo skirtumas

• Dervos{0}}pagrindo supakuota{1} sluoksnio chromatografija: dervos dalelėse esančios poros yra negyvos- galinės poros, todėl didelės molekulės sklinda labai lėtai. Didėjant srautui, tiek skiriamoji geba, tiek surišimo pajėgumas smarkiai sumažėja.
• Membraninė chromatografija: membranos poros daugiausia yra per-poras, todėl tirpios medžiagos gali būti tiesiogiai transportuojamos konvekcijos būdu į surišimo vietas ant porų sienelių. Todėl srauto greitis turi mažai įtakos skyrai ir surišimo pajėgumui.

 

 

 

III. Membraninės chromatografijos naujovės: trijų-matmenų medžiagų, modulių ir procesų proveržis

1. Membraninių medžiagų naujovės (matrica + ligandas + jungtis)

Matrica:

• Natūralūs: celiuliozė, polisacharidai.
• Sintetika: nailonas, PES, PTFE.
• Naujiena: nanopluoštai, agarozės pluoštai (didelis specifinis paviršiaus plotas).

Ligandos:

• Jonų mainai (labiausiai subrendę): ketvirtinės amonio grupės (AEX), sulfonrūgšties grupės (CEX).
• Afinitetas: A/G baltymas, peptidiniai ligandai, metalo chelatai (IDA), dažikliai, aptamerai.
• Hidrofobinės: fenilo, alkilo grupės.

Sujungimo technologijos:Membranų matricoms su reaktyviomis vietomis membranos paviršiuje:

Iš anksto{0}}susintezuoti ligandai gali būti tiesiogiai prijungti prie membranos paviršiaus.

Polimerizaciją galima pradėti tiesiai ant membranos paviršiaus. Pavyzdžiui, katijonų -keitimo membranas ir mišrių- režimų chromatografines membranas galima paruošti naudojant atomų perdavimo radikalų polimerizaciją (ATRP). Šis sujungimo būdas gali užtikrinti gana didelį surišimo pajėgumą.

Jei membranos matricos neturi reaktyvių vietų ant membranos paviršiaus, reaktyviosioms vietoms įvesti gali būti naudojami tinkami aktyvinimo metodai. Pavyzdžiui, dopaminu -dengta membranos matrica gali reaguoti su tiolio- ir amino- turinčiais ligandais per Maiklo pridėjimo ir Šifo bazines reakcijas.

Tarpinės ginklai:
Tarpinės svirties įvedimas tarp membranos matricos ir ligandų gali pagerinti tikslinių molekulių prieinamumą ligandams. Atitinkamos tarpinės rankos taip pat gali padidinti ligandų tankį ir pagerinti ligandų panaudojimo efektyvumą atskyrimo proceso metu.

 

 

2. Modulio dizaino naujovės (trys pagrindinės konfigūracijos + naujos konstrukcijos)

• Sukrauto disko tipas (laboratoriniai produktai):Membranos lakštai sukraunami kartu, suformuojant struktūrą, panašią į trumpą kolonėlę. Jį lengva padidinti, tačiau srauto-lauko pasiskirstymas yra gana netolygus.

• Radialinio srauto tipas (pagrindinis pramoninis dizainas):Membrana suvyniota aplink centrinę koloną. Jis tinkamas naudojant srautą-(nešvarumus), bet netinka surišimui-ir eliuavimui.

 

 

3. Proceso optimizavimas (nuolatinis apdorojimas + didelis našumas + protingas veikimas)

• Veikimo režimai:Pratekėti-(nešvarumų pašalinimas) ir surišti-ir-eliuoti (taikinio fiksavimas).
• Nuolatinė chromatografija:Kelių-stulpelių nepertraukiamos chromatografijos technologijos, pvz., imitacinė judančio sluoksnio (SMB) ir periodinės skaitiklio-srovės (PCC) chromatografija, gali padidinti produktyvumą ir sumažinti buferio suvartojimą.
• Didelio{0}}našumo patikra:Miniatiūriniai membraniniai moduliai su dideliu srauto greičiu leidžia greitai ir dideliu našumu optimizuoti (pvz., 96 šulinėlių plokštelės membranos chromatografija) tokius parametrus kaip pH ir druskos koncentracija, tuo pačiu sumažinant mėginio suvartojimą.

 

• IV. Taikymo perspektyvos: dėmesys makromolekulėms ir naujos{1}}kartos biologinėms priemonėms
• Membraninė chromatografija palaipsniui pakeičia kai kuriuos derva{0}}pagrįstos chromatografijos etapus įprastuose baltymų gryninimo procesuose, pvz., monokloninius antikūnus ir sulietus baltymus. Tai taip pat suteikia unikalių pranašumų valant naujos-kartos biofarmacinius preparatus:
• Makromolekuliniai baltymai:Monokloniniai antikūnai (150 kDa), PEGilinti baltymai (molekulių dydis × 10) ir SARS-CoV-2 smaigalio baltymai (multimeriniai). Dėl didelio srauto ir didelio derlingumo membraninė chromatografija puikiai tinka tolesniam proceso intensyvinimui.

 

 

• Nukleino rūgštys:Plazmidinė DNR ir mRNR (membraninė chromatografija suteikia didesnį surišimo pajėgumą nei derva{0}}pagrįsta chromatografija).
• Virusai ir į{0}}virusus panašios dalelės (VLP):Gripo virusas, AAV ir ŽIV{0}}VLP (didelės 200–400 nm dalelės). Difuzija per dervos terpę yra labai lėta, o ribotas porų prieinamumas gali žymiai sumažinti surišimo pajėgumą. Priešingai, membraninė chromatografija užtikrina efektyvų konvekcinį masės perdavimą, didelį porų prieinamumą, didelį srautą ir didelį surišimo pajėgumą.
• Ekstraląstelinės pūslelės:Egzosomos ir mikropūslelės (50–1000 nm dydžio). Šie produktai negali veiksmingai patekti į dervos terpės poras ir sąveikauti su ligandais, todėl membraninė chromatografija yra tinkamesnė valymo technologija.

 

 

V. Iššūkiai ir perspektyvos: mastelio ir našumo subalansavimas

1. Pagrindiniai iššūkiai

• Mažas surišimo paviršiaus plotas: membranos yra savaime{0}}atraminės struktūros, kurių efektyvus surišimo paviršiaus plotas yra daug mažesnis nei dervos terpės. Dėl to rišimo-ir
• Didelė kaina: vienkartiniai-membraniniai moduliai gali būti gana brangūs, o tai riboja jų platų pritaikymą dideliais kiekiais, išskyrus didelės-vertės produktus.
• Komercinių modulių apribojimai: ne{0}}vienodas srauto paskirstymas ir nepakankama skiriamoji geba išlieka komerciniais modulių iššūkiais, todėl reikia toliau optimizuoti modulio dizainą.
• Ligandų stabilumas: giminingi ligandai, tokie kaip baltymas A, yra veikiami atšiauriomis eliuavimo sąlygomis, ypač rūgštiniu pH, dėl ko ligandas gali suirti ir sutrumpinti tarnavimo laiką.

2. Ateities kryptys

• Medžiagos: kurkite membranines matricas, pasižyminčias didesniu surišimo pajėgumu, geresniu stabilumu ir mažesnėmis sąnaudomis, pvz., elektros pluošto pluoštus ir mišrias{0}}matricos membranas. Sukurkite pigius-afinitetus ligandus, įskaitant peptidus ir biomimetinius ligandus, kaip alternatyvas baltymui A.
• Moduliai: kurkite moksliškai optimizuotus modulių dizainus su tolygesniu srauto paskirstymu ir didesne skiriamąja geba. Modulinės konstrukcijos su fiksuotu korpusu su keičiamomis membranomis gali padėti sumažinti naudojimo išlaidas.
• Procesai: Skatinkite nuolatinį ir integruotą apdorojimą, pvz., membranos ir dervos tandemo konfigūracijas. Įgalinkite pakartotinį{1}}ciklų naudojimą optimizuodami valymo ir regeneravimo procesus, kad sumažintumėte veiklos sąnaudas.
• Taikymas: išplėsti membraninės chromatografijos naudojimą naujose srityse, tokiose kaip virusai, VLP, egzosomos ir mRNR, siekiant nustatyti diferencijuotus ir sunkiai pakeičiamus technologinius pranašumus.

 

 

VI. Išvada

Dėl pagrindinių privalumų – konvekcinio masės perdavimo, didelio srauto, lengvo mastelio ir mažo slėgio kritimo – membraninė chromatografija iš „papildomos alternatyvos“ tampa pagrindine biologinio apdorojimo technologija. Nors išlieka iššūkių, susijusių su surišimo pajėgumu, kaina ir modulio dizainu, jo unikali vertė makromolekulių ir naujos kartos biologinių medžiagų valymui ir toliau skatins membraninių medžiagų, modulių konfigūracijų ir proceso technologijų naujoves.

Tikimasi, kad ateityje membraninė chromatografija taps pagrindine tolesnio biofarmacinio valymo technologija, turinti ypač didelį potencialą nuolatinėje gamyboje ir naujose bioterapijos srityse.