Uporaba membranske kromatografije pri nadaljnjem čiščenju beljakovin

Membranska kromatografija je tehnologija, ki se uporablja za ločevanje in čiščenje beljakovin in biomolekul med nadaljnjo obdelavo. Velja za učinkovito alternativo običajni kolonski kromatografiji, ker lahko znatno izboljša kromatografsko učinkovitost v načinih afinitete, hidrofobne interakcije in ionske-izmenjave.

 

 

Membranska kromatografija se uporablja predvsem v biofarmacevtski industriji, zlasti za čiščenje zdravil protiteles, virusov in monoklonskih protiteles.

Osnovno načelo membranske kromatografije, membranska kromatografija uporablja vezavna mesta znotraj membranskega matriksa za ločevanje in čiščenje biomolekul. V primerjavi z običajno kolonsko kromatografijo membranska kromatografija skrajša kontaktni čas med biomolekulami in adsorbentom, s čimer pomaga ohranjati njihovo naravno konformacijo, hkrati pa odstranjuje nečistoče in ohranja biološko aktivnost ciljnih molekul. Notranja strukturna zasnova membranske kromatografije zagotavlja razmeroma velike pore in zmanjšuje učinke-izključitve velikosti, s čimer znatno poveča delovni pretok.

 

I. Zgodovina razvoja membranske kromatografije

1. Izvor (1980)

Filtrirni papir-za ionsko izmenjavo:Funkcionalne-izmenjalne skupine ionov so bile najprej uvedene na globinski-filtrirni papir za odstranitev DNK-gostiteljske celice. Vendar pa so imeli ti zgodnji materiali nizko sposobnost vezave in visoko vsebnost ekstrakta.

Rojstvo serije Sartobind:Modificirane membrane iz celuloznega acetata so izboljšale kakovost izdelkov in postavile temelje za membransko-biološko obdelavo. V zgodnji razvojni fazi je bila ta tehnologija običajno imenovana"adsorpcijske membrane".

2. Tehnološki preboj (1990–2000)

Membranska kromatografija Mustang:Pall je optimiziral gostoto liganda, dosegel dinamične vezavne zmogljivosti, ki so presegle zmogljivosti običajnih kromatografskih smol in pripeljale membransko kromatografijo k pravi"čiščenje in ločevanje"aplikacije.

Komercializacija:Po letu 2012 so podjetja, kot so Guidling, Sartorius in Pall, uvedla izdelke za membransko kromatografijo, ki temeljijo na anionski izmenjavi, kationski izmenjavi, hidrofobni interakciji in afinitetnih mehanizmih, ter postopoma razširila njihovo uporabo kot alternativo običajni -posteljni kromatografiji.

3. Inteligentizacija in širitev (2020–danes)

Afinitetna membranska kromatografija:Izdelki za membransko kromatografijo, kot so membrane Guidling Q, SP, CM in DEAE, ponujajo zadrževalne čase le 10 sekund z dinamično vezavno zmogljivostjo do 55 g/L, kar ima za posledico do 15-kratno povečanje učinkovitosti čiščenja.

Multimodalna in neprekinjena-pretočna obdelava:S kombinacijo mehanizmov ionske-izmenjave in hidrofobnih interakcij membranska kromatografija omogoča dvo{1}}stopenjsko čiščenje monoklonskih protiteles, hkrati pa zmanjša porabo pufra do 85 %.

 

II. Trenutno stanje razvoja membranske kromatografije

1. Tehnične prednosti

Visok pretok:Velikost por membrane je 3–5 μm v primerjavi s približno 0,04 μm pri običajnih kromatografskih medijih. Delovne hitrosti pretoka lahko dosežejo 500–1000 cm/h v primerjavi s 100–150 cm/h pri tradicionalni -plastični kromatografiji.

Visoka vezavna zmogljivost:Konvektivni prenos mase zmanjšuje difuzijske omejitve, kar omogoča dinamične vezavne zmogljivosti nad 2.500 g/m², kot so tiste, ki jih je dokazala membranska kromatografija Guidling Q.

Enostavnost delovanja:Vnaprej sestavljena in pripravljena za uporabo membranska kromatografija odpravlja korake pakiranja kolone in regeneracije. Zelo je primeren za-sisteme za enkratno uporabo in lahko skrajša skupni čas obdelave do 60 %.

2. Področja uporabe

Biofarmacevtski izdelki:Monoklonska protitelesa (odstranitev HCP/DNA), virusni vektorji (adenovirus, AAV) in cepiva (gripa, virusi virusa COVID-19).

Industrijsko čiščenje:Razstrupljanje polisaharidov (npr.Streptococcus pneumoniae), zajem rekombinantnih beljakovin in odstranitev endotoksina.

Okoljske aplikacije:Čiščenje odpadne vode (adsorpcija težkih{0}}kovin) in odstranjevanje fosfatov iz odpadne vode iz alg.

 

III. Razvojni trendi membranske kromatografije

1. Tehnološke inovacije

Pametni-odzivni mediji:Inteligentni kompozitni porozni materiali omogočajo nadzorovano adsorpcijo in sproščanje ter zmanjšujejo odvisnost od-pogojev z veliko soli.

Nanovlakna:Pet{0}}kratno povečanje specifične površine omogoča visoko učinkovito vezavo velikih biomolekul, kot je plazmidna DNA.

Multimodalna kromatografija:Tandemske anionske-izmenjalne in hidrofobne membrane lahko dosežejo do 100-odstotno odstranitev agregatov monoklonskih protiteles, hkrati pa zmanjšajo število korakov čiščenja za 50%.

2. Nadgradnje procesov

Neprekinjena obdelava:Integracija globinske filtracije, membranske kromatografije in ultrafiltracije lahko skrajša cikel proizvodnje monoklonskih protiteles s 4 dni na 1 dan.

Modularna zasnova:Oprema za navzkrižni-tok dovoda Z2 zagotavlja ločljivost, primerljivo s HPLC, hkrati pa poveča hitrost pretoka do 40-krat, zaradi česar je primerna za čiščenje vektorjev za gensko terapijo.

3. Razširitev aplikacije

Genska terapija:Ločevanje praznih in polnih kapsid AAV z membransko kromatografijo, ki dosega kapacitete vezave do 1 × 10¹³ VP/mL.

Čiščenje zunajceličnih veziklov:Membrane s sulfatno celulozo omogočajo selektivno adsorpcijo eksosomov, pri čemer stopnja izkoristka presega 80 %.

Živilska industrija:Ločevanje sirotkinih beljakovin in odstranjevanje aflatoksinov, ki zagotavlja alternativo običajnim metodam ekstrakcije fenola.

 

IV. Izzivi in ​​obeti za prihodnost

1. Trenutne omejitve

Stroški liganda:Afinitetne membrane se opirajo na drage ligande, kot je protein A, kar omejuje ekonomsko izvedljivost aplikacij-za enkratno uporabo.

Povečanje-izzivov:Ko se površina membrane poveča, lahko postane težava neenakomerna porazdelitev tekočine, ki zahteva optimizacijo zasnove modula, kot so konfiguracije spiralnih-navitih in-votlih vlaken.

2. Prebojne smeri

Razvoj liganda:Oblikujte široko{0}}spektralne ligande, ki temeljijo na interakcijah med virusom in gostiteljem, kot so sulfatirani polisaharid-ligandi, ki posnemajo heparin.

Zelena obdelava:Trehaloza se lahko uporablja kot alternativa glicerolu za zmanjšanje viskoznosti raztopine, medtem ko se lahko poraba pufra zmanjša za do 85 %.

Optimizacija-na podlagi umetne inteligence:Simulacije računalniške dinamike tekočin (CFD) je mogoče uporabiti za napovedovanje umazanije na membrani, optimizacijo dinamike tekočin in izboljšanje-porazdelitve velikosti por.

 

V. Tipični primeri uporabe

1. Proizvodnja monoklonskih protiteles

Guidling Q:Za zajem monoklonskih protiteles v merilu 2000 L je prostornina membrane le 5 L v primerjavi s 60 L običajnih kromatografskih medijev, kar zmanjša stroške za 80 %.

2. Čiščenje virusov

Cepiva proti gripi:Psevdo-afinitetna membranska kromatografija doseže stopnjo izkoristka 80 % z ostankom DNA pod 0,5 %.

Adenovirusni vektorji:Zn²⁺-kelatne membrane zagotavljajo vezavno kapaciteto 1 × 10¹³ VP/mL, pri čemer odstranitev proteinov-celic gostiteljice presega 99 %.

Membranska kromatografija presega omejitve običajne kromatografije s konvektivnim prenosom mase, zaradi česar je ključna tehnologija za zmanjšanje stroškov in izboljšanje učinkovitosti biofarmacevtske proizvodnje. V prihodnosti, ko bodo pametni materiali integrirani s procesi neprekinjenega-toka, se pričakuje, da se bo membranska kromatografija razširila v gensko terapijo, natančno medicino in trajnostno proizvodnjo, kar bo industrijo bioprocesiranja popeljalo v novo obdobjevečja učinkovitost in manjša poraba virov.