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~遵循电荷异构体检测法规 引领精准检测技术新趋势~近年来，蛋白类生物药受到越来越多的关注和重视，2023年美国FDA批准的新药和生物制品名单中有24种蛋白药物[1]。抗体类蛋白药物在生产、储存和运输过程中发生的潜在变化，可能会导致产品中发生分子量、氨基酸残基的修饰、糖型等非均一性从而导致产生对应的电荷异构体。根据ICH Q6B的规定，生物制药需要对电荷异构体这种产品相关物质和产品相关杂质进行质量控制，以确保产品的安全性、有效性和一致性，满足各国药品监管机构的要求。在电荷异构体的分析检测中，全柱成像毛细管等电聚焦（icIEF）是一种不可或缺的分析手段，也是目前产品放行的法定方法。在2020版中国药典《人用重组单克隆抗体制品总论》和2025版中国药典公示稿《3129 单抗电荷变异体测定法》通则中都收录了icIEF作为电荷异构体检测的药典标准方法。AES(艾易尔斯生物)作为行业内唯一能够提供从载体两性电解质、卡柱、pI 标记物到分析型、制备型和质谱在线联机的icIEF全方面解决方案的供应商，与赛默飞强强联手共同推出icIEF-Orbitrap的联用分析解决方案，并与国内外生物制药客户合作发表系列研究成果，引领行业的发展[2-11]。CEInfinite全柱成像毛细管等电聚焦电泳与Orbitrap Exploris系列超高分辨液质联用仪~应对电荷异构体分析三大难题 提升生物制药质控需求~随着监管要求的提高，药物研发阶段和某些生产控制阶段需要制备毫克级电荷异构体，以便用于肽图分析、修饰位点确定和效力测定。然而，现有的icIEF技术在制备效率低、难以获得毫克级电荷异构体和制备重现性不佳方面存在行业难题。针对这些痛点，赛默飞与AES合作带来了创新解决方案。● 应对挑战一：攻克毫克级电荷异构体制备挑战，引领制备技术新突破AES的CEInfinite平台的制备型icIEF功能，能够在无人值守的情况下实现高效且可重现的馏分收集。每次运行可自动完成足量的馏分收集，满足肽图谱分所需且能够准确定义每个馏分的间隔，实现每天20-30次的高通量操作，能够快速提供大量可重现的样品用于后续在Orbitrap高分辨质谱上完成肽图测试，为新药的快速上市和生产流程的优化提供强有力的支持。▲ 高重复性：在迁移过程中可以保持峰形，从而确保高重现性▲ 高分辨率和高纯度：pI差异0.1 的峰即可分馏制备，纯度可以做到100%▲ 高产量：制备量高达 8 μg/次，250 μg/天，4天即可获得 1 mg▲ 减少劳动力：自动化、温控，并尽量减少用户干预图1: CEInfinite采用压力推动的制备模式，可以实现液相色谱级别的稳定性和重现性图2: 离线制备 Pembrolizumab 电荷异构体[5]图3: 制备获得的Pembrolizumab 电荷异构体的纯度确认[5]图4: Pembrolizumab 电荷异构体中氧化修饰的信息汇总[6]● 应对挑战二：提升电荷异构体分析的分辨率和灵敏度除了肽图分析以外，CEInfinite icIEF 与Orbitrap 超高分辨质谱仪联用的优势，包括采用 Denative MS 和Native MS 模式，实现 icIEF-Native MS 以进行各种蛋白药物进行有效分析，这种集成解决方案不仅提升了蛋白质电荷异构体分析的分辨率和灵敏度，还确保了操作的高效性和数据的合规性，为生物制药行业提供了一个先进、可靠的分析平台[10]。▲ 高分辨率、高灵敏度的质谱分析：Orbitrap具有极高的分辨率和灵敏度，使得蛋白质电荷异构体的分离和识别更加精准，能够检测到低丰度的电荷异构体，确保在复杂样品中获得可靠的数据，有助于发现和分析低浓度的蛋白质变体，提升分析的全面性。▲ Native MS 模式：独一无二的icIEF-Native MS 的模式，能够在保持样品天然状态的情况下进行质谱分析。这对于 ADC药物的电荷异构体表征尤其重要，能够准确地分析复杂生物药物的电荷异构体，为药物开发和质量控制提供了强有力的工具。▲ 统一管控满足合规要求：变色龙软件可以统一管理 CEInfinite icIEF 和 Orbitrap 的操作，提供强大的数据处理和管理功能，能够有效存储和分析数据，并提供数据审计跟踪，可自动生成合规性文档和记录，满足行业标准和法规要求。图5: 变色龙同时控制CEInfinite icIEF 和 Orbitrap Exploris 240[10]图6: 变色龙支持CEInfinite icIEF 的数据采集和数据处理[10]图7: CEInfinite icIEF与Orbitrap联用在线检测NIST mAb[2]● 应对挑战三：药物结构复杂性带来的电荷异构体分离挑战随着蛋白药物从最初单抗已经发展出了抗体偶联药物、小分子偶联药物、多肽偶联药物、抗体寡核苷酸偶联物等各种新颖的药物，这些药物结构的复杂性也给icIEF的分离带来了挑战，而只有得到很好的分离才能进入下一步的制备工作，这里面最核心就是载体两性电解液。利用AESlyte® 的载体两性电解质能够显著提高icIEF方法的分辨率，与传统载体两性电解质相比，AESlyte系列不仅具有更严格的批次间质量控制，还能够在复杂样品中实现更高的基线分辨率。另外通过优化不同的AESlyte组合以及定制化载体两性电解质，CEInfinite平台可以精确分离每个电荷异构体，从而为后续的肽图分析和质量属性研究奠定坚实基础。▲ 30 个两性电解质覆盖pH 2.5-12.0和40 个pI标记物从2.85 到 11.20。▲ 定制的两性电解质可根据要求匹配之前使用其他两性电解质的历史icIEF分析图谱。▲ 针对复杂蛋白如 ADC、双特异性抗体、融合蛋白、AAV和脂质纳米颗粒进行优化，确保结果可靠且可重复，保证长期稳定的供应。图8: 现有的载体两性电解质产线图图9: AESlyte载体两性电解液用于NISTmAb和Etanercept图10: 现有的 pI 标记物产线~提升质控需求，助力应对出海挑战~电荷异构体分析中，icIEF分析方法能满足国内外法规要求，icIEF-Orbitrap联用技术能进一步提升对生物制药的质控水平，生物制药头部跨国企业多家均配备了该套方案，以用于对生物制药中电荷异构体杂质的管控，该方案能进一步引领分析技术水平的提升，帮助国内生物制药企业应对新药出海的挑战，增强竞争力！参考文献：1. http://www.phirda.com/artilce_34778.html?cId=1&module=trackingCodeGenerator2. T. Kwok, et al. Imaged capillary isoelectric focusing tandem high-resolution mass spectrometry using nano electrospray ionization (ESI) for protein heterogeneity characterization. Analytical Biochemistry 2023, 680, 115312. doi: 10.1016/ j.ab.2023.1153123. W. Fan, et al. Integrating ultra-high-performance liquid chromatography tandem mass spectrometry and imaged capillary isoelectric focusing for in-depth characterization of complex fusion proteins. Rapid Communicationsin Mass Spectrometry. 2023, 37, e9484. doi: 10.1002/rcm.94844. T. Kwok, et al. Fractionation and online mass spectrometry based on imaged capillary isoelectric focusing (icIEF) for characterizing charge heterogeneity of therapeutic antibody. Analytical Methods.2023, 15, 411-418. doi: 10.1039/D2AY01670B5. Zhang, et al. Imaged capillary isoelectric focusing (icIEF) tandem high resolution mass spectrometry for charged heterogeneity of protein drugs in biopharmaceutical discovery. Journal of Pharmaceutical and Biomedical Analysis. 2023 224:115178. doi: 10.1016/j.jpba.2022.115178.6. X. Zhang, et al. In Depth Characterization of mAb Charge Variants with icIEFFractionation Followed by Peptide Mapping Analysis. ASMS poster,2021, PO66105.7. G. Wu, et al. Mass Spectrometry-Based Charge Heterogeneity Characterization of Therapeutic mAbs with Imaged Capillary Isoelectric Focusing and Ion-Exchange Chromatography as Separation Techniques. Analytical Chemistry 2023, 95, 2548–2560. doi: 10.1021/acs.analchem.2c050718. X. Zhang, et al. Cutting-edge mass spectrometry strategy based on imaged capillary isoelectric focusing (icIEF) technology for characterizing charge heterogeneity of monoclonal antibody. Analytical Biochemistry, 2023, 660, 114961. doi: 10.1016/j.ab.2022.1149619. Gang Wu, et al. Mass spectrometry study on SARS-CoV-2 recombinant vaccine with comprehensive separation techniques to characterize complex heterogeneity. Analytica Chimica Acta, 2024, 1297, 342348. doi: 10.1016/j.aca.2024.342349.10. X. Zhang, et al. Imaged capillary isoelectric focusing – Mass Spectrometry (icIEF- MS) online coupling for polatuzumab vedotin charge heterogeneity analysis using native MS. ASMS poster ,2024, PO25811. 艾易尔斯生物科技公众号文章：文章分享丨为您更新：icIEF领域全新进展

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外泌体最早发现于体外培养的绵羊红细胞上清液中，是细胞主动分泌的大小较为均一，直径为40~100纳米，密度1.10~1.18 g/ml的囊泡样小体。 　　细胞外泌体携带多种蛋白质、mRNA、miRNA，参与细胞通讯、细胞迁移、血管新生和肿瘤细胞生长等过程并且有可能成为药物的天然载体，应用于临床治疗。然而，测量技术手段的局限限制了外泌体在这些领域的研究进展。所以，在这篇文章中，总结了外泌体的纯化方法，比较了现存各种外泌体测量技术，重点介绍了一种新的测量技术，纳米微粒追踪分析术，在外泌体尺寸和表征研究中的应用。 　　1. 外泌体提取及方法学评价 　　到目前为止，仍没有一种方法能同时保证外泌体的含量、纯度、生物活性。 　　1.1 离心法 　　这是目前外泌体提取最常用的方法。简单来说，收集细胞培养液以后依次在300 g、2 000 g、10 000 g离心去除细胞碎片和大分子蛋白质，最后100 000 g离心得到外泌体。此种方法得到的外泌体量多，但是纯度不足，电镜鉴定时发现外泌体聚集成块，由于微泡和外泌体没有非常统一的鉴定标准，也有一些研究认为此种方法得到的是微泡不是外泌体。 　　1.2 过滤离心 　　过滤离心是利用不同截留相对分子质量(MWCO)的超滤膜离心分离外泌体。截留相对分子质量是指能自由通过某种有孔材料的分子中最大分子的相对分子质量。外泌体是一个囊状小体，相对分子质量大于一般蛋白质，因此选择不同大小的MWCO膜可使外泌体与其他大分子物质分离。这种操作简单、省时，不影响外泌体的生物活性，但同样存在纯度不足的问题。 　　1.3 密度梯度离心法 　　密度梯度离心是将样本和梯度材料一起超速离心，样品中的不同组分沉降到各自的等密度区，分为连续和不连续梯度离心法。用于密度梯度离心法的介质要求对细胞无毒，在高浓度时粘度不高且易将pH调至中性。实验中常用蔗糖密度梯度离心法，在离心法的基础上，预先将两种浓度蔗糖溶液(如2.5 M 和0.25 M)配成连续梯度体系置于超速离心管中，样本铺在蔗糖溶液上，100 000 g离心16 h，外泌体会沉降到等密度区(1.10~1.18 g/ml)。用此种方法分离到的外泌体纯度高，但是前期准备工作繁杂，耗时，量少。 　　1.4 免疫磁珠法 　　免疫磁珠是包被有单克隆抗体的球型磁性微粒，可特异性地与靶物质结合。同样，在离心法的基础上，预先使磁珠包被针对外泌体相关抗原的抗体(如CD9、CD63、Alix)与外泌体共同孵育，蒸馏水冲洗后，重悬于PBS缓冲液中。这种方法可以保证外泌体形态的完整，特异性高、操作简单、不需要昂贵的仪器设备, 但是非中性pH和非生理性盐浓度会影响外泌体生物活性，不便进行下一步的实验。 　　1.5 色谱法 　　色谱法是利用根据凝胶孔隙的孔径大小与样品分子尺寸的相对关系而对溶质进行分离的分析方法。样品中大分子不能进入凝胶孔，只能沿多孔凝胶粒子之间的空隙通过色谱柱，首先被流动相洗脱出来 小分子可进入凝胶中绝大部分孔洞，在柱中受到更强地滞留，更慢地被洗脱出。分离到的外泌体在电镜下大小均一，但是需要特殊的设备，应用不广泛。 　　2. 外泌体测量各种方法的比较 　　2.1 电子显微镜 　　扫描电子显微镜(SEM)的工作原理是以能量为1-30KV间的电子束，以光栅状扫描方式照射到被分析试样的表面上，利用入射电子和试样表面物质相互作用所产生的二次电子和背散射电子成象，获得试样表面微观组织结构和形貌信息。高的分辨率。由于超高真空技术的发展，场发射电子枪的应用得到普及，现代先进的扫描电镜的分辨率已经达到1纳米左右，足够用来进行外泌体尺寸的测量。鉴于SEM的工作特点，在外泌体研究中，能够直接观察到样品中外泌体的形态。并且SEM具有很高的分辨率，能够鉴别不同大小不一的外泌体。但SEM对样品的预处理和制备上面要求较高，样品的准备阶段比较复杂，不适合对外泌体进行大量快速的测量。而且由于外泌体经过了预处理和制备过程，无法准确的进行外泌体浓度的测量。 　　2.2 动态光散射技术 　　动态光散射是收集溶液中做布朗运动的颗粒散射光强度起伏的变化，通过相关器将光强的波动转化为相关曲线，从而得到光强波动的速度，计算出粒子的扩散速度信息和粒子的粒径。小颗粒样品的布朗运动速度快，光强波动较快，相关曲线衰减较快，大颗粒反之(图1)。 　　 图1 大颗粒和小颗粒光强波动及相关曲线 　　在外泌体研究中，动态光散射测量敏感度较高，测量下限为10纳米。相对于SEM技术来说，样品制备简单，只需要简单的过滤，测量速度较快。但是动态光散射技术由于是测量光强的波动数据，所以大颗粒的光强波动信号会掩盖较小颗粒的光强波动信号，所以动态光散射不适合大小不一的复杂外泌体样本的测量，只适合通过色谱法制备的大小均一的外泌体的尺寸测量，并且无法测量样品中外泌体的浓度。 　　2.3 纳米微粒追踪分析术 　　纳米微粒追踪分析术(以下简称NTA)是一种比较新颖的研究纳米颗粒的方法，它可以直接和实时的观测纳米颗粒。NTA通过光学显微镜收集纳米颗粒的散射光信号，拍摄一段纳米颗粒在溶液中做布朗运动的影像，对每个颗粒的布朗运动进行追踪和分析，从而计算出纳米颗粒的流体力学半径和浓度。 　　NTA系统的工作原理是将一束能量集中的激光穿过玻璃棱镜对样品(悬浮颗粒的溶液)进行照射(光路图见图2)。 图2 NTA激光光路图 　　 　　激光光束从较小角度入射进入样品溶液，照亮溶液中的颗粒。配备相机的光学显微镜，被放置在特定的位置上，收集视野中被照亮的纳米颗粒发射出的光散射信号。 样品池有大约500微米的深度，采样点激光照亮宽度为20微米，这个数值和光学显微镜的聚焦的视野深度相匹配。相机会进行60秒的影像拍摄，每秒30个采样画面。颗粒的运动过程被NTA软件进行分析。NTA软件在每幅被记录的画面中鉴别和追踪做布朗运动的纳米颗粒。 　　根据颗粒的运动速度，通过二维 Stokes-Einstein方程计算颗粒流体力学半径 　　在方程中2是均方位移，KB是Boltzmann常数 T是溶液的温度，单位是Kelvin；ts是采样时间，例如，1/30 fpsec = 33 msec；&eta 是溶液粘度；dh是流体力学直径。 NTA检测颗粒大小的范围和颗粒本身的折光指数相关。测量的下限取决于被研究颗粒和背景之间信噪比，也就是颗粒的散射光强度和背景的光强差距。颗粒的散射光强度根据Rayleigh散射方程，受到以下因素的影响 　　其中，d是颗粒的直径，&lambda 是入射光的波长，n是颗粒和溶液的折光系数比。通常来说，生物样品，如外泌体等，折光系数较低，所以测量下限为30-40纳米。 　　由于NTA技术是直接追踪样品中每一个纳米颗粒，决定了NTA对复杂的样品具有极高的分辨率，为了证明NTA对于复杂样品的分辨能力，我们将100纳米和300纳米两种不同大小的聚苯乙烯颗粒按照5:1的数量混合，使用NTA进行测量(图3A)。尽管其分布图形有一定的重叠，但两种不同大小的纳米颗粒的峰清楚的区分开来。这种对复杂样品的分辨能力对于外泌体这样的研究对象来说是非常重要的。 　　NTA也能对样品浓度进行直接测量。对一系列浓度为1× 108-8× 108的100纳米单分散样品进行测量，可以看到NTA测量浓度结果和实际浓度存在着很好的线性相关(图3B)。对于多分散体系，测量结果的准确取决于仪器参数的设定(照相机快门速度和光圈)，恰当的参数设定可以保证不同大小颗粒都被NTA软件追踪和计算。 图3 A. 100纳米和300纳米混合样品NTA测量 B. NTA测量浓度和样品实际浓度线性相关 　　NTA还具有分析荧光样品的能力，NTA有四种不同波长405纳米, 488纳米, 532纳米和635纳米的激光器可以选择，在搭配相应的滤光片，从而实现对荧光样品的测量。将100纳米的荧光标记的颗粒和200纳米的非荧光颗粒用同一溶剂做成混合样品，使用NTA进行测量(图4)，图4中，蓝色的线显示为NTA的光散射模式，可以看到尽管100纳米和200nm纳米颗粒的分布图有重叠，但还是清楚的区分了100纳米和200纳米的峰值。然后使用荧光滤光片进行分析，只观测到100纳米的荧光标记的纳米颗粒(红线) 图4 NTA荧光样品测量 　　由于外泌体表面有标志物CD9，CD63等跨膜分子的存在，在复杂的背景环境下(如血清中)，可以用荧光抗体标记外泌体，在用NTA的荧光测量功能实现在复杂背景下对外泌体的测量。NTA相比较于流式细胞仪的荧光功能，分辨率较高，测量荧光颗粒的下限可以达到30-40纳米，而流式细胞仪的测量下限为400纳米，即使对于最新一代的数码流式细胞仪，其测量下限已经达到100纳米，但由于它仍然建立在监测光信号的基础上，所以测量和准确性和分辨率仍然不可靠。所以在外泌体荧光功能测量上，NTA具有独特的优势。 　　3. 总结 　　外泌体作为生物标志物的研究目前处于起步阶段，但临床应用已显示出良好的前景。 在临床诊断中，简单快速的在复杂的生物背景下(如血浆，尿液)测量外泌体浓度，大小和表征数据是必备的要求。目前存在的方法都无法完美的解决这一问题。NTA作为一个相对新的测量技术，具有实时观测，较高的分辨率，准确的浓度测量和荧光测量功能，提供了对外泌体大小和浓度研究的新的思路。 　　(作者：张帅，英国马尔文仪器公司生物科学专家，负责生命科学相关产品的推广与技术支持。) 　　注：文中观点不代表本网立场，仅供读者参考。