Thermodynamics of the adsorption of monoclonal antibodies in salt-tolerant chromatography

Abstract

The possibilities with monoclonal antibodies to be used as drugs against several diseases is of
great interest to many pharmaceutical companies. However, efficient production is hindered
by advanced and difficult purification steps in the downstream processing. Chromatographic
systems have proven to be a powerful methodology promoting high purity, nevertheless
associated with high costs. Therefore, development of new resins is one of the areas that can
be improved in order to make a more cost and time-efficient process. In order to develop new
resins, as well as improving existing ones, a deeper understanding of the process is needed.
The adsorption process between a biomolecule and a stationary phase in chromatography is a
very complex process, usually involving various types of interactions that might change
depending on the conditions used.
Various methods exist in order to get an in-depth understanding of the adsorption process and
flow microcalorimetry (FMC) has proven to be one effective approach. FMC measures heat
exchange, ​ in situ ​ during the chromatographic interaction, showing both adsorption and
desorption events in a column, without interfering with the actual process.
In this study, a new available salt tolerant commercial resin was studied using FMC
combined with other techniques in order to get a deeper understanding of the adsorption
process in Ion-exchange chromatography.

Popular Abstract (Swedish)

Antikroppar är en del av kroppens egna försvar mot främmande ämnen, såsom mikroorganismer, virus, bakterier och parasiter. De används för att upptäcka och identifiera dessa ämnen och gör så genom att interagera med specifika molekyler, antikroppens antigener, som finns närvarande på ämnets yta. När antikroppen identifierat och satt sig på ytan kan vita blodkroppar och komplementproteiner eliminera det utomstående ämnet från kroppen.

Antikroppar kan bildas mot i stort sett alla typer av ämnen genom att identifiera unika antigener. Tack vare stora framsteg inom bioteknikområdet kan antikroppar som är specifika för en unik antigen, kallade monoklonala antikroppar, produceras. Dessa har blivit huvudfokus för många läkemedelsföretag.
Med tanke på att en monoklonal antikropp kan känna igen väldigt specifika områden, exempelvis ett område som är unikt på ytan av en cancercell, kan dessa produceras och användas som ny medicin mot en viss typ av cancer eller som komplement till immunterapi.

Utöver användningsområden inom medicin kan även dessa antikroppar användas vid exempelvis immunanalys för att detektera lågt koncentrerade ämnen i vissa laboratorietekniker, såsom masspektrometrisk immunanalys och vid Western blotting.
Användningsområdena och fördelarna med monoklonala antikroppar är många, men dyra. Sett till hela produktionsprocessen är ca 65-80% associerat med nedströms processer. Antikroppar skiljer sig väldigt lite emellan och är därför svåra att separera från varandra.

En vanlig metod för att separera monoklonala antikroppar från orenheter och för att få fram den just önskade antikroppen är att använda sig av kromatografi. Däremot krävs ofta flera kromatografiska steg och varje steg har sina optimala förutsättningar. Detta leder till tidskrävande och kostsamma förändringar av lösningen för att göra just det kromatografiska steget så optimalt som möjligt.
Ett sätt att reducera tiden och kostnaderna är att utveckla mer robusta kromatografiska material. För att kunna optimera och utveckla dessa material krävs en fördjupad förståelse i hur de önskade antikropparna adsorberar på de kromatografiska material.
Olika analystekniker och metoder kan användas för att studera hur två ämnen interagerar med varandra och för att påvisa vikten av de underliggande termodynamiska storheterna. En väl erkänd metod för att utföra sådana analyser är att använda sig av kalorimetri. Det finns olika typer av kalorimetri, men i alla typer av kalorimetri mäts värme och värmemängder till följd av olika typer av interaktioner. Dessa mätningar kan sedan analyseras med olika metoder för att kunna få en fördjupad förståelse för den bakomliggande mekanismen över hur ämnen interagerar med varandra.
I denna studie har interaktionen med monoklonala antikroppar och ett nytt kommersiellt kromatografiskt material, TOYOPEARL Sulfate 650F, studerats med hjälp av bland annat flödes-mikrokalorimetri (FMC). Vikten av olika typer av interaktioner har kunnat påvisats och en fördjupad förståelse över hur det kromatografiska materialet interagerar med biomolekylerna har kunnat ses.

• author: Dreimanis, Joakim
• supervisor: Cristina Dias-Cabral; Johan Svensson Bonde
• organization: Pure and Applied Biochemistry; Computational Chemistry
• course: KBKM05 20182
• year: 2019
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Technology and Engineering
• keywords: Ion-exchange chromatography, Monoclonal antibodies, Flow microcalorimetry, Applied biochemistry
• language: English
• id: 8974110
• date added to LUP: 2022-08-01 11:56:45
• date last changed: 2022-08-01 11:56:45