Järgmise-põlvkonna biopuhastustehnoloogia: membraankromatograafia põhiteooria, peamised atribuudid ja tööstuslikud rakendused

I. Mis on membraankromatograafia?

Membraankromatograafias kasutatakse kromatograafilise keskkonnana poorseid eraldusmembraane, mille membraani pinnale on immobiliseeritud spetsiifilised ligandid. Tuginedes pigem konvektsiooni-domineerivale massiülekandele kui traditsioonilise vaigul-põhineva kromatograafia difusiooni{2}}piiratud massiülekandele, võimaldab see suure voolukiiruse, suure eraldusvõime, hõlpsa skaleeritavuse, madala rõhulanguse ja ühekordse -kasutatava biotöötluse biomolekulide puhastamiseks.

Põhijäreldus: membraankromatograafia on väga tõhus puhastustehnoloogia, mis põhineb konvektsioonil{0}}domineeritud massiülekandel.

 

 

II. Membraankromatograafia ja vaigu{1}}põhise pakitud-kihi kromatograafia erinevused

Põhilised erinevused massiülekandes

• Vaigu-põhine pakitud-kihtkromatograafia: vaiguosakeste poorid on surnud-poorid, mille tulemuseks on suurte molekulide üliaeglane difusioon. Voolukiiruse suurenedes vähenevad järsult nii eraldusvõime kui ka sidumisvõime.
• Membraankromatograafia: membraani poorid on valdavalt läbi-pooride, mis võimaldab lahustunud aineid transportida otse konvektsiooni teel pooride seinte sidumiskohtadesse. Seetõttu mõjutab voolukiirus eraldusvõimet ja sidumisvõimet vähe.

 

 

 

III. Membraankromatograafia uuendused: kolmemõõtmelised läbimurded materjalides, moodulites ja protsessides{1}

1. Membraanmaterjalide uuendused (maatriks + ligand + sidestus)

Maatriks:

• Looduslik: tselluloos, polüsahhariidid.
• Sünteetiline: nailon, PES, PTFE.
• Uudne: nanokiud, agaroosikiud (suur eripind).

Ligandid:

• Ioonivahetus (kõige küpsem): kvaternaarsed ammooniumirühmad (AEX), sulfoonhapperühmad (CEX).
• Afiinsus: Proteiin A/G, peptiidligandid, metallikelaat (IDA), värvained, aptameerid.
• Hüdrofoobsed: fenüül-, alküülrühmad.

Ühendustehnoloogiad:Membraanimaatriksite puhul, mille membraani pinnal on reaktiivsed saidid:

Eelsünteesitud ligandid saab siduda otse membraani pinnaga.

Polümerisatsiooni saab algatada otse membraani pinnal. Näiteks saab katioon-vahetusmembraane ja segarežiimis-kromatograafia membraane valmistada aatomiülekande radikaalpolümerisatsiooni (ATRP) abil. See sidumisviis võib pakkuda suhteliselt kõrget sidumisvõimet.

Membraanimaatriksite puhul, millel puuduvad reaktiivsed saidid membraani pinnal, saab reaktiivsete saitide sisestamiseks kasutada sobivaid aktiveerimismeetodeid. Näiteks võib dopamiini-kattega membraanmaatriks reageerida tiooli- ja amino-sisaldavate ligandidega Michaeli lisamise ja Schiffi aluse reaktsioonide kaudu.

Vahetükid:
Vahetükkide sisseviimine membraanimaatriksi ja ligandide vahele võib parandada sihtmolekulide ligipääsetavust ligandidele. Sobivad vaheharud võivad samuti suurendada ligandi tihedust ja suurendada ligandi kasutamise efektiivsust eraldusprotsessi ajal.

 

 

2. Uuendused mooduli kujundamisel (kolm põhikonfiguratsiooni + uudsed kujundused)

• Virnastatud ketta tüüp (laboritooted):Membraanlehed on virnastatud, moodustades lühikese sambaga sarnase struktuuri. Seda on lihtne suurendada, kuid voolu-välja jaotus on suhteliselt ebaühtlane.

• Radiaalse voolu tüüp (tavaline tööstusdisain):Membraan on keritud ümber kesksamba. See sobib läbivoolu-rakendusteks (lisandite eemaldamiseks), kuid ei sobi sidumis-ja-elueerimiseks.

 

 

3. Protsessi optimeerimine (pidev töötlemine + suur läbilaskevõime + intelligentne töö)

• Töörežiimid:Läbi voolata-(lisandite eemaldamine) ja siduda-ja-elueerida (sihtmärgi püüdmine).
• Pidev kromatograafia:Mitme-kolonni pidevkromatograafia tehnoloogiad, nagu simuleeritud liikuv kiht (SMB) ja perioodiline loendur-voolu (PCC) kromatograafia, võivad suurendada tootlikkust, vähendades samal ajal puhvri tarbimist.
• Suure{0}}läbilaskvusega sõelumine:Suure voolukiirusega miniatuursed membraanmoodulid võimaldavad kiiret ja suure läbilaskevõimega -optimeerimist (nt 96-süvendilise plaadimembraani kromatograafia) parameetritele, nagu pH ja soolakontsentratsioon, minimeerides samal ajal proovikulu.

 

• IV. Rakendusvõimalused: keskendumine makromolekulidele ja järgmise-põlvkonna bioloogiale
• Membraankromatograafia asendab järk-järgult mõningaid vaigupõhiseid kromatograafiaetappe tavalistes valkude puhastamise protsessides, nagu monoklonaalsed antikehad ja liitvalgud. Samuti pakub see ainulaadseid eeliseid järgmise -põlvkonna biofarmatseutiliste ravimite puhastamisel:
• Makromolekulaarsed valgud:Monoklonaalsed antikehad (150 kDa), PEGüleeritud valgud (molekuli suurus × 10) ja SARS-CoV-2 spike-valgud (multimeersed). Suured voolukiirused ja kõrge saagis muudavad membraankromatograafia hästi sobivaks järgneva protsessi intensiivistamiseks.

 

 

• Nukleiinhapped:Plasmiidne DNA ja mRNA (membraankromatograafia pakub suuremat sidumisvõimet kui vaigul{0}}põhine kromatograafia).
• Viirused ja viiruselaadsed osakesed (VLP-d):Gripiviirus, AAV ja HIV{0}}VLP-d (suured osakesed laiusega 200–400 nm). Difusioon vaigukeskkonna kaudu on äärmiselt aeglane ja pooride piiratud juurdepääs võib sidumisvõimet märkimisväärselt vähendada. Membraankromatograafia seevastu võimaldab tõhusat konvektiivset massiülekannet, suurt juurdepääsu pooridele, suurt voolukiirust ja suurt sidumisvõimet.
• Ekstratsellulaarsed vesiikulid:Eksosoomid ja mikrovesiikulid (suurused 50–1000 nm). Need tooted ei saa tõhusalt siseneda vaigukeskkonna pooridesse ega suhelda ligandidega, mistõttu on membraankromatograafia sobivam puhastustehnoloogia.

 

 

V. Väljakutsed ja väljavaated: mastaapsuse ja jõudluse tasakaalustamine

1. Peamised väljakutsed

• Madal sidumispindala: membraanid on isekandvad struktuurid{0}}, mille efektiivne sidumispind on oluliselt madalam kui vaigukandjal. Selle tulemuseks võib olla ebapiisav sidumisvõime sidumis-ja -elueerimise rakendustes.
• Kõrge hind: ühekordselt kasutatavad-membraanimoodulid võivad olla suhteliselt kallid, mis piirab nende laialdast kasutuselevõttu suures mahus, välja arvatud kõrge väärtusega tooted.
• Kommertsmooduli piirangud: voo ebaühtlane jaotus- ja ebapiisav eraldusvõime on endiselt kaubanduslikult saadaolevate moodulite väljakutsed, mis nõuavad mooduli disaini täiendavat optimeerimist.
• Ligandi stabiilsus: Afiinsusligandid, nagu valk A, puutuvad kokku karmide elueerimistingimustega, eriti happelise pH-ga, mis võib põhjustada ligandi lagunemist ja lühemat kasutusiga.

2. Tulevikujuhised

• Materjalid: töötage välja suurema sidumisvõimega, parema stabiilsusega ja madalamate kuludega membraanmaatriksid, näiteks elektrokedratud kiud ja sega{0}}maatriksmembraanid. Arendage A-valgu alternatiivina välja odava-afiinsusega ligandid, sealhulgas peptiidid ja biomimeetilised ligandid.
• Moodulid: arendada ühtlasema voolujaotusega ja kõrgema eraldusvõimega teaduslikult optimeeritud mooduleid. Modulaarsed konstruktsioonid, mis sisaldavad vahetatavate membraanivirnadega fikseeritud korpust, võivad aidata vähendada kasutuskulusid.
• Protsessid: edendage pidevat ja integreeritud töötlemist, näiteks membraani-vaigu tandemkonfiguratsioone. Lubage mitu-tsüklit, optimeerides puhastus- ja regenereerimisprotsesse, et vähendada tegevuskulusid.
• Rakendused: laiendage membraankromatograafia kasutamist esilekerkivates valdkondades, nagu viirused, VLP-d, eksosoomid ja mRNA, et luua diferentseeritud ja raskesti{0}}asendatavaid tehnoloogilisi eeliseid.

 

 

VI. Järeldus

Membraankromatograafia on konvektiivse massiülekande, suure voolukiiruse, hõlpsa skaleeritavuse ja madala rõhulanguse peamiste eeliste tõttu arenemas "täiendavast alternatiivist" biotöötluse peavoolutehnoloogiaks. Kuigi sidumisvõimsuse, kulude ja mooduli disaini osas on endiselt probleeme, jätkab selle ainulaadne väärtus makromolekulide ja järgmise põlvkonna bioloogiliste ainete puhastamisel{1}} jätkuvalt innovatsiooni membraanimaterjalide, mooduli konfiguratsioonide ja protsessitehnoloogiate vallas.

Tulevikus eeldatakse, et membraankromatograafiast saab biofarmatseutilise puhastamise põhitehnoloogia, millel on eriti märkimisväärne potentsiaal pidevas tootmises ja uutes bioterapeutilistes rakendustes.