使用胶体颗粒吸附 (CPA) 模型重新思考离子交换层析建模
在建模初期，用于离子交换层析的机理模型主要基于化学计量方程。2021 年发布的 GoSilico™ 层析建模软件引入了一个新的吸附等温线类别，该类别基于蛋白质的胶体进行描述，即胶体颗粒吸附 (CPA) 模型。与标准的空间质量作用 (SMA) 模型相比，新的胶体模型在高层析柱负载下实现了更高的精度。
空间质量作用（SMA）模型
在过去的三十年里，机理模型主要依靠简单的化学计量方程来描述离子交换 (IEX) 工艺中的蛋白质吸附。最突出和广泛使用的模型是空间质量作用 (SMA) 等温线。SMA 模型通过流动相中蛋白质与吸附剂抗衡离子的可逆交换，描述了蛋白质和 IEX 填料之间的相互作用，同时明确考虑离子强度对蛋白质吸附的影响。因此，IEX 吸附剂的蛋白质结合能力受到其离子载量的物理限制。吸附剂配基的空间屏蔽进一步描述了高蛋白载量下的非线性吸附行为，如图 1 所示。
图 1. 有关 SMA 模型假设所涵盖的排斥和屏蔽效应的描述
SMA 与现实：如何理解峰肩？
尽管很受欢迎，但近年来我们已经看到 SMA 模型在描述工业工艺行为方面存在缺陷。SMA 模型和实验数据之间的差异在高蛋白载量密度与线性梯度洗脱相结合的情况下尤为明显。因此，我们经常观察到在洗脱峰前形成特征峰肩或“鱼翅状”，而 SMA 模型无法准确描述该洗脱峰，如下图所示。
图 2. 在洗脱峰前形成峰肩或“鱼翅状”以增加载量
引用：“在过去的三十年里，我们对 IEX 层析的理解主要基于化学计量原理。鉴于不遵循这些模型提出的行为的工艺越来越多，我们开始考虑对蛋白质吸附进行非化学计量描述。”
Till Briskot，GoSilico GmbH（现已加入 Cytiva）的前研究工程师。
胶体颗粒吸附 (CPA) 模型
为了克服 SMA 模型的缺点，我们引入了一种替代模型来描述 IEX 层析柱中的蛋白质吸附，该层析柱并不基于化学计量方程。利用蛋白质的胶体性质，新模型可以更基本地描述蛋白质和带电荷离子吸附剂之间的相互作用。因此，非线性吸附效应归因于吸附剂表面的空间位阻和吸附蛋白质之间的静电相互作用，如图 3 所示。与 SMA 模型相反，吸附剂的最大蛋白质结合能力受到蛋白质可及的吸附剂表面积的物理限制，而不是受其离子载量的限制。
图 3. CPA 模型的机理理解示意图
图 4. 抗体与填料磁珠内配基结合的可视化
使用 CPA 模型描述 mAb 洗脱
在最近的一项案例研究中，我们证明了 CPA 模型能够描述 Capto™ S ImpAct 阳离子交换剂中单克隆抗体 (mAb) 的复杂洗脱行为。图 5 显示了在不同载量密度（列）下的三个梯度洗脱实验（行）。除了 mAb 的电荷异构体（第二列）之外，CPA 模型还解释了不同的产品相关和工艺相关的杂质，包括低分子量和高分子量物质（第三列）以及宿主细胞蛋白和浸出蛋白 A（第四列）。在接近或超过蛋白质穿透点（第二行和第三行）的非常高的蛋白质载量密度下，洗脱峰显示出明显的峰肩，这不能通过 SMA 模型解释，但可以通过 CPA 模型重现。
图 5. 不同载量密度下的梯度洗脱实验结果改编自使用胶体颗粒吸附模型分析制备离子交换工艺中复杂的蛋白洗脱行为。
引用：“与 SMA 方法相比，模型性能的改进令人震惊，并解决了我们一直在努力解决的问题。能够描述高载量下奇怪的峰形，包括与产品相关和与工艺相关的杂质，这表明可以使用胶体模型开发更好的工艺。”
Gunnar Malmquist，Cytiva 高级首席科学家。
IEX 建模和 GoSilico™ 层析建模软件的前景
随着 2021 年初 GoSilico™ 层析建模软件的升级，CPA 模型投入市场。在 GoSilico™ 层析建模软件中，可以通过在模型选择菜单中切换 SMA 和 CMA 模型来激活 CPA。
结果表明，CPA 模型能够描述复杂的洗脱行为。基于机理原理，CPA 模型可以进行因果解释，这有助于更好地理解工业 IEX 工艺，并以基于模型的方法支持这些工艺的开发。