生物制药极大地改善了影响数百万患者生活的多种疾病的治疗效果。重组胰岛素是挽救糖尿病患者生命的药物。抗体检查点抑制剂靶向抑制性细胞表面标志物，释放免疫系统对抗癌症的力量，提高患者的生存率。zuì近，在COVID-19肆虐全球期间，针对SARS-CoV-2刺突蛋白的casirivimab和imdevimab的单克隆抗体（mAb）混合物降低了SARS-CoV-2感染患者的住院率并提高了存活率。生物制药已被证明有效的刺激了临床前和临床开发渠道的增加，导致许多药物市场获得了许多批准。自1990年代初以来，美国和/或欧洲的生物制药批准数量从平均每年4个上升到2018年的32个，增长了8倍。此外，它们在药物批准总量中的份额在过去十年中翻了一番。
宿主细胞蛋白分析的兴起
随着生物制药的日益突出，人们对其制造过程的兴趣和研究也随之增加。事实上，生物制药制造的进步在一定程度上促进了将产品推向药品市场的过程。
生物制药，或简称生物制剂，是使用活生物体制造的。它们涵盖现在主导市场的蛋白质（例如mAb）、核酸、病毒载体和活细胞，例如生物工程嵌合抗原受体T（CART）细胞。mAb可以通过各种不同的方法生产，例如宿主细胞培养中的重组蛋白技术。“在重组技术中，宿主细胞被指示过度表达所需的mAb”，特拉华大学的AllanP. Colburn化学工程教授Abraham M.Lenhoff解释到。“一旦mAb被表达到所需的水平，则通过一系列步骤将其从宿主细胞中纯化出来。通常，这从捕获蛋白A的色谱层析步骤开始，接下来进行病毒灭活和一个或多个色谱层析，这些步骤依次完善纯化过程。zuì后，通过过滤和超滤消除残留颗粒。每个连续的步骤都会增加所需蛋白质产品的纯度。”
尽管经过精心设计和开发的多步纯化工艺，但是zuì终的生物制品仍然会存在杂质污染。“宿主细胞蛋白是一类主要的杂质，不幸的是，它可能会成为zuì终的mAb产品的一部分”，Lenhoff阐述道，“宿主细胞蛋白质之所以出现，是因为宿主细胞除了合成所需的mAb外，还合成自己的蛋白质。它们可以与mAb产品相互作用或共洗脱，并且消除它们的难度各不相同，从而使纯化过程具有挑战性。这些宿主细胞蛋白的存在可能对患者造成危险并降低mAb治疗剂本身的质量。”
宿主细胞蛋白的危害
宿主细胞蛋白可能具有免疫原性并在患者中引发不良反应。宿主细胞蛋白酶可以消化mAb产物，降低其治疗效果。此外，宿主细胞脂肪酶和水解酶可以消化为稳定mAb而添加的聚山梨醇酯，从而诱导产物聚集和降解。
“显然，必须zuì大限度地消除宿主细胞蛋白质杂质”，Lenhoff继续说道，“在制造过程的早期开发质量控制方案以监测mAb纯化过程中宿主细胞蛋白水平，酶联免疫吸附试验（ELISA）一直是应用zuì广泛的方法，要么使用经过验证的商业试剂盒，要么像一些公司那样，使用专门开发的检测方法。”越来越多的高通量方法，如液质联用（LC-MS）—一种与ELISA正交的蛋白质组学方法—被用于鉴定宿主细胞蛋白质。LC-MS变得越来越普遍，是目前宿主细胞蛋白质分析领域的zuì新技术，与仅量化mAb产品中的总宿主细胞蛋白水平的ELISA不同，LC-MS可以识别特定的宿主细胞蛋白并具有出色的覆盖率。这一点很重要，也是LC-MS的一大优势，因为不同的宿主细胞蛋白对患者或抗体产品稳定性的损害并不相同。
zuì新进展
虽然LC-MS分析现在可以识别mAb产品中的宿主细胞蛋白，但它没有解决如何消除它们。北卡罗来纳州立大学化学与生物分子工程系教授StefanoMenegatti正在解决这个具有挑战性的问题。低于100ppm的残留宿主细胞蛋白滴度可通过早期生物制药实践的认证。然而，即使zuì终的单克隆抗体产品具有可接受的总杂质水平，zuì近应用的先进分析技术，如蛋白质组学LC-MS，也表明它们仍可能含有不可接受的所谓高风险宿主细胞蛋白质杂质。
高风险宿主细胞蛋白要么对患者构成直接威胁，例如具有毒性或免疫原性，要么会降解抗体或赋形剂，从而降低疗效。越来越多的文献表明，无论是基于工艺还是基于产品，商业色谱树脂难以去除特定的“持久性”或“有问题的”高风险宿主细胞蛋白。这些持续存在的高风险宿主细胞蛋白zuì终可以被清除，但通常需要添加专门的色谱步骤，这需要费力地优化纯化过程。这个冗长的流程可能会导致流程批准和临床试验的延迟。此外，纯化过程越复杂，就越容易失败，从而导致无意中的宿主细胞蛋白污染。
现在的问题是如何简化和加快去除持久的高风险宿主细胞蛋白。为了实现这一目标，Menegatti和他的团队开发了用于捕获目标宿主细胞蛋白的粘合剂。“这个概念很简单，但代表了思想方式的转变。在当前的纯化程序中，色谱吸附剂结合mAb和宿主细胞蛋白‘流过’，以间接方式纯化产品。相比之下，我们的方法使用了一种吸附剂，它结合宿主细胞蛋白本身，而mAb‘流过’，从而以直接的方式主动纯化。从本质上讲，我们的方法将宿主细胞蛋白的去除与mAb产品的捕获分离，”Menegatti阐述道。通过在mAb和整个宿主细胞蛋白谱存在下进行的竞争性荧光筛选来选择结合剂。zuì有选择性地捕获宿主细胞蛋白，同时与mAb相互作用zuì小的粘合剂用于生成吸附剂。
“此外，结合剂的高容量和选择性有助于在‘连续加载’模式下操作纯化过程，纯化的mAb产品不间断流过，”Menegatti解释说。除了高风险杂质蛋白（例如脂肪酶、组织蛋白酶和组蛋白）外，新的吸附剂还全面降低了宿主细胞蛋白水平。“我们预计这种方法将通过有效清除所有宿主细胞蛋白（包括高风险类型）来提高工艺灵活性和稳健性并降低风险。”
展望
目前，生物制剂大多以批量配置生产，但人们一致认为，工业生物制造必须转向连续运行。当谈及宿主细胞蛋白质分析的未来时，Menegatti说“这基本上需要在连续流动模式下工作的净化技术，这种模式更快、更紧凑，需要更少的水蒸气。因此，我们预计，用于纯化单抗和消除宿主细胞蛋白的技术将在这方面改变规则，并有助于实现连续的生物制造。”
生物制药行业的另一个趋势是药物模式。单克隆抗体在生物制药领域占据主导地位；然而，随着zuì近几项备受瞩目的监管批准，基因疗法也上升到了zuì前沿。
生物制药和宿主细胞蛋白分析的进步有助于将mAb药物通过临床开发渠道推向市场。预计他们还将推动下一代生物制剂的发展，如基因疗法。“重要的是，促进对新出现的治疗方式（如基因治疗和细胞治疗）进行宿主细胞蛋白质分析的多功能方法将获得重大关注，”Menegatti总结道。“病毒载体是zuì有前途的一类，也是目前学术界和工业界研究zuì多的一类。病毒载体是在细胞培养中产生的，因此，就像mAb的生产一样，需要监测和去除宿主细胞蛋白。”
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