方案解读 — 看高阶玩家如何拿捏治 疗性肽中Asp异构体

随着生物制药技术的发展，越来越多抗体和抗体-药物偶联物进入到临床研究阶段并获得批准。治 疗性肽凭借其先天的灵活性和众多构象集合，成为药物研发的热点。相比于小分子化合物，肽更容易出现物理不稳定性。且组成肽的氨基酸异构化可以改变蛋白质或肽的物理稳定性、构象或活性。特别常见的琥珀酰亚胺中间体从Asp或脱酰胺Asn形成isoAsp ，并将额外的亚甲基引入肽骨架。异构化可以作为肽合成的副产品产生或自发发生。异构化肽已在许多环境中被证明可以改变肽的特性，因此在临床开发之前必须将其完全表征为潜在的杂质。 因此，开发能够识别isoAsp异构体位置并将异构体与其Asp对应物区分开来的技术至关重要。

近日，沃特世科学家联合来自英国剑桥大学的学者以及来自AstraZeneca的科学家运用Cyclic IMS对肽异构体的测定进行了深入研究和方法学开发，该研究成果现已发表于国际知名期刊《Mass Spectrom》。

Cyclic IMS对肽异构体测定

反相液相色谱与质谱联用(LC-MS)是用于杂质鉴定的更佳选择，可以通过HRMS对多肽进行完整分子量和序列测定。然而，Asp异构化使isoAsp的杂质难以检测。ETD的碎裂模式经验证可以鉴定多肽中的Asp和isoAsp，但针对电荷密度较低的分析物可能存在碎片效率较低的问题。

图1. 天冬氨酸的异构化和天冬氨酸在 肽RS19 中的位置。a. α-天冬氨酸残基的异构化，导致形成 β-天冬氨酸；b . RS19在位置 9(ISOA)、15(ISOB)和21(ISOC)处以绿色突出显示三个潜在异构化位点(Asp残基) 。

离子淌度质谱(IMS)技术对识别有相同m/z，但可能具有不同分子构象的异构体展示出优越性能。Waters SELECT SERIES Cyclic IMS融合了创新环形离子淌度谱分离技术与前沿的高性能飞行时间质谱技术。环形离子淌度(cIM)的环形路径大幅缩减了仪器体积，但依然能精确测定CCS值(RSD<0.5%)，执行多次通过变量、高分辨率的离子淌度分离(>400)以及IMSn实验。近日，沃特世科学家联合来自英国剑桥大学的学者以及来自AstraZeneca的科学家运用Cyclic IMS对肽异构体的测定进行了深入研究和方法学开发。

图2. 沃特世Cyclic IMS性能概览。

01 使用cIMS区分母离子

在这项工作中，科学家们使用了cIMS将治 疗性肽的三种合成异构体(ISOA、ISOB 和 ISOC，分别为isoAsp9、isoAsp15和isoAp21)的模型系统与其非异构化参考标准RS19区分开来。在三种异构肽中，每种都含有一个天冬氨酸残基作为isoAsp。

图3. 单个完整异构体的ATD与参考标准(RS19)在T-wave单圈和四圈分离后的结果比较。单圈通过(a)后ATD 中的细微特征在四圈通过(b)后被夸大，可以清楚地区分一种异构体与另一种异构体。(c)对于 ISOA，观察到两个不同的构象群，但对于ISOB和ISOC，仅观察到一个。观察到每种异构体的主要构象具有不同的到达时间。左下图显示了异构化Asp残基（绿色）在每个异构体中的位置。

图3显示了[M + 3H]3+离子(m/z 1242.9) 1圈和4圈cIMS通道之间的差异。即使只经过一圈（图3a），异构体肽之间的区别也很明显。主峰最大值的到达时间分布范围为44.28至47.72ms，ISOA、ISOC和RS19的ATD中的肩峰明显。每种异构体的ATD的差异表明每种异构体的构象偏好不同。四圈数据揭示了每种异构肽(ISOA、ISOB和ISOC)的[M + 3H]3+单体离子在130 - 160 ms范围内不同且独特的 ATD。在这里，四圈的更高分辨能力揭示了异构体之间的区别特征。cIMS 提供了强有力的实验证据，表明异构化位点可以显著影响治 疗性肽的构象集合。围绕环状装置的四次通过表明RS19的三种不同异构体在构象上不等效，从而导致不同的ATD。

02 使用 CID-cIMS 定位异构化位点

碎裂技术（如CID）无法区分含有α-或β-Asp的片段，因为所有异构体都会产生与非异构化肽相同m/z的片段对（例如b/y 离子）。目前，通过合成潜在的杂质被作为“标准品”，通过色谱技术比较目标产品与异构杂质，这种方式耗费时间和资源。因此，我们将CID与cIMS相结合，尽管具有相同的m/z比，但仍可根据其迁移率（形状）区分碎片离子。该分析研究了具有30个残基、含有构象灵活的脂质的肽，关键还解释了ATD不对称性和绝 对到达时间的差异。此外，较大分子的异构化可能只会引起细微的变化，从而导致ATD具有多个强度较低的最大值，而不是绝 对到达时间的显著变化。 

图4. 对异构体碎片离子的ATD与非异构化RS19碎片离子的ATD进行了成对比较，最初以定性方式（通过肉眼）来确定ATD是“等效的”还是“不同的”。图4显示了RS19的片段 y11、y15、y18和y28的一些移动图，可以表明异构体位置如何改变片段离子的ATD的三个isoAsp肽。RS19和每个异构体的碎片离子的 ATD。对于y11，预计并观察到ISOA（红色）和ISOB（绿色）的ATD将与RS19（蓝色）匹配，但包含isoAsp的ISOC（橙色）将具有不同的ATD。对于片段y18，观察到只有ISOA会匹配RS19的ATD。

片段y28（图4）说明了在分析这些实验中获得数据时遇到的典型挑战，如前所述，一些差异仅表现为ATD形状的变化，而不是实际到达时间。通过肉眼对每个异构体整个系列的每个碎片离子对进行初步仔细检查，以及对cIMS系统的广泛了解，意味着RS19和ISOB 的y28碎片离子最初在定性上被认为是“不同的”。但是，有些模棱两可。科学家们通过用数学方法将异构体片段ATD的强度归一化（相对于该片段离子的最大强度的百分比强度），然后从归一化的RS19动态图中减去，并对所得曲线进行积分以给出NSI值，再通过关系图的“拐点”可以预测异构位点。为了评估该方法的日常可重复性，我们在不同时间进行了两次实验（两次实验时间相隔数月）。两个实验均在类似条件下作为单次cIMS通道进行。重复1和2（图5）显示了所有三种异构体的预期NSI拐点，确认了isoAsp残基的位置，同时也确认了该方法的稳定性和可靠性。

图5. 将绘制的每个片段的NSI运行平均值与每个 y 片段长度末端的残基进行明智的比较。示例图（上图）说明了一个具有任意阈值的示例，该阈值指示碎片离子ATD是否与参考标准碎片离子不同或相似。这六个图表明，在从y1 - y30（从左到右）开始工作时，NSI值的第 一个拐点正确地指示了在构象上与非异构化RS19中相应片段不同的片段长度。因此，这些是包含isoAsp的片段。该实验用两份相同样品进行两次，并且仅在通过循环T波阵列单次后获得数据。红色垂直虚线表示异构化Asp残基的位置；因此，预计并观察到线右侧的片段（较长的y片段）具有高于此任意阈值（红色水平线）的NSI值。复制一的阈值为40，复制二的阈值为90。

总结

结合cIMS的高分辨率和灵敏度，利用简单的归一化-减法-积分 (NSI) 方法进行数据处理，能够区分和识别一系列合成异构肽中的异构化位点。cIMS等高分辨率技术的发展大大地帮助科学家理解降解物/杂质肽物理稳定性及其对治 疗药物稳定性、有效性和安全性的潜在影响。这种使用cIMS和质谱法进行基于构象的区分能力是表征化学相似和同量异位但结构不同的生物制药杂质的重要一步，对于保证肽治 疗的安全性和质量控制至关重要。

中国药学会生物技术药物质量分析研讨会

Waters SELECT SERIES Cyclic IMS融合了创新环形离子淌度谱分离技术与前沿的高性能飞行时间质谱技术，可助力高水平科研人员在科学探索过程中解锁更多可能性。同时，Cyclic IMS也开发了多种针对生物制药高级结构和深度表征的应用。如果您对此感兴趣，欢迎报名参加8月12日由中国药学会主办，中国药学会生物药品与质量研究专业委员会承办，沃特世等单位协办的“中国药学会生物技术药物质量分析研讨会”。此次会议将以线上直播形式呈现，欢迎大家报名参加。沃特世将结合氢氘交换质谱(HDX-MS)以及环形淌度质谱(Cyclic IMS)两种质谱技术，介绍沃特世高端质谱仪在蛋白药物高级结构解析中的应用。

报名研讨会

报告题目：

沃特世高端质谱仪及其在蛋白药物高级结构解析中的应用

报告时间：

2022年8月12日（周五），9:10 - 9:40

演讲人：

聂爱英 

沃特世生物大分子应用经理