使用QCM-D评估静脉输液袋中的生物制剂稳定性和材料相容性

在静脉输液袋给药过程中，确保单克隆抗体（mAbs）的稳定性至关重要，因为弱相互作用（如氢键、疏水和静电相互作用）可能导致抗体聚集和失活。通过在开发早期检测并量化分子吸附与解吸附行为，可有效降低相容性风险并避免晚期失败的风险。在此，我们以一个案例为例，展示了如何利用QSense耗散型石英晶体微天平技术（QCM-D）分析mAb在静脉输液袋材料聚丙烯（PP）和低密度聚乙烯（LDPE）上的吸附特性。

静脉输液袋给药中单克隆抗体的稳定性

当使用静脉输液袋进行单克隆抗体给药时，理解和促进单克隆抗体（mAb）的稳定性至关重要¹。由弱相互作用（如氢键、疏水和静电相互作用）引起的物理不稳定性可能导致物理聚集，进而导致单克隆抗体失活。单克隆抗体通常需要定制的配方溶液。配方中的某些成分被称为辅料。辅料在配方开发过程中对单克隆抗体的稳定性起着关键作用。

根据Lumry-Eyring模型²，mAb与材料表面的初始接触可能引发表面诱导应力反应，导致抗体从天然态（N）经解折叠态（U）最终转化为失活态（D），有许多因素可能导致这种转变，每个步骤都有其时间常数。下面这个看似简单的模型可以扩展到包括从天然到失活mAb的几个不同步骤。

N  U → D   Lumry Eyring 模型

分析生物制剂对静脉输液袋材料的吸附情况，尽早发现潜在的不相容性

分析生物制剂和辅料在静脉输液袋材料上的吸附情况，可以及早发现潜在的不相容性。QSense QCM-D分析可用于精确测量抗体吸附动态，从而深入揭示不相容性发生的时机、原因等深层反应机制及解决方案。

本研究展示了QCM-D检测mAb在静脉输液袋中使用的聚合物表面（例如聚丙烯 (PP) 和低密度聚乙烯 (LDPE)）吸附的能力。重点关注Lumry-Eyring模型中的初始阶段，使用声学比 ( D_n/f_n) 来深入了解mAb层与静脉输液袋初次接触时的性质。值得注意的是，虽然表面相互作用是失活的先决条件，但未必直接导致失活。

实验方案

在QCM-D芯片表面分别涂覆聚丙烯（PP）或低密度聚乙烯（LDPE），以模拟静脉输液袋的材质。采样顺序如下：

• 缓冲液基线测定，1小时

• mAb吸附，3小时

• 用缓冲液冲洗，2小时

结果

图1所示的时间分辨 QCM-D 数据，展示了mAb与静脉输液袋模拟材料LDPE和PP之间的相互作用动态，并能够对所研究的不同表面进行分析和比较。

图 1. QCM-D数据，Δf和ΔD，显示了时间分辨的mAb表面与静脉输液袋模拟材料LDPE和PP之间的相互作用。

比较mAb吸附步骤中的最大Δf（图2A）和ΔD（图2B）响应，可以发现：

• mAb对两种表面表现出相似的结合亲和力。

• mAb吸附和冲洗之间的微小差异表明单克隆抗体与两种表面结合牢固，并且在冲洗后仍然附着。

• 表面饱和行为的细微差别提示可能存在不同作用机制。  

机制见解

绘制声学比率 ΔD/ Δf （图 2C）可以发现其他方面和见解：

• 在两种表面上观察到的低ΔD/Δf比值表明吸附层相对刚性，可能表明蛋白质在吸附到表面时发生解折叠  

• 鉴于观察到的声学比非常相似，我们可以得出结论，在 LDPE 和 PP 表面上形成的mAb层在薄膜特性（如刚性）方面是相近的。

图2. QCM-D数据比较。A）在mAb吸附和冲洗步骤中的测得频率变化Δf。B）在mAb吸附和冲洗步骤中测得的耗散变化ΔD。C）在mAb吸附和冲洗步骤中测得的声学比ΔD/Δf。

结论  

在使用输液袋给药时，了解并提升单克隆抗体（mAb）的稳定性至关重要。我们利用了QSense耗散型石英晶体微天平分析技术（QCM-D），探究了mAb在静脉输液袋常用的聚丙烯(PP)和低密度聚乙烯(LDPE)材料上的吸附动力学。研究结果表明：QCM-D技术能有效评估mAb与输液袋材料的相互作用。研究发现：  

• mAb与两种表面PP和LDPE均存在强结合  

• 表面饱和行为差异反映了不同作用机制  

• 相似的声学比表明了在两种表面形成的mAb层具有相似的刚性。 

QSenseQCM-D技术为生物制剂与材料相容性研究提供了重要工具，可指导稳定mAb制剂开发并有效降低后期发现不相容性风险。

延伸阅读：利用QCM-D评估表面活性剂的保护作用

作为本研究的延伸，我们分析了单克隆抗体 (mAb)与非离子表面活性剂共混后在 PP 和 LDPE 表面的吸附情况。请点击文末的阅读原文链接下载白皮书，了解更多关于本研究的信息，以及如何使用QSense QCM-D 技术评估生物制药的稳定性和材料相容性。  

参考文献：

1. Pang, K. T., et al., J. Adv., Vol. 67, October 2023, 108192, https://doi.org/10.1016/j.biotechadv.2023.108192

2. Lumry, R. and Eyring, H., J. Phys. 1954, 58, 2, 110–120, https://doi:10.1021/j150512a005 

3. Petric, Z., et al., Mol. Pharmaceutics 2023, 20, 2502?2512

   
   

相关芯片表面：

可提供覆盖生物制药常见材料的芯片表面，包括PS（聚苯乙烯）、AF（无定形氟聚合物）、PVC（聚氯乙烯）、PC（聚碳酸酯）、PMP（聚甲基戊烯）、PE（聚乙烯）、HDPE（高密度聚乙烯）、LDPE（低密度聚乙烯）、LLDPE（线性低密度聚乙烯）、PP（聚丙烯）、PES（聚醚砜）、PU（聚氨酯）、PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）、EVA（乙烯-醋酸乙烯共聚物）、COP（环烯烃聚合物）、COC（环烯烃共聚物）、PDMS（聚二甲基硅氧烷（硅油）），PVDF（聚偏氟乙烯）以及多种不锈钢、玻璃和医用合金等，欢迎来电来信垂询。