BIA Separations！讓病毒純化更高效---基因治療

基因治療是目前生物醫(yī)藥領(lǐng)域熱門(mén)的話題之一，生物醫(yī)藥行業(yè)對(duì)基因治療持續(xù)高漲的熱情，令該領(lǐng)域許多公司開(kāi)始將一次治愈性基因療法，作為其開(kāi)發(fā)的戰(zhàn)略核心。
   有行業(yè)報(bào)告顯示，未來(lái)預(yù)計(jì) 6 年內(nèi)，將有多達(dá) 60 種基因療法獲得批準(zhǔn)，這些基因療法在 2024 年的銷(xiāo)售額將達(dá)到 146 億美元。
   基因治療的核心是基因載體，病毒載體占據(jù)著主導(dǎo)地位。目前腺相關(guān)病毒（AAV）和慢病毒（LV）是臨床上廣泛使用的病毒載體。

   從 2012 年荷蘭 UniQure 公司的，世界上 AAV 基因治療藥物 Glybera 在歐盟獲上市，到 2016 年 GSK 與意大利 San Raffaele  合作開(kāi)發(fā)的 LV 基因治療藥物 Strimvelis 再次在歐盟獲批，再到 2017 年諾華獲得 FDA 腫瘤藥物咨詢(xún)委員會(huì)以 10:0 的投票結(jié)果，一致批準(zhǔn)的自體回輸 CAR-T 細(xì)胞療，及同年 Spark Therapeutics 公司獲 FDA 批準(zhǔn)的一個(gè)傳疾病的基因治療藥物 Luxturna，AAV 和 LV 越來(lái)越成為基因治療的主角。AAV 和 LV 大都采用質(zhì)粒瞬時(shí)轉(zhuǎn)染方法生產(chǎn)，從而高質(zhì)量、高純度的質(zhì)粒是制 AAV、LV 等病毒載體的前提條件。

  質(zhì)粒是常見(jiàn)的分子生物學(xué)工具，是一段 DNA 雙螺旋結(jié)構(gòu)。而抽提質(zhì)粒幾乎是分子生物學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)之一。

  科研水平的實(shí)驗(yàn)，通常的質(zhì)粒抽提試劑盒就足以滿(mǎn)足微克至數(shù)毫克級(jí)的需求，但是如果需要大規(guī)模制備病毒載體，試劑盒的質(zhì)粒產(chǎn)量就非常的力不從心了。
  此外，包裝病毒通常需要三個(gè)質(zhì)?；蛩膫€(gè)質(zhì)粒，每個(gè)質(zhì)粒大小、序列都不一樣，上游表達(dá)量也有區(qū)別，甚至穩(wěn)定性都有差異。

   面對(duì)如此眾多品種的質(zhì)粒，有沒(méi)有一種質(zhì)粒 DNA 純化平臺(tái)，能夠適用多種質(zhì)粒的、可放大的，滿(mǎn)足基因治療、細(xì)胞治療和疫苗的高純度和同質(zhì)性的標(biāo)準(zhǔn)要求，并且還需要有效，穩(wěn)健和可擴(kuò)展的下游過(guò)程呢?

   接下來(lái)為大家隆重介紹 BIA Separations 提供的，基于對(duì)流相互作用介質(zhì)（CIM）層析整體柱的兩步質(zhì)粒 DNA（pDNA）純化平臺(tái)！
   該方法除了具有以上全部?jī)?yōu)點(diǎn)，并且可以明顯降低純化時(shí)間，提高生產(chǎn)效率，使其成為 GMP 環(huán)境下的大規(guī)模 pDNA 純化的選擇。
   該方法專(zhuān)為純化大分子和納米顆粒的整體柱而設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)快速操作，高流量，同時(shí)提供動(dòng)態(tài)結(jié)合能力和分辨率。

首先要為整個(gè)過(guò)程中的核心——兩步層析步驟，準(zhǔn)備細(xì)菌培養(yǎng)液
 

1. 大腸桿菌收獲、裂解－堿裂解：
 

這是快速高效純化質(zhì)粒 DNA 亞型的基礎(chǔ)。
 

操作建議：
 

  先收集菌體；
  然后采用堿性裂解法制備原料；

  再將細(xì)菌細(xì)胞（通常是細(xì)胞生物質(zhì)或細(xì)胞沉淀）懸浮在 50 mMTris-HCl，10 mM EDTA，pH8.0 中；

  通過(guò)加入等體積的 0.1-0.4M NaOH，1%SDS 進(jìn)行裂解。

2. 裂解液濃縮：
 

氯化鈣沉淀后澄清，除去了大量的主要樣品雜質(zhì)

???????   裂解后，懸浮液變粘稠，通過(guò)加入與懸浮緩沖液等體積的，4-8℃ 冷卻的 3M CH 3 COOK（pH 5.5）沉淀細(xì)胞碎片和 SDS 復(fù)合物。

???????   在溫和混合下，緩慢加入 CaCl2 并孵育 15 分鐘。

TIPS:
 

1. 氯化鈣用作沉淀劑，以去除 RNA、基因組 DNA 和其他雜質(zhì);

2. 較高濃度的雜質(zhì)需要 CaCl2 濃度高達(dá) 1M;

3. 考慮測(cè)試多種濃度并評(píng)估產(chǎn)品中雜質(zhì)的有效去除和未受影響的 pDNA 產(chǎn)量;

4. 加入速度應(yīng)該很慢，以防止局部溫度上升;

5. 孵育后，進(jìn)行一系列澄清步驟，從離心或粗過(guò)濾開(kāi)始，例如 80μm 深度過(guò)濾，并以 1-5μm 過(guò)濾結(jié)束。

（低溫有利于沉淀，混合過(guò)程應(yīng)該溫和操作，以防止 DNA 降解。）

前面 blabla 說(shuō)了那么多，然而純化才是本工藝的精華所在。
 

BIA Separations 的二步純化工藝的穩(wěn)健性、連貫性、時(shí)效性，均堪稱(chēng)教科書(shū)式的經(jīng)典。
 

首先純化的柱子，通過(guò)弱陰離子交換，濃縮 pDNA 并去除大部分 HCP、mRNA 和基因組 DNA；
 

第二步利用疏水相互作用色譜（HIC）的拋光步驟，進(jìn)一步從超螺旋（SC）治療級(jí) pDNA 中除去開(kāi)環(huán)（OC）和線性 pDNA 亞型。
 

兩步純化的作用功能明確、互相合作，大大節(jié)省操作步驟和時(shí)間。

???????   AEX 色譜柱（CIMmultus™DEAE）濃縮 pDNA，并去除大部分 HCP、mRNA 和基因組 DNA。

???????   在弱陰離子交換柱上捕獲質(zhì)粒 DNA，其中除去剩余的 RNA 和蛋白質(zhì)，樣品結(jié)合需要低電導(dǎo)率，通過(guò)稀釋實(shí)現(xiàn)。 

???????   隨著增加 NaCl 的梯度洗脫，首先洗脫 RNA，然后洗脫質(zhì)粒 DNA。

層析條件
 

*1 選擇色譜柱體積，取決于需要處理的樣品量。
 

層析方法
 

1.  用去離子水稀釋細(xì)菌裂解物至電導(dǎo)率為 35-40mS / cm。稀釋取決于樣品制備過(guò)程中添加的 CaCl2 濃度。

2.  將稀釋的樣品用 0.45μm 過(guò)濾器進(jìn)行過(guò)濾。

3.  將 20CV 的緩沖液 A1 平衡 DEAE 柱。

4.  將澄清的稀釋細(xì)菌裂解液進(jìn)行上樣。

5.  用 20 CV 的緩沖液 A1 對(duì)色譜柱進(jìn)行流洗。

6.  用 20 CV 的緩沖液 A2 對(duì)色譜柱進(jìn)行流洗。

7.  用 20 CV 的緩沖液 A3（以半工作流速）洗脫并收集 pDNA。

圖 1：AEX CIMmultus™DEAE（2μm）柱上的質(zhì)粒 DNA 洗脫曲線

???????    在高配體密度丁基修飾的（CIMmultus TM C4 HLD）整體柱上，利用疏水相互作用色譜柱（HIC）的拋光步驟，進(jìn)一步從        超螺旋（SC）治療級(jí) pDNA 中除去開(kāi)環(huán)（OC）和線性 pDNA 亞型。

??????? ???????   為了富集質(zhì)粒 DNA 的超螺旋亞型，將 DEAE 洗脫液上樣到高配體密度丁基柱（C4 HLD）上。 

??????? ???????   該步驟進(jìn)一步去除了雜質(zhì)。

層析條件

*2 選擇色譜柱體積，取決于需要處理的樣品量。
 

層析方法

1.  調(diào)節(jié)來(lái)自 DEAE 柱的含 pDNA 洗脫液，每 1 體積（V）洗脫液加入 3 體積（V）的 4M(NH4)2SO4。

2.  用 20CV 的緩沖液 B0 來(lái)平衡 C4 HLD 柱。

3.  將 DEAE 柱洗脫的 pDNA 組份上樣。

4.  用 20 CV 的緩沖液 B1 流洗色譜柱。

5.  用緩沖液 B2（以半工作流速）洗脫并收集 pDNA。

6.  用 30 CV 的緩沖液 A1 再生色譜柱。

7.  加樣 3 次后，對(duì)柱子進(jìn)行清洗。

圖 2：在 HIC CIMmultus TM C4 HLD（2μm）柱上分離超螺旋質(zhì)粒 DNA

·  從 C4 HLD 柱洗脫的超螺旋 pDNA 組份含有硫酸銨，必須在生物應(yīng)用質(zhì)粒之前將其除去。

·  緩沖液交換可通過(guò)透析濾過(guò)或體積排除色譜等方法進(jìn)行。

·  配置和填充可能需要額外的處理。
 

二步法層析過(guò)程分析：

???????    質(zhì)粒 DNA 制造成功的關(guān)鍵是實(shí)時(shí)過(guò)程控制方法，確保終產(chǎn)品中高百分比的超螺旋 pDNA。 

??????????   CIMac™pDNA 分析柱可用于監(jiān)測(cè)降解產(chǎn)物（開(kāi)環(huán)和線性 pDNA），去除雜質(zhì)（RNA），并確保每個(gè)生產(chǎn)步驟都能產(chǎn)生預(yù)期的超螺旋 pDNA 量。

???????   ???????CIMac™pDNA 分析柱還用于超螺旋質(zhì)粒 DNA 含量的質(zhì)量控制。

圖 3：使用 CIMac™pDNA-0.3 分析柱的質(zhì)粒 DNA 亞型含量的質(zhì)量控制

結(jié)果和結(jié)論：
 

??????? ?????  通過(guò)優(yōu)化裂解、沉淀和兩種色譜步驟相結(jié)合，可生產(chǎn)滿(mǎn)足所有監(jiān)管要求的純 pDNA。

??????? ???????  可以完成去除 99% 以上的主要雜質(zhì)（RNA，基因組 DNA，宿主細(xì)胞蛋白，內(nèi)毒素和開(kāi)環(huán) pDNA）。

??????? ???????  此外，快速（大腸桿菌的 pDNA 提取和純化可在幾小時(shí)內(nèi)完成），可重復(fù)的過(guò)程可降低運(yùn)營(yíng)成本并提高工廠生產(chǎn)率。 

??????? ???????  *的整體特性有助于該過(guò)程的直接可擴(kuò)展性，涵蓋從小規(guī)模實(shí)驗(yàn)室到大規(guī)模工業(yè)純化 pDNA 的生產(chǎn)水平。

Table 1: Process results.

點(diǎn)評(píng) 
 

目前市面上有不少質(zhì)粒純化工藝方案，但是比較下來(lái)，BIA 二步法純化工藝具有兩大優(yōu)勢(shì)：
 

???????  效率明顯提高

只需兩步色譜和高流速的整體柱色譜方案，減少工藝步驟（提高回收率）并加快純化速度，從而顯著提高生產(chǎn)率。
 

???????   靈活放大

由于特定的整體柱設(shè)計(jì)，質(zhì)粒 DNA 過(guò)程可以快速擴(kuò)展到更大的單位。 

在 1 毫升色譜柱上設(shè)計(jì)的工藝可以輕松轉(zhuǎn)移到試驗(yàn)和生產(chǎn)規(guī)模。

在 8L 色譜柱上單次運(yùn)行可以產(chǎn)生 48 g 藥物級(jí) scDNA。
 

Table 2: Scale up options.

十多年來(lái)，BIA Separations 一直是高效率質(zhì)粒純化的好選擇。它不僅提供整體柱和平臺(tái)模板，還提供定制的純化服務(wù)，以*您的質(zhì)粒 DNA 純化需求

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