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2020.02.28
#整體柱

病毒分离纯化挑战与突破

江必旺 博士 纳微科技

 

      春节期间一场突如其来的新型冠状病毒肺炎疫情导致超近8万人感染,超过2700人失去生命,1000多万人口的武汉实施了史上前所未有的封城。这个让中国的经济活动几乎处于停顿状态,让全世界感到恐慌的肺炎疫情却是由小小的病毒引起的,它们是如此之小,以至于您无法在光学显微镜看清楚它们。这次疫情即让我们体会到自然界的威力也让我们体会到自然界无穷的奥妙。即使是科学技术高度发达的今天对这种病毒的了解也是非常有限,对病毒引起的很多疾病我们也没有很多好的应对方法。人类不仅仅只是这次遭受病毒引起的肺炎疫情磨难,其实各种流感、艾滋病、麻疹、风疹、天花、水痘、病毒性肝炎、流行性乙型脑炎等各种疾病都是病毒引起的。

         

图片来源于网络

           
     
     人类在自然面前其实是非常渺小和无助的,但难能可贵的是人类有不断认知未知世界的能力和克服困难的勇气。每次磨难之后都会促进人类对自然界认知进一步加深,最终找到解决问题的方法。比如说人类在长时间遭受细菌感染引发的肺结核、炭疽等各种疾病的磨难后,最后发现了抗生素,基本消灭了这类病菌引发的各种疾病极大延长人类寿命。
     
     相信随着科学家对病毒深入的研究并了解病毒的引起疾病的作用机理,最终会找到治疗方法。像研究其它生物物体一样,要对病毒进行详细研究,首要的任务必须把病毒分离出来。由于病毒尺寸比蛋白抗体分子更大,结构更复杂,其分离纯化也面临更大挑战。本文简单地介绍一下病毒及类病毒的分离纯化技术发展状况。
     
     

     
     
     首先分离是从无序到有序的过程,热力学第二定律说明从无序到有序的分离过程是一个熵减过程,因此不是一个自发的过程。分离技术不断面临新的挑战和机遇,尤其是随着生物技术的不断发展,越来越多,越来越复杂的生物分子需要进行分离。生物分子具有种类多、结构复杂、稳定性差、浓度低等特点。从简单到只有一个单元的氨基酸,到几十个氨基酸组成的多肽,再到上百个氨基酸组成的三维结构的蛋白,其分子量越来越大,结构也越来越复杂,对环境越来越敏感,也越来越不稳定,因此分离难度也随着分子量的增加而增加。由于多肽及蛋白被广泛地用于生物制药,随着生物制药的快速发展,其分离方法也相对成熟。
     
     病毒相对于宏观世界物质甚至与细菌相比都是极其微小的生物体,但与传统蛋白及核酸生物分子相比,其尺寸又大很多,结构也复杂得多。病毒结构通常由蛋白质组成外衣壳,由核酸组成内芯,因此比蛋白和核酸分子都要复杂很多。病毒尺寸一般在20-100纳米之间,而细菌尺寸一般在1000纳米以上,蛋白分子尺寸往往在10纳米以下。人们只能借助电子显微镜才能看到病毒的结构和形貌。虽然多肽,蛋白,核酸等生物大分子都有成熟的分离纯化方法,但病毒到目前也没有一个比较理想的分离方法。
     
     用于传统小分子的分离方法如重结晶、精馏等对生物分子具有破坏性,因此基本上不能用于生物大分子分离纯化,使得生物大分子的分离面临极大挑战。层析技术具有极高的分离纯化效率,且条件温和,在分离纯化过程中容易保持生物分子的活性,因此层析技术已成为生物分离的最主要的工具。层析分离过程是把混合样品从装有层析柱的一端进去,由于不同生物分子其尺寸、电荷、疏水等物理性能有差异,使得其与层析柱填充的介质作用力(或吸附强度)不同,导致不同分子在层析柱保留时间不同,因此不同组分的分子可以按顺序从柱子另外一端流出来以达到分离的目的。层析分离效果主要取决于其层析柱中的层析介质微球。由于层析分离纯化技术牵涉到材料、生物、化学等交叉技术领域,因此层析介质制备技术门槛高,用于生物分离的层析介质中国基本依赖进口。
     
     生物分子的分离可以根据其尺寸大小、表面电荷、疏水性能、及与配基的亲和作用性能的差异分别采用分子筛,离子交换,疏水,亲和等层析分离模式。为了高效率把目标生物分子从复杂样品里分离出来,并保持其生物活性,用于分离纯化的层析介质材料必须满足苛刻的要求。层析介质的性能主要取决于其介质材料组成、形貌、粒径大小、粒径分布、孔径大小和分布、功能基团、及表面亲水性能等。

 

层析介质材料种类及其对生物分离性能的影响

     
     
     目前市场上用于生物分离层析介质主要由两大类材料组成:第一类是以琼脂糖,葡聚糖为代表的天然高分子层析介质;第二类是以聚苯乙烯和聚丙烯酸酯为代表的合成高分子层析介质。其中合成高分子微球可以精确控制其粒径大小,粒径均匀性,并更多范围调节孔径大小,因此具有通透性高,分子传质速度快,有利于于生物大分子分离纯化。合成高分子层析介质的缺点是其疏水往往比软胶大,导致非特异性吸附大,容易使使生物分子失去活性。因此聚合物微球表面需要进行亲水化改性以降低其非特异性吸附才能满足层析分离的需求。

 

层析介质粒径大小及均匀性对生物分离的影响
     

单分散与多分散层析介质分离性能对比示意图

     
     
     层析介质粒径大小和分布是影响其分离性能最重要的参数之一。粒径越小,分布越均匀,柱效越高,分辨率越高。因此制备精确的粒径大小及高度的粒径均一性的单分散层析介质一直是业界追求的目标。纳微成功开发出单分散大孔聚合物层析介质可以用于高效分离生物大分子。纳微单分散层析介质的研发成功不仅填补国内这一领域的空白,也为世界单分散层析介质的发展做出贡献。

 

介质孔径大小及孔隙率对生物分离的影响     
     除了粒径大小和分布会影响层析介质分离性能外,孔径大小、比表面积及孔隙率也是生物分离纯化介质最重要参数之一。层析分离模式主要是分子与介质表面功能基团作用的结果,层析介质可及比表面积是影响其吸附载量的主要因素,可及比表面积是分子可到达的内孔表面积加上介质外表面积。由于内孔表面积占据整个比表面积的90%以上,而内孔表面积主要由孔径大小,孔隙率来决定。孔径越小比表面积越大,但如果孔径太小,目标生物分子进不去,这样的小孔及其表面积对分离是没有作用的。孔径太大,比表面积也会降低,因此对于不同分子量大小的生物分子,有个最优的孔径大小,其可及表面积最大,分离效果最好。比如用于抗生素这类分子量小的生物分子,孔径一般选择小于30纳米以下,而对于抗体蛋白分离纯化的介质一般选择孔径在100纳米左右,而对于病毒这种大尺寸的生物体,需要400纳米以上超大孔的介质。超大孔径介质制备技术难度极大,这也是为什么目前没有好的层析介质可以有效分离病毒的原因之一。      

不同孔径大小的单分散聚合物色谱填料图

    

     

层析介质功能基团对生物分离性能的影响     
     功能基团的物理和化学性能是影响层析介质与目标分子的作用的主要因素,主要决定了生物分离模式并影响其分离的选择性和载量,因此选择合适功能配基及密度尤其重要。另外配基与基球表面距离也会影响其介质的分离性能,配基与基球表面距离可以通过链接配基和基球的手臂分子来调节。
     
      
      

  制备各种层析介质化学反应示意图

     

     

病毒分离纯化的挑战与解决方案     
     病毒结构通常由蛋白质为衣壳及核酸为内芯组成,其尺寸在20-100纳米之间,与单一蛋白或核酸生物分子相比其结构复杂得多,分子量也大很多。因此用于蛋白分离纯化的层析介质很难满足病毒的分离纯化的要求。主要原因是病毒尺寸大,而传统蛋白分离纯化的介质孔径小,因此病毒在传统层析介质的扩散速度慢,病毒在常规蛋白层析介质上的吸附只限于外表面一薄层区域,导致载量低,并使得病毒在操作中大量失活。为了满足病毒高效分离纯化需求,纳微开发出三种病毒分离纯化介质及解决方案,分别为超大孔单分散聚合物层析介质用于病毒分离纯化;小粒径无孔层析介质分离纯化病毒;孔径均一的整体柱分离纯化病毒。

     

     

超大孔单分散聚合物层析介质用于病毒分离纯化     
     传统生物层析介质不能有效用于病毒分离纯化最主要的原因是其孔径太小,病毒不能扩散到传统层析介质的内孔里,因此可及比表面积低,吸附载量低,而超大孔单分散层析介质由于粒径均匀,孔径大(>400 纳米)因此病毒可以有效的扩散到孔内部空间,使得静态吸附载量大幅度提升。超大孔结构还可以有效降低病毒与填料表面配基之间多位点结合,避免亚基的解聚,使得病毒结构稳定性得到大幅度的提高。另外超大孔聚合物层析介质用于病毒及类病毒(疫苗)分离纯化的优点是其分离模式与传统生物制药层析分离纯化方法基本一样,容易放大生产,重复性好。但超大孔层析介质制备技术难度大,且其机械强度差,耐压性差,容易破碎,导致筛板堵塞,压力升高等缺点。虽然纳微已经可以制备孔径大于高达800纳米的超大孔径聚合物微球,但要满足病毒大规模分离纯化,还需要进一步解决超大孔微球机械强度问题。

 

以下为纳微超大孔径DEAE离子交换层析介质在流感病毒(H5N2)纯化中的数据,结果显示超大孔介质对流感病毒的分离纯化比传统层析介质具有明显的优势。

 

纳微超大孔 DEAE离子交换介质对病毒纯化色谱图

 

   

几种填料对于流感病毒H5N2纯化回收率的比较

(A:超大孔径(4300Å)DEAE层析介质; B:传统聚甲基丙烯酸材质DEAE介质;  

C:琼脂糖DEAE层析介质)

 

 

小粒径无孔单分散层析介质用于病毒的分离纯化

     传统的层析介质填料都是多孔的微球,因为多孔微球材料的比表面积大,因而可以对一般生物分子分离提供较高的吸附载量。层析介质的孔径一般都小于2000Å(通常都小于100纳米)。而很多病毒颗粒的粒径一般都大于20纳米,有的甚至都超过100纳米。由于体积排阻的原因,病毒颗粒无法扩散进入层析介质的孔内,因而在层析吸附病毒颗粒时只有介质微球的外表面可以利用,孔内表面积由于体积排阻的原因而无法吸附病毒颗粒。然而,病毒样品中的杂质分子一般都比病毒小,因而可以扩散进入层析介质孔内被吸附在里面。由于传统层析介质孔内表面积远远大于介质微球外表面积,杂质吸附往往由于孔内表面积的存在而非常显著,吸附洗脱时杂质含量因而较高,病毒颗粒纯化效果往往不理想。无孔层析介质由于没有大量只能容纳杂质进入而病毒颗粒无法扩散进入的内孔,病毒颗粒在介质外表面的层析吸附量虽然不会有明显变化,但样品中的杂质被层析吸附的量会显著减少。因此经无孔层析填料层析洗脱后,病毒样品的分离纯度显著提高。

 

     单分散无孔微球由于粒径均一,粒径大小精确可控,因此把单分散无孔微球填充在层析柱中,其球与球之间形成的空隙大小及形状是可控的。这种空隙大小是由单分散聚合物微球大小决定的,微球越小,间隙越小,因此层析柱的孔隙可以通过改变无孔微球粒径大小来进行精确调节。纳微已开发出世界领先的微球精准制造技术,该技术可以对微球大小,均匀性进行前所未有的精准控制。利用该技术优势纳微开发出病毒专用的单分散无孔聚合物层析介质,由于层析柱孔隙大小可控、耐压性好、柱床稳定、柱效高、分辨率高等优点,因此可以显著提高病毒的纯化效率,大幅度提升病毒的纯度。这种方法非常适用实验室分离纯化病毒样品,但该方法使用的是实心球,因此比表面积低,病毒吸附载量低,不适合大规模分离纯化病毒或类病毒(疫苗)。

     

     以纯化溶瘤病毒为例,由于其在生产过程中存在宿主蛋白等杂质,纯化前 SEC测试纯度为6.5%。纯化采用两种基质相同的介质,其表面化学功能也很一致,主要区别是前者是无孔实心的层析介质,而后者是传统的多孔层析介质。层析纯化的方法是阴离子交换吸附然后梯度洗脱(Bind-elute)模式。从层析图谱可以看出,在洗脱及CIP过程中无孔介质洗脱杂质更小,峰值更低,意味着上样过程中结合的杂质会更少,有利于表面结合的病毒分子纯化。通过对层析洗脱液SEC纯度分析比较,发现用传统的多孔层析介质实验得到的病毒样品纯度为54%(图 ),而用无孔的同类型介质实验得到的病毒纯度达到接近90%(图 )。

 

                           

                       

常规1200Å孔径聚苯乙烯材质离子交换纯化溶瘤病毒 

 

10微米级别聚苯乙烯实心球纯化溶瘤病毒

 

多孔与无孔介质纯化溶瘤病毒效果比较 

 

 

孔径均一的整体柱用于分离纯化病毒

     目前所使用的大部分层析柱都是填充柱,即将做好的微球介质填充到柱管中。这种用微球介质填充的层析柱容易放大,质量稳定,重复性好等优点,已被广泛地用于生物制药分离纯化,如抗生素,胰岛素,抗体等大规模分离纯化都是采用这种方法。但这种方法用于分离纯化病毒有局限性,主要是由于具有超大孔结构且机械强度好的介质微球制备技术难度大。而整体柱由于具有孔径大、孔隙率大、通透性好、机械强度高、压力低、高通量等优点,有利于病毒及病毒类(疫苗)生物大分子的分离纯化。

 

     整体柱制备方法是把单体和致孔剂混合液填充到柱子中,经过升温产生聚合反应,在反应过程利用相分离原理形成贯穿孔结构整体柱,由于整个柱子是一个整体,可以保持较高的孔隙率和较高的机械强度。由于整体柱的孔隙率大, 可以减小流动相阻力和路径扩散, 提高可及比表面积及病毒吸附载量,从而提高病毒的分离效率。整体柱层析已被证明是病毒及病毒类大分子比较理想的分离方法。但目前整体柱制备方法有很大的局限性,因为在整体柱合成过程中,其孔径大小是通过反应过程中相分离来决定的,而相分离容易受到温度,反应速度等影响,因此孔径大小不容易控制,导致柱间批次的稳定性和重复性差,而且不容易制备能满足生产需求的大尺寸整体柱。这些因素是整体柱不能广泛用于病毒的分离纯化的主要原因。

 

     为了解决传统整体柱制备技术难题,纳微与台湾创新材料合作开发出孔径及孔隙率可精确控制的新方法(Tantti整体柱)。这种方法是利用单分散聚合物微球为模板填充在整体柱中,然后把单体及交联剂填充到微球的空隙中,加热聚合后,再把模板微球清洗掉留下尺寸与微球模板大小一致的多孔整体柱。整体柱的孔径大小可以通过模板微球大小进行精确调节,不受反应条件影响,因此,柱与柱重复性好,且容易放大生产等。以单分散微球为模板制备孔径可以精确控制整体柱的孔径大小,克服了传统整体柱制备方法依靠相分离形成孔道结构不稳定的缺陷。这种创新的整体柱将极大提升其病毒的分离纯化性能,甚至为病毒、病毒类(疫苗)、腺伴随病毒(AAV)等生物大分子的分离纯化带来革命性的影响。

 

 

单分散微球模板法(左)与传统方法(右)制备整体柱的孔径结构对比图

 

不同孔径Tantti整体柱电子显微镜图与孔洞分布图

 

     Tantti系列的阴离子整体柱已在流感病毒纯化中取得不错的验证效果,该系列产品批次稳定性好,且最大做到9cm直径规模,可满足中试级病毒纯化需求。可以预期,孔径可精确控制且批次重复性好的整体柱一定成为病毒分离纯化的理想材料。

 

TanttiMonolith SAX整体柱应用于流感病毒H7N9纯化案例如下

 

     

      除了疫苗病毒、类病毒纯化外,目前Tantti整体柱正针对基因细胞疗法中,所使用的腺相关(AAVs)、慢病毒(Lentivirus)等进行纯化验证。

 

 

 

总结

     层析分离效果很大程度上取决于层析介质材料,层析技术重大进步往往是随着新的材料的出现而发展的。高机械强度超大孔结构微球研究成功将推动传统层析介质在病毒及类病毒(疫苗)分离纯化的广泛应用;单分散无孔层析介质开发成功可以极大提高病毒的纯度;而以单分散微球为模板制备孔径可控的整体柱将变革病毒分离纯化技术。纳微将一如既往引领分离纯化介质的创新,促进病毒高效分离技术的应用。

 

 

关于纳微

     苏州纳微科技股份有限公司(简称纳微)专门从事高精度、高性能和高附加值微球材料研发和生产的国家高新技术企业,致力于建设世界领先的纳微米球精准制备和应用平台,是世界上能提供最多微球品种与规格的公司之一。纳微拥有单分散色谱填料的精准制备技术、表面功能化技术和规模化生产能力;产品涵盖硅胶正相、反相、HILIC、手性填料,聚合物反相、离子交换、疏水层析、亲和层析(ProteinA、金属螯合、苯硼酸)、固相萃取、凝胶渗透色谱及特殊功能填料;还提供色谱柱、磁珠、标准颗粒、分析检测、分离纯化实验技能培训及分离纯化整体解决方案。纳微已实现大规模出口高性能色谱填料到欧、美、日、韩等国家和地区的国际知名制药和色谱企业,成为世界色谱行业的领军企业之一。

     纳微承担国家发改委发展专项、国家科技性中小型企业技术创新基金、国家十二五科技支撑计划项目等多项国家、省、市科技项目,建成江苏省纳微米球材料工程中心和江苏省纳微米球材料工程技术研究中心,成立苏州纳微先进微球材料应用技术研究所,已申请国家发明专利40余项,获1项国家重点新产品和4项江苏省高新技术产品。

     纳微在苏州工业园区建成13000m2的研发及生产中心,2018年在常熟建设20000m2的生产基地,纳微已通过ISO9001:2015质量管理体系认证,为客户提供完善的技术支持文件。纳微始终坚持“以创新,赢尊重,得未来”的公司发展理念,致力于打造具有国际影响力的纳微米球材料国家企业技术中心。

 

 

 

 

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