Aggregation Kinetics of Therapeutic Monoclonal Antibodies under the Influence of a Chemical Denaturant
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Date
2024-11-18
Authors
Publisher
Philipps-Universität Marburg
Abstract
Therapeutische monoklonale Antikörper (mAbs) haben das Feld der Arzneimittel revolutioniert und stellen eine wichtige Behandlungsoption für eine Reihe von Krankheiten dar, einschließlich Krebs und Autoimmunerkrankungen. Trotzdem stellt die Neigung von mAbs zur Aggregation ein erhebliches Hindernis dar, das ihre Wirksamkeit und Stabilität beeinträchtigen kann. Im Weiteren kann es durch Aggregation zur Bildung von Partikeln kommen, die potenziell unerwünschte immunologische Reaktionen beim Patienten hervorrufen können.
Die vorliegende Arbeit beabsichtigt daher, das Verständnis für die mAb-Aggregation in einer Lösung zu verbessern, indem ein umfassenderes Wissen für ihren Aggregationsprozess in Gegenwart eines chemischen Denaturierungsmittels gewonnen wird. Zu diesem Zweck wurden zunächst kinetische Profile von mAbs aufgezeichnet und mathematisch beschrieben. Darauf aufbauend wurden neue kinetische Vorhersageparameter, einschließlich der Monomer-Fraktion bei 50 % (Mf50), definiert, die dann für Stabilitätsbewertungen von mAbs in verschiedenen pharmazeutisch relevanten Pufferbedingungen verwendet wurden. Ein Vergleich erfolgte mit einem häufig verwendeten Stabilitätsparameter (Halbwerts-Konzentration des Denaturierungsmittels C50), um deren Fähigkeit zur Verbesserung der Protein-Stabilitätsvorhersage zu bewerten. Darüber hinaus wurde das gewonnene Wissen über den Aggregationsprozess genutzt, um Proteinkeime zu generieren und deren Einfluss auf die Stabilität von nativen Proteinen zu bestimmen.
Die Ergebnisse haben einen vierstufigen Aggregationsprozess für beide mAbs aufgezeigt, bestehend aus Monomer, Dimer, Trimer/Tetramer und Oligomer. Die abgeleiteten kinetischen Parameter zeigten eine hohe Korrelation untereinander sowie mit dem C50. Diese Parameter haben das Potenzial, die Zeit- und Kostenbelastung im Zusammenhang mit der Entwicklung von Biopharmazeutika signifikant zu reduzieren, indem sie genaueres und effizienteres Pufferscreening ermöglichen. Darüber hinaus zeigte die Seeding-Studie, dass die Anwesenheit von Proteinkeimen in einer gestressten nativen Proteinlösung einen signifikanten Einfluss sowohl auf die Partikelkonzentration im Nanometer- bis Mikrometerbereich als auch auf die Morphologieform hat. Diese Erkenntnis könnte potenziell zur Entwicklung neuer Methoden führen, die darauf abzielen, dieses Phänomen zu verhindern oder zumindest zu reduzieren. Insgesamt trägt diese Studie zu einem fundierten Verständnis des Aggregationsprozesses von mAb unter dem Einfluss eines chemischen Denaturierungsmittels bei und stellt neue Vorhersageparameter vor, die erhebliche Auswirkungen auf die Verbesserung der Qualität, Sicherheit und Wirksamkeit von therapeutischen mAbs haben können.
Therapeutic monoclonal antibodies (mAbs) have revolutionized the field of pharmaceuticals and represent a crucial treatment option for a range of diseases, including cancer and autoimmune disorders. Nonetheless, the propensity of mAbs to aggregate poses a substantial obstacle, potentially jeopardizing their efficacy and structural stability. Moreover, the emergence of particulate matter as a consequence of aggregation may provoke inadvertent immunological responses within the patient.
Hence, the current thesis seeks to enhance the comprehension of mAb aggregation in solution by gaining a deeper insight into the aggregation process in the presence of a chemical denaturant. To this end, the kinetic profiles of mAbs were recorded and mathematically delineated. Subsequently, novel predictive parameters, including the monomer fraction at 50 % (Mf50), were defined, which were then employed for the stability assessment of mAbs in various pharmaceutically relevant buffer conditions. An evaluation of these parameters was executed by comparing them with a commonly employed stability parameter (midpoint denaturant concentration C50), in order to appraise their capacity to enhance protein stability prediction. Furthermore, the knowledge gleaned from the aggregation process was harnessed to generate protein seeds to assess their influence on the stability of native proteins within the micro- and nanometer size ranges.
The findings of this thesis unveiled a four-stage aggregation process consisting of monomer, dimer, trimer/tetramer, and oligomer formation for both mAbs. The derived kinetic parameters exhibited a high correlation among themselves as well as with the C50. The derived parameters hold the potential to markedly reduce the time and costs associated with biopharmaceutical development by allowing for more accurate and efficient buffer screening. Additionally, the seeding investigation demonstrated that the presence of protein seeds in a stressed native protein solution exerts a substantial influence on both particle formation and morphological shape. This information may potentially guide the formulation of novel strategies to circumvent or mitigate this phenomenon. Overall, this study cultivates a more informed viewpoint regarding the aggregation process of mAb under the influence of a chemical denaturant while introducing novel predictive parameters that have significant implications for improving the quality, safety, and efficacy of therapeutic mAbs.