Das Verständnis der Wechselwirkungen zwischen biologischen Makromolekülen und Materialoberflächen ist für viele biotechnologische Anwendungen entscheidend. Techniken wie QCM-D bieten Echtzeiteinblicke in Grenzflächenprozesse wie z.B. Proteinadsorption und Zellanheftung und helfen so bei der Gestaltung von Oberflächen für medizinische Geräte und z.B. Behälter. Ihre Vielseitigkeit macht sie zu einem herausragenden Werkzeug in diesem Bereich. In diesem Artikel stellen wir ein Beispiel vor, bei dem QCM-D zur Untersuchung des Fouling von Antikörpern auf Stahloberflächen eingesetzt wurde.

Charakterisierung von Proteinwechselwirkungen mit der QCM-D-Technologie

Therapeutische Proteine wie monoklonale Antikörper sind eine aufstrebende Klasse von Medikamenten, bei der die Qualitätskontrolle der Herstellungs- und Lagerungsprozesse entscheidend für die Entwicklung sicherer, gut charakterisierter Produkte ist. Bei der Herstellung von Antikörpern kommen diese mit verschiedenen Materialoberflächen wie Stahl, Kunststoffen und Glas in Kontakt, und diese Protein-Material-Wechselwirkungen können in einigen Fällen zu Proteinaggregation führen. Die Aggregate können kleiner als die Porengröße der verwendeten Filtration sein und somit im Endprodukt verbleiben. Daher ist es wichtig, die potenzielle Aggregatbildung auf verschiedenen Materialoberflächen zu charakterisieren und die Materialeigenschaften der adsorbierten Antikörper an der Fest-Flüssig-Grenzfläche zu bestimmen. In dieser Fallstudie wird gezeigt, dass die QCM-D-Technologie die Veränderung von Stahloberflächen durch Antikörper nachweisen kann und dass sie in der Lage ist, die Bildung komplexer (zweischichtiger) Adsorbate mithilfe physikalisch basierter Modellierungsansätze zu charakterisieren.

Wichtige Messkonzepte: Kinetische Analyse der Adsorption von Antikörpern auf Edelstahloberflächen mit QCM-D

Die Adsorptionskinetik monoklonaler Antikörper auf Edelstahloberflächen wurde als Funktion der Antikörperkonzentration mit QCM-D gemessen. Das Protokoll umfasste eine Puffer-Grundlinie, die Injektion der Antikörperlösung bei einer relativ niedrigen Durchflussrate und dann einen Puffer-Spülschritt bei einer relativ hohen Durchflussrate. Die Daten wurden bei mehreren Obertönen erfasst, um die Eigenschaften der adsorbierten Schicht mit einem geeigneten Modell zu analysieren. Während der Antikörperadsorption waren die Messreaktionen komplex, und es wurde ein zweischichtiges Voigt-Modell angewandt, um die Dicke, den Schermodul und die Grenzflächenviskosität der einzelnen Schichten zu analysieren. Nach der Pufferspülung hingegen konnte das einfachere Sauerbrey-Modell angewandt werden, das von einer einzelnen, starren Adlayerschicht ausgeht und die Resonanzfrequenzverschiebung direkt in die adsorbierte Masse umrechnen kann.

Wissenschaftliche Erkenntnisse und Einsichten aus der QCM-D-Analyse: Konzentrationsabhängige Antikörper-Adsorptionsdynamik

Die Ergebnisse zeigten, dass die Adsorption von Antikörpern auf Stahloberflächen konzentrationsabhängig ist (Abb. 1). Bei niedriger Antikörperkonzentration haftete eine starre Antikörperschicht von ~5 nm Dicke an der Fest-Flüssig-Grenzfläche. Bei höheren Konzentrationen kam es zu einem zweistufigen Adsorptionsprozess, bestehend aus einer dichten, starren Schicht von ~7 nm Dicke auf der Stahloberfläche und einer viel dickeren, aber weniger dichten oberen Schicht von bis zu ~250 nm Dicke. Der zweistufige Adsorptionsprozess wurde direkt aus den zeitaufgelösten QCM-D-Messsignalen ermittelt, während die komplexen Filmeigenschaften durch anschließende Modellierung gewonnen wurden. Nach dem Spülen mit Puffer verblieben nur noch starr gebundene Antikörpermoleküle auf der Stahloberfläche, sodass das Sauerbrey-Modell zur quantitativen Analyse verwendet werden konnte, und in Fällen mit hoher Antikörperkonzentration mehr Adsorbat verblieb als in Fällen mit niedriger Konzentration.

Auswirkungen auf die Anwendung: Einsatz der QCM-D-Technik zur Quantifizierung der Eigenschaften biomakromolekularer Filme

Die QCM-D-Technik reagiert sehr empfindlich auf die viskoelastischen Eigenschaften der adsorbierten Biomakromoleküle, was verschiedene Modellierungsoptionen zur Analyse von ein- und zweischichtigen Filmen ermöglicht. Wenn der Film seitlich homogen ist, können quantitative Informationen über Filmeigenschaften wie Dicke, Schermodul und Viskosität gewonnen werden. Diese Fallstudie zeigt das Potenzial der Verwendung verschiedener Modellierungsansätze in unterschiedlichen Anwendungsszenarien, wobei auch unterschiedliche experimentelle Parameter wie Antikörpertyp, Lösungsbedingungen und Fließbedingungen integriert werden können. Interessanterweise konnte die QCM-D-Technik das Vorhandensein der flüssigkeitsähnlichen oberen Schicht bei hohen Antikörperkonzentrationen nachweisen, während es aufgrund des schwachen Kontrasts nicht möglich war, diese zweite Schicht mit Neutronenreflexion zu erkennen.

Abschließende Bemerkungen und verwandte Anwendungen: QCM-D-Analyse der Wechselwirkungen von Biomakromolekülen mit Materialoberflächen

Bei verschiedenen industriellen Prozessen kommen Biomakromoleküle wie z. B. Proteine mit Materialoberflächen in Kontakt. Die QCM-D-Technik eignet sich gut zur Charakterisierung der Masse und der viskoelastischen Eigenschaften der resultierenden Adsorbate aufgrund von Protein-Material- und Protein-Protein-Wechselwirkungen. Die Fähigkeit, die Grenzflächenrheologie zu untersuchen, kann auch für die Untersuchung dünner Polymerfilme und Polyelektrolytkomplexe nützlich sein, einschließlich stimulierend-responsiver Systeme, die je nach Umgebungsbedingungen weichere oder steifere Eigenschaften aufweisen können.
Dieser Artikel wurde als Blogbeitrag im „Surface Science Blog“ von Biolin Scientific in Zusammenarbeit mit Prof. Joshua A. Jackman, außerordentlicher Professor an der School of Chemical Engineering und dem Biomedical Institute for Convergence der Sungkyunkwan University in Südkorea und Direktor des Translational Nanobioscience Research Center, verfasst.

Referenzen:

Kalonia CK, Heinrich F, Curtis JE, Raman S, Miller MA, Hudson SD, Protein adsorption and layer formation at the stainless steel-solution interface mediates shear-induced particle formation for an IgG1 monoclonal antibody, Molecular Pharmaceutics. 2018 Feb 9;15(3):1319-31

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