Следећа-Технологија биопречишћавања генерације: фундаментална теорија, кључни атрибути и индустријске примене мембранске хроматографије

И. Шта је мембранска хроматографија?

Мембранска хроматографија користи порозне мембране за раздвајање као хроматографски медијум, са специфичним лигандима имобилисаним на површини мембране. Ослањајући се на конвекцијски-доминирајући пренос масе уместо на дифузију-ограниченог преноса масе традиционалне хроматографије засноване на смоли-, омогућава велике брзине протока, високу резолуцију, лаку скалабилност, низак пад притиска и биопроцесирање за једнократну-употребу за пречишћавање биомолекула.

Кључни закључак: Мембранска хроматографија је веома ефикасна технологија пречишћавања заснована на конвекцији{0}}доминацијом масеног преноса.

 

 

ИИ. Разлике између мембранске хроматографије и хроматографије на бази смоле{1}}паковане-слојне хроматографије

Фундаментална разлика у преносу масе

• Хроматографија у слоју-на бази смоле{1}}: Поре унутар честица смоле су-слепе поре, што резултира изузетно спором дифузијом великих молекула. Како се брзина протока повећава, резолуција и капацитет везивања се нагло смањују.
• Мембранска хроматографија: Поре на мембрани су претежно кроз-поре, што омогућава да се раствори директно транспортују конвекцијом до места везивања на зидовима пора. Стога, брзина протока има мали утицај на резолуцију и капацитет везивања.

 

 

 

ИИИ. Иновације у мембранској хроматографији: тродимензионална открића у материјалима, модулима и процесима

1. Иновације у мембранским материјалима (матрикс + лиганд + спајање)

матрица:

• Природни: целулоза, полисахариди.
• Синтетика: најлон, ПЕС, ПТФЕ.
• Новела: нановлакна, агарозна влакна (висока специфична површина).

Лиганди:

• Јонска размена (најзрелија): кватернарне амонијум групе (АЕКС), групе сулфонске киселине (ЦЕКС).
• Афинитет: Протеин А/Г, пептидни лиганди, хелација метала (ИДА), боје, аптамери.
• Хидрофобни: фенил, алкил групе.

Технологије спајања:За мембранске матрице са реактивним местима на површини мембране:

Претходно{0}}синтетизовани лиганди могу бити директно спојени на површину мембране.

Полимеризација се може започети директно на површини мембране. На пример, мембране за катјон{1}}и хроматографске мембране мешовитог-мода могу се припремити коришћењем радикалне полимеризације са трансфером атома (АТРП). Овај приступ спајања може да обезбеди релативно висок капацитет везивања.

За мембранске матрице без доступних реактивних места на површини мембране, могу се користити одговарајуће методе активације за увођење реактивних места. На пример, мембрански матрикс обложен допамином-може да реагује са лигандима који садрже тиол- и амино- кроз реакције Мицхаелове адиције и Шифове базе.

Спацер Армс:
Увођење размакница између мембранске матрице и лиганада може побољшати доступност циљних молекула лигандима. Одговарајуће одстојне руке такође могу повећати густину лиганда и побољшати ефикасност коришћења лиганда током процеса раздвајања.

 

 

2. Иновације у дизајну модула (три главне конфигурације + нови дизајн)

• Тип наслаганог диска (лабораторијски производи):Мембрански листови су сложени заједно, формирајући структуру сличну краткој колони. Лако га је повећати, али дистрибуција поља{1}}тока је релативно неуједначена.

• Тип радијалног струјања (главни индустријски дизајн):Мембрана је намотана око централног стуба. Погодан је за -проточне апликације (уклањање нечистоћа), али није погодан за апликације за везивање-и-елуирање.

 

 

3. Оптимизација процеса (континуирана обрада + висока пропусност + интелигентни рад)

• Режими рада:Проток-(уклањање нечистоће) и везивање-и-елуирање (хватање циља).
• Континуирана хроматографија:Технологије континуиране хроматографије са више-колона, као што су симулирани покретни слој (СМБ) и периодична контра{1}}хроматографија (ПЦЦ), могу повећати продуктивност уз смањење потрошње пуфера.
• Скрининг-високог протока:Минијатуризовани мембрански модули са високим брзинама протока омогућавају брзу, високу{0}}оптимизацију протока (нпр. мембранска хроматографија на плочи са 96 јажица) параметара као што су пХ и концентрација соли уз минимизирање потрошње узорка.

 

• ИВ. Изгледи примене: Фокусирање на макромолекуле и биолошке лекове следеће-генерације
• Мембранска хроматографија постепено замењује неке кораке хроматографије засноване на смоли{0}}у конвенционалним процесима пречишћавања протеина, као што су моноклонска антитела и фузиони протеини. Такође нуди јединствене предности у пречишћавању биофармацеутика следеће{2}}генерације:
• Макромолекуларни протеини:Моноклонска антитела (150 кДа), ПЕГиловани протеини (величина молекула ×10) и САРС-ЦоВ-2 шиљасти протеини (мултимерни). Високе брзине протока и високи приноси чине мембранску хроматографију добром за интензивирање процеса у наставку.

 

 

• Нуклеинске киселине:Плазмидна ДНК и мРНА (мембранска хроматографија нуди већи капацитет везивања од хроматографије на бази смоле{0}}).
• Вируси и{0}}честице сличне вирусима (ВЛП):Вирус грипа, ААВ и ХИВ{0}}ВЛП (велике честице од 200–400 нм). Дифузија кроз смоле је изузетно спора, а ограничена доступност пора може значајно смањити капацитет везивања. Мембранска хроматографија, насупрот томе, омогућава ефикасан конвективни пренос масе, високу доступност пора, велике брзине протока и висок капацитет везивања.
• Екстрацелуларни везикули:Егзозоми и микровезикуле (величине 50–1000 нм). Ови производи не могу ефикасно да уђу у поре смолног медијума и ступе у интеракцију са лигандима, чинећи мембранску хроматографију погоднијом технологијом пречишћавања.

 

 

В. Изазови и изгледи: балансирање скалабилности и перформанси

1. Кључни изазови

• Ниска површина везивања: Мембране су самоносеће структуре, са ефективном површином везивања знатно нижом него код медијума од смоле. Ово може да доведе до недовољног капацитета везивања у апликацијама за везивање-и-елуе.
• Висока цена: мембрански модули-за једнократну употребу могу бити релативно скупи, што ограничава њихову широку примену у великим размерама, осим за производе велике{1}}вредности.
• Ограничења комерцијалних модула: Не-уједначена дистрибуција протока и недовољна резолуција остају изазови у комерцијално доступним модулима, што захтева даљу оптимизацију дизајна модула.
• Стабилност лиганда: Лиганди афинитета као што је протеин А изложени су тешким условима елуације, посебно киселом пХ, што може довести до деградације лиганда и краћег радног века.

2. Будући правци

• Материјали: Развијте мембранске матрице са већим капацитетом везивања, побољшаном стабилношћу и нижом ценом, као што су електропредена влакна и мембране са мешавином{0}}матрице. Развијте -лиганде афинитета са ниским ценама, укључујући пептиде и биомиметичке лиганде, као алтернативу протеину А.
• Модули: Развијте научно оптимизоване дизајне модула са равномернијом дистрибуцијом протока и вишом резолуцијом. Модуларни дизајни са фиксним кућиштем са заменљивим мембранама могу помоћи у смањењу трошкова по употреби.
• Процеси: Промовишите континуирану и интегрисану обраду, као што су тандем конфигурације мембрана-смола. Омогућите поновну употребу-више циклуса оптимизацијом процеса чишћења и регенерације да бисте смањили оперативне трошкове.
• Примене: Проширите употребу мембранске хроматографије у новим областима као што су вируси, ВЛП, егзозоми и мРНА да би се успоставиле диференциране и тешко{0}}заменљиве-технолошке предности.

 

 

ВИ. Закључак

Са својим кључним предностима конвективног преноса масе, високим брзинама протока, лаком скалабилности и ниским падом притиска, мембранска хроматографија еволуира од „допунске алтернативе“ у главну технологију у биопроцесирању. Иако остају изазови у погледу капацитета везивања, цене и дизајна модула, његова јединствена вредност у пречишћавању макромолекула и биолошких препарата следеће-генерације наставиће да подстиче иновације у мембранским материјалима, конфигурацијама модула и процесним технологијама.

Очекује се да ће у будућности мембранска хроматографија постати основна технологија за низводно биофармацеутско пречишћавање, са посебно значајним потенцијалом у континуираној производњи и новим биотерапијским апликацијама.