Notorious but not understood: How liquid-air interfacial stress triggers protein aggregation

眾所周知但未解其因：液-氣界面應力如何觸發蛋白質聚集

來源：International Journal of Pharmaceutics, Volume 537, 2018, Pages 202-212

《國際藥劑學雜志》，第537卷，2018年，第202-212頁

 

摘要

這篇論文的摘要討論了蛋白質聚集是生物藥物開發中的主要挑戰，尤其液-氣界面的存在被確認會觸發大蛋白質粒子的形成。研究通過調查兩種單克隆抗體（IgGs）在液-氣界面的行為，發現形成了高度可壓縮的薄膜。Brewster-Angle顯微鏡顯示界面蛋白質分布不均勻，存在高堆積密度區域。重復壓縮和解壓縮薄膜導致顯著滯后和粒子數量增加。壓縮程度和速度直接影響薄膜的機械性質和粒子形成數量。紅外反射-吸收光譜表明與溶液中的FT-IR光譜相比，二級結構沒有顯著變化，因此IgG在界面保持天然樣構象。物理化學方法結合新設計的Mini-trough提供了界面相關蛋白質聚集機制的新知識，并能測試不同配方在受控應力條件下的表現。

 

研究目的

本研究旨在理解液-氣界面應力如何觸發蛋白質聚集的機制，并開發方法來局部化和分析這一過程。具體目的是通過表面敏感分析技術表征液-氣界面蛋白質薄膜的特性，研究機械應力（如壓縮和解壓縮）對粒子形成的影響，并評估配方條件對界面誘導聚集的傾向性。

 

研究思路

研究采用多方法結合的方式：首先使用表面壓力測量來監測IgGs在液-氣界面的吸附和薄膜行為；其次應用紅外反射-吸收光譜（IRRAS）和Brewster-Angle顯微鏡（BAM）分析界面的蛋白質二級結構和形態；然后通過新設計的Mini-trough模型進行受控的壓縮和解壓縮循環，僅施加界面應力來研究粒子形成；同時進行 agitation 實驗作為對比。研究思路強調通過物理化學表征直接鏈接界面薄膜特性與粒子形成機制，并優化測試方法。

 

測量的數據及研究意義

1 表面壓力數據：來自圖2、圖3和圖4。這些數據顯示了蛋白質薄膜在壓縮和解壓縮過程中的表面壓力變化，如滯后現象和最大壓力值。研究意義是證明界面薄膜具有可壓縮性和粘彈性，壓縮因子和速度影響薄膜的堆積密度和穩定性，為界面應力導致薄膜破裂和粒子形成提供直接證據。

 

 

 

2 粒子形成數據：來自圖7、圖8和圖9。包括視覺檢查類別、濁度、光遮蔽法和微流成像測量的粒子數量。研究意義是顯示 agitation 和 Mini-trough 應力均能顯著增加粒子數量，尤其是壓縮因子高于3時，直接驗證界面應力是蛋白質聚集的關鍵觸發因素。

 

 

 

3 結構形態數據：來自圖5（IRRAS）和圖6（BAM）。IRRAS數據顯示蛋白質在界面保持天然樣二級結構，無顯著變化；BAM圖像顯示界面蛋白質分布不均勻，存在簇狀結構。研究意義是表明蛋白質聚集并非由構象變化主導，而是由物理壓縮和薄膜破裂引起，強調了界面形態的重要性。

 

 

 

結論

本研究得出結論，液-氣界面應力通過壓縮蛋白質薄膜導致蛋白質材料壓實和蛋白質-蛋白質相互作用增加，隨后薄膜破裂釋放簇狀物質形成粒子。IgGs在界面保持天然樣構象，表明聚集機制主要是物理而非化學變化。Mini-trough方法能有效模擬界面應力，為配方篩選提供了可控工具?？傮w證實界面應力是蛋白質藥物中大型粒子形成的主要因素。

 

使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義

本論文未使用丹麥Unisense電極進行測量。研究中所用的表面壓力測量設備為Kibron Inc.的Langmuir trough，而結構分析采用IRRAS和BAM等技術。因此，無法提供丹麥Unisense電極數據的詳細解讀。本研究側重于界面薄膜的物理化學表征，而非微傳感器氧測量。