地諾單抗生物類似藥的N-糖型優(yōu)化

殷龍 賈艷麗 姚月琴 張儉 譚小釘

摘 要 目的：使用糖型調(diào)節(jié)試劑優(yōu)化地諾單抗（denosumab）生物類似藥的N-糖基化修飾，使其主要糖型G0F和G1F的比例與地諾單抗高度類似。方法：利用單因素和DOE試驗(yàn)方法，考察不同濃度氯化錳、半乳糖及尿苷對(duì)地諾單抗生物類似藥糖基化修飾的影響。結(jié)果：經(jīng)過(guò)單因素試驗(yàn)、DOE分析及200 L細(xì)胞培養(yǎng)工藝放大，確定糖型調(diào)節(jié)劑氯化錳和半乳糖的最佳用量分別是150 mmol/L和35.56 mmol/L。結(jié)論：使用糖型調(diào)節(jié)劑氯化錳和半乳糖能有效調(diào)節(jié)地諾單抗生物類似藥的糖基化修飾比例，可為其他單抗生物類似藥生產(chǎn)工藝的優(yōu)化提供借鑒。

關(guān)鍵詞 生物類似藥 糖基化 細(xì)胞培養(yǎng)

中圖分類號(hào)：TQ460.62； TQ464.7 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1006-1533（2022）03-0077-05

N-glycosylation optimization for biosimilar denosumab

YIN Long， JIA Yanli， YAO Yueqin， ZHANG Jian， TAN Xiaoding

（Jiangsu Mabwell Health Pharmaceutical R&D Co.， Ltd.， Taizhou 225300， China）

ABSTRACT Objective： To optimize the N-glycosylation of denosumab biosimilar using some glycosylation reagents so as to make the proportion of G0F and G1F be highly similar to denosumab. Methods： The effects of the different concentrations of manganese chloride、galactose and uridine on the glycosylation of denosumab biosimilar were studied by single factor and DOE assays. Results： A preferred combination including manganese chloride 150 mmol/L， galactose 35.56 mmol/L was obtained by single factor test， DOE analysis and 200 L cell cultivation. Conclusion： The use of manganese chloride and galactose can effectively regulate the glycosylation modification ratio of denosumab biosimilar， which can provide a reference for the optimization of production process of the other mono-cloning antibody biosimilars.

KEy wORDS biosimilar； glycosylation； cell culture

抗體藥物屬于生物大分子藥物，其生物功能的發(fā)揮離不開(kāi)復(fù)雜的翻譯后修飾。糖基化（glycosylation）作為抗體最重要的翻譯后修飾，是指蛋白質(zhì)或脂質(zhì)在酶的作用下連接上糖鏈的過(guò)程，其對(duì)抗體的生物活性和體內(nèi)代謝有著重要的作用[1]，不同的糖基化對(duì)抗體親和力和體內(nèi)代謝具有顯著影響[2-4]。抗體藥物中常見(jiàn)的糖型有巖藻糖（Fuc）、半乳糖（Gal）、唾液酸（Sia）和甘露糖（Man）修飾，不同比例的糖型修飾可影響抗體藥物的穩(wěn)定性、電荷異構(gòu)、生物學(xué)活性等，如巖藻糖修飾影響單抗的抗體依賴細(xì)胞介導(dǎo)的細(xì)胞毒性作用（antibody dependent cell-mediated cytotoxicity，ADCC）[5-6]；高甘露糖修飾可縮短藥物的半衰期[7]；半乳糖修飾可提高抗體與補(bǔ)體的親和力、增強(qiáng)補(bǔ)體依賴的細(xì)胞毒性（complement-dependent cytotoxicity，CDC）效應(yīng)[8]。因此，糖基化修飾通常作為抗體藥物生產(chǎn)過(guò)程中的關(guān)鍵質(zhì)量屬性（critical quality attributes，CQA）進(jìn)行調(diào)控[9]。

地諾單抗糖基化形式為N-糖基化。N-糖基化是在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上由糖基轉(zhuǎn)移酶催化、在內(nèi)分泌蛋白和膜結(jié)合蛋白的天冬酰氨殘基的氨基上結(jié)合寡糖的過(guò)程，寡糖中的乙酰葡萄糖與多肽鏈中天冬酰胺殘基的酰胺氮連接形成N-連接糖蛋白。N-糖基化的位點(diǎn)是Asn-X-Thr/Ser（其中X是除了脯氨酸之外的任何氨基酸）3個(gè)氨基酸殘基組成的序列段[10-11]。單克隆抗體糖基化類型主要有G0、G0F、G1F、G2F、Man5等[1]，地諾單抗的糖基化類型以G0F和G1F為主，所占比例分別約為62%和20%；本研究中的單抗為地諾單抗生物類似藥，其糖基化類型以G0F為主，所占比例約為80%。糖基化修飾的差異可能導(dǎo)致藥物結(jié)合活性、半衰期等差異，從而影響藥效，考慮到生物類似藥用藥的安全性，需將糖型優(yōu)化至與地諾單抗高度類似。

糖型調(diào)節(jié)是生物藥工藝研發(fā)過(guò)程中常遇到的工藝難題，影響單克隆抗體糖基化類型及比例的因素有很多，如細(xì)胞株、培養(yǎng)方式、培養(yǎng)參數(shù)控制等[1，12-16] ，在細(xì)胞株構(gòu)建和篩選過(guò)程中，可通過(guò)基因改造等方式進(jìn)行糖基化優(yōu)化，如利用基因敲除降低巖藻糖基化比例從而增強(qiáng)抗體的ADCC效應(yīng)；在細(xì)胞培養(yǎng)工藝中可通過(guò)改變細(xì)胞培養(yǎng)過(guò)程中培養(yǎng)基的糖分、金屬離子濃度等條件來(lái)改變蛋白質(zhì)的糖基化類型及比例。細(xì)胞株構(gòu)建雖然能從根本上決定糖型的類型與比例，但通過(guò)細(xì)胞株改造進(jìn)行糖型調(diào)節(jié)耗時(shí)、耗力，并不適用于生物類似藥的工藝優(yōu)化。通過(guò)培養(yǎng)基成分的調(diào)節(jié)及控制參數(shù)優(yōu)化是常見(jiàn)的優(yōu)化方式，但細(xì)胞培養(yǎng)方式和控制參數(shù)對(duì)糖基化的影響通常是多因素交互作用的，在工藝開(kāi)發(fā)過(guò)程中需要考慮工藝控制的可操作性和精確性；另外，在糖型優(yōu)化過(guò)程中不僅需要選擇合適的糖型調(diào)節(jié)試劑，還需要兼顧同一試劑對(duì)不同糖型的影響程度和影響趨勢(shì)，以及產(chǎn)品本身的其它關(guān)鍵質(zhì)量屬性，如電荷異構(gòu)體、蛋白純度等；同時(shí)，不同培養(yǎng)規(guī)模條件下細(xì)胞生長(zhǎng)環(huán)境的變化、不同反應(yīng)器控制策略的差異導(dǎo)致細(xì)胞培養(yǎng)過(guò)程對(duì)糖型調(diào)節(jié)試劑需求有所差異，因此工藝放大過(guò)程可能帶來(lái)的結(jié)果差異也需要特別關(guān)注。

本研究選擇氯化錳、半乳糖和尿苷作為糖型調(diào)節(jié)劑，先采用單因素方法測(cè)試三種糖型調(diào)節(jié)劑的效果，再采用實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)（design of experiment，DOE）的方法找到合適劑量，并將優(yōu)化后培養(yǎng)工藝放大到中試規(guī)模確證，確保優(yōu)化后糖型可達(dá)到與原研藥高度類似的效果，且對(duì)抗體的其他質(zhì)量屬性無(wú)明顯影響。

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

表達(dá)地諾單抗生物類似物的重組細(xì)胞為中國(guó)倉(cāng)鼠卵巢（Chinese hamster ovary，CHO）細(xì)胞，培養(yǎng)基為CD CHO（Gibco公司）；地諾單抗對(duì)照抗體采購(gòu)于市售藥物；糖型調(diào)節(jié)劑為氯化錳、尿苷（Sigma公司）、半乳糖（Pfanstiehl公司）。

1.2 細(xì)胞培養(yǎng)

1.2.1 搖瓶培養(yǎng)

從細(xì)胞庫(kù)取出CHO細(xì)胞種子，在搖瓶上逐步擴(kuò)大培養(yǎng)體積制備實(shí)驗(yàn)用種子細(xì)胞，培養(yǎng)條件為36.8 ℃、5% CO2、搖床轉(zhuǎn)速120 r/min；采用分批補(bǔ)料（fed-batch）培養(yǎng)方式進(jìn)行抗體制備，d 0～5培養(yǎng)溫度為36.8 ℃、d 6降溫至33 ℃，培養(yǎng)時(shí)間為14 d，培養(yǎng)過(guò)程中監(jiān)測(cè)細(xì)胞生長(zhǎng)和活率。

1.2.2 生物反應(yīng)器培養(yǎng)

200 L規(guī)模培養(yǎng)工藝采用XDR 200反應(yīng)器（Cytiva公司）、分批補(bǔ)料培養(yǎng)方式，d 0～5培養(yǎng)溫度36.8 ℃、d 6降溫至33 ℃，培養(yǎng)過(guò)程中控制pH 6.95、溶氧40%、攪拌轉(zhuǎn)速100 r/min、培養(yǎng)時(shí)間14 d，監(jiān)測(cè)細(xì)胞生長(zhǎng)和活率。優(yōu)化前工藝不添加任何糖型調(diào)節(jié)劑。

1.3 糖型優(yōu)化方法

1.3.1 單因素

采用搖瓶培養(yǎng)對(duì)氯化錳、半乳糖和尿苷三種糖型調(diào)劑進(jìn)行單因素實(shí)驗(yàn)，每個(gè)糖型調(diào)節(jié)劑設(shè)置3個(gè)濃度水平，氯化錳測(cè)試濃度為154、308和616 μmol/L；半乳糖測(cè)試濃度為15.4、30.8和61.6 mmol/L；尿苷測(cè)試濃度為1.65、3.3和6.6 mmol/L。

1.3.2 多因素DOE析因糖型優(yōu)化

根據(jù)單因素試驗(yàn)的結(jié)果確定選擇氯化錳和半乳糖作為糖型調(diào)節(jié)劑，進(jìn)行2因素2水平DOE析因糖型優(yōu)化實(shí)驗(yàn)，方案見(jiàn)表1。氯化錳濃度設(shè)置2水平分別是150、350 μmol/L，半乳糖濃度設(shè)置2水平分別是10、50 mmol/L。

1.3.3 200 L培養(yǎng)規(guī)模糖型優(yōu)化

在優(yōu)化前工藝基礎(chǔ)上批次XDR200-1、XDR200-2、XDR200-3添加氯化錳和半乳糖調(diào)節(jié)劑的用量分別為222.22 mmol/L、35.56 mmol/L，而批次XDR200-4分別為150 mmol/L、35.56 mmol/L。

1.4 產(chǎn)量和質(zhì)量檢測(cè)方法

IgG定量采用蛋白A親和高效液相色譜法檢測(cè)（Waters公司，Arc）；抗體純度采用分子排阻高效液相色譜（SEC-HPLC）方法進(jìn)行檢測(cè)；電荷異構(gòu)體采用離子交換高效液相色譜（CEX-HPLC）方法進(jìn)行檢測(cè)，N-糖型采用2-AB標(biāo)記法超高效液相色譜（Waters公司，H-Class）檢測(cè)[17] 。

1.5 統(tǒng)計(jì)分析方法

多因素DOE析因?qū)嶒?yàn)結(jié)果使用JMP軟件進(jìn)行分析，以G0、G0F、Man5和G1F這4種主要的糖型為響應(yīng)建模，分析不同因子對(duì)其影響程度及趨勢(shì)[16] 。

2.1 不同糖型調(diào)節(jié)劑對(duì)糖型質(zhì)量的影響

在搖瓶培養(yǎng)規(guī)模上進(jìn)行Fed-batch細(xì)胞培養(yǎng)，進(jìn)行氯化錳、半乳糖和尿苷這三種不同劑量糖型調(diào)節(jié)劑對(duì)糖型比例優(yōu)化的效果，結(jié)果如表2、圖1、圖2所示。

氯化錳的高、中、低劑量分別是154、308和616μmol/L，在這個(gè)范圍內(nèi)氯化錳對(duì)細(xì)胞生長(zhǎng)、抗體產(chǎn)量、純度和電荷異構(gòu)體比例均無(wú)明顯影響，但對(duì)糖型有明顯影響。氯化錳 616 μmol/L已將G0F降至低于地諾單抗，同時(shí)G0和Man5比例顯著升高，提示高濃度錳離子對(duì)單抗G0和Man5修飾影響較大；氯化錳 154 μmol/L和308μmol/L可將G0、G0F、Man5、G1F比例調(diào)節(jié)至與地諾單抗類似，提示氯化錳有效用量在154～308 μmol/L之間。

半乳糖的高、中、低劑量分別是15.4、30.8和61.6 mmol/L，在這個(gè)范圍內(nèi)半乳糖對(duì)細(xì)胞生長(zhǎng)、抗體產(chǎn)量、純度和電荷異構(gòu)體比例均無(wú)明顯影響，其對(duì)糖型的G0、Man5無(wú)明顯影響，但可降低G0F比例及提升G1F比例，使其與地諾單抗類似，但其作用與劑量無(wú)明顯關(guān)系，提示半乳糖有效用量為30.8 mmol/L左右。

尿苷的高、中、低劑量分別是1.65、3.3和6.6 mmol/L，在此范圍內(nèi)尿苷對(duì)細(xì)胞生長(zhǎng)、抗體產(chǎn)量、純度和電荷異構(gòu)體比例及糖型均無(wú)明顯影響，在后續(xù)的實(shí)驗(yàn)中將不再使用尿苷來(lái)調(diào)節(jié)糖型。

2.2 多因素DOE析因糖型優(yōu)化結(jié)果

以氯化錳、半乳糖為因子，以G0、G0F、Man5和G1F這4種主要糖型為響應(yīng)，采用JMP軟件進(jìn)行分析，結(jié)果表明，氯化錳對(duì)糖型影響顯著，隨濃度的升高顯著降低G0F、G1F比例，同時(shí)提高G0、Man5比例；半乳糖對(duì)糖型G0、G0F、Man5影響較小，對(duì)G1F影響顯著，隨著濃度升高可提高G1F比例（圖3）。根據(jù)意愿刻畫，確定氯化錳和半乳糖組合用量分別是222.22 mmol/L和35.56 mmol/L。

2.3 200 L培養(yǎng)規(guī)模放大試驗(yàn)

搖瓶培養(yǎng)工藝條件下確定氯化錳和半乳糖用量后，將工藝放大至200 L規(guī)模，考察工藝的可放大性。進(jìn)行連續(xù)3批工藝放大培養(yǎng)（XDR200-1、XDR200-2、XDR200-3），培養(yǎng)過(guò)程中細(xì)胞生長(zhǎng)、活率、抗體產(chǎn)量一致性良好，批次間無(wú)顯著差異，經(jīng)純化制備后抗體關(guān)鍵質(zhì)量屬性純度、電荷異構(gòu)體比例結(jié)果與工藝優(yōu)化前無(wú)顯著差異，同時(shí)與地諾單抗保持一致（圖4、表3）；糖型G0、G0F、G1F比例較工藝優(yōu)化前顯著改善（圖5），但與地諾單抗相比，G0F比例略低，Man5比例較高，可能原因?yàn)楣に嚪糯蠛蠹?xì)胞生長(zhǎng)環(huán)境的變化、不同反應(yīng)器控制策略的差異導(dǎo)致細(xì)胞培養(yǎng)過(guò)程對(duì)糖型調(diào)節(jié)劑的需求量有所減少，結(jié)合小試單因素、DOE試驗(yàn)中高濃度氯化錳對(duì)Man5比例調(diào)節(jié)的影響趨勢(shì)，推測(cè)Man5比例升高是因?yàn)楣に嚪糯蠛蠹?xì)胞培養(yǎng)環(huán)境中錳離子濃度過(guò)高，因此降低氯化錳用量至150 mmol/L，進(jìn)行第4批（XDR200-4）200 L培養(yǎng)試驗(yàn)。結(jié)果表明，降低氯化錳濃度至150 mmol/L后，培養(yǎng)過(guò)程中細(xì)胞生長(zhǎng)、活率及抗體產(chǎn)量均無(wú)影響，關(guān)鍵質(zhì)量屬性純度、電荷異構(gòu)體比例與工藝優(yōu)化前產(chǎn)物及地諾單抗一致性良好；隨著錳離子量減少M(fèi)an5比例較前三批結(jié)果顯著降低，與地諾單抗比例一致，G0F、G1F比例略有上升（表3、圖4、圖5）。綜合對(duì)比G0、G0F、Man5、G1F主要糖型比例，氯化錳、半乳糖用量分別為150 mmol/L和35.56 mmol/L時(shí)，主要糖型比例與地諾單抗高度一致，且抗體的其他質(zhì)量屬性純度、電荷異構(gòu)體比例無(wú)明顯差異，達(dá)到優(yōu)化目的。

工藝過(guò)程中添加調(diào)節(jié)試劑是一種相對(duì)簡(jiǎn)單有效的糖基化優(yōu)化方式，但是不同調(diào)節(jié)試劑的濃度需求以及對(duì)不同糖基化類型的影響程度可能會(huì)有所差異，通常需要多種試劑的組合使用才能實(shí)現(xiàn)；同時(shí)，在工藝放大、培養(yǎng)規(guī)模變化時(shí)會(huì)引起細(xì)胞生長(zhǎng)微環(huán)境的變化，從而導(dǎo)致對(duì)糖型調(diào)節(jié)試劑需求的變化，因此在小試工藝開(kāi)發(fā)過(guò)程中需要兼顧工藝放大的可行性。本研究使用氯化錳、半乳糖通過(guò)單因素試驗(yàn)、DOE分析對(duì)地諾單抗生物類似藥N-糖基化修飾比例進(jìn)行優(yōu)化，同時(shí)將優(yōu)化工藝放大至200 L規(guī)模，實(shí)現(xiàn)地諾單抗生物類似藥糖基化水平與原研藥地諾單抗的高度可比。

利用DOE分析方法可有效通過(guò)較少的實(shí)驗(yàn)次數(shù)，高效快速地確定糖型調(diào)節(jié)劑的交互影響及作用濃度，大大提高工藝優(yōu)化效率。同時(shí)本研究在細(xì)胞培養(yǎng)過(guò)程中添加糖型調(diào)節(jié)試劑的工藝優(yōu)化方式對(duì)地諾單抗生物類似藥的糖基化修飾調(diào)節(jié)是有效的，這為其他單克隆抗體生物類似藥工藝優(yōu)化提供了較好的借鑒。

參考文獻(xiàn)

[1] 張忠兵， 羅建輝. 單克隆抗體糖基化修飾研究進(jìn)展[J]. 中國(guó)醫(yī)藥生物技術(shù)， 2020， 15（4）： 426-431.

[2] 王沖. 單克隆抗體糖基化修飾研究進(jìn)展[J]. 現(xiàn)代免疫學(xué)， 2017， 37（3）： 247-252.

[3] 劉曉宇， 常軍亮， 劉玉林. 單克隆抗體糖基化修飾的研究現(xiàn)狀及進(jìn)展[J]. 中國(guó)生物制品學(xué)雜志， 2020， 33（2）： 216-221.

[4] 衣常紅， 高春芳. IgG糖基化修飾及其意義研究進(jìn)展[J].中國(guó)免疫學(xué)雜志， 2010， 26（11）： 1051-1056.

[5] Konno Y， Kobayashi Y， Takahashi K， et al. Fucose content of monoclonal antibodies can be controlled by culture medium osmolality for high antibody-dependent cellular cytotoxicity[J]. Cytotechnology， 2011， 64（3）： 249-265.

[6] Nguyen Dang A， Mun M， Rose CM， et al. Interaction of cell culture process parameters for modulating mAb afucosylation[J]. Biotechnol Bioeng， 2019， 116（4）： 831-845.

[7] Goetze AM， Liu YD， Zhang Z， et al. High-mannose glycans on the Fc region of therapeutic IgG antibodies increase serum clearance in humans[J]. Glycobiology， 2011， 21（7）： 949-959.

[8] Hodoniczky J， Zheng YZ， James DC. Control of recombinant monoclonal antibody effector functions by Fc N-Glycan remodeling in vitro[J]. Biotechnol Prog， 2005， 21（6）： 1644-1652.

[9] Rathore AS， Weiskopf A， Reason AJ. Defining critical quality attributes for monoclonal antibody therapeutic products[J]. Biopharm Int， 2014， 27（7）： 34-43.

[10] 張芳， 許之玨， 徐穎姣， 等. IgG糖基化與疾病相關(guān)性研究進(jìn)展[J]. 生命科學(xué)， 2017， 29（4）： 319-330.

[11] Werner RG， Kopp K， Schlueter M. Glycosylation of therapeutic proteins in different production systems[J]. Acta Paediatr， 2007， 96（455）： 17-22.

[12] Grainger RK， James DC. CHO cell line specific prediction and control of recombinant monoclonal antibody N-glycosylation[J]. Biotechnol Bioeng， 2013， 110（11）： 2970-2983.

[13] Kildegaard HF， Fan Y， Sen JW， et al. Glycoprofiling effects of media additives on IgG produced by CHO cells in fed-batch bioreactors[J]. Biotechnol Bioeng， 2016， 113（2）： 359-366.

[14] Gramer MJ， Eckblad JJ， Donahue R， et al. Modulation of antibody galactosylation through feeding of uridine， manganese chloride， and galactose[J]. Biotechnol Bioeng， 2011， 108（7）： 1591-1602.

[15] Fan Y， Jimenez Del Val I， Müller C， et al. Amino acid and glucose metabolism in fed-batch CHO cell culture affects antibody production and glycosylation[J]. Biotechnol Bioeng， 2015， 112（3）： 521-535.

[16] 徐菲菲， 王太海， 楊玲， 等. 運(yùn)用DOE方法降低抗體生產(chǎn)過(guò)程中五聚甘露糖水平的工藝開(kāi)發(fā)[J]. 藥物生物技術(shù)， 2017， 24（4）： 305-309.

[17] 張峰， 于傳飛， 王文波， 等. 人源化抗血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子單克隆抗體質(zhì)控方法的建立[J]. 中國(guó)藥學(xué)雜志， 2016， 51（13）： 1101-1106.