Untersuchungen zum Aggregations- und Faltungsverhalten unterschiedlicher Antikörperformate

Abstract

Antikörperbasierte Therapeutika weisen aufgrund ihrer strukturellen Komplexität eine Vielzahl an möglichen chemischen und physikalischen Degradationswegen auf. Bis heute stellen der Nachweis und die Charakterisierung der Degradationsmechanismen aufgrund von limitierten analytischen Techniken eine große Herausforderung in der pharmazeutischen Industrie dar. Bisher ist keine analytische Technik verfügbar, die für einen Nachweis aller auftretenden Degradationsarten einsetzbar ist. In der vorliegenden Arbeit wurden mit drei verschiedenen Arten von antikörperbasierten Therapeutika (voller Antikörper, bispezifischer Antikörper und Fab Fragment) zwei klassische Lager- und Transportstressbedingungen (Schüttel-/ Scher- und Temperaturstress) simuliert. Zur Untersuchung der auftretenden Degradationswege wurde eine Kombination unterschiedlicher analytischer Techniken entwickelt. Hierbei kamen die visuelle Beurteilung, verschiedene spektroskopische Nachweismethoden, die dynamische Lichtstreuung, die Differenzkalorimetrie, die elektrophoretische Trennung, die asymmetrische Fluss-Feldflussfraktionierung und die Oberflächen-Plasmon-Resonanz Technologie zum Einsatz. Die Ergebnisse verdeutlichen die Heterogenität der Degradationsmechanismen unterschiedlicher Antikörperformate. Darüber hinaus traten bei der Induktion von gleichen Stressparametern bei verschiedenen antikörperbasierten Molekülen unterschiedliche Aggregations- und Fragmentierungsprozesse auf. Bei der finalen Beurteilung der Eignung der analytischen Techniken für die Methodenplattform musste zwischen Methoden zum Nachweis von Degradation und zur strukturellen Charakterisierung des Degradationsprodukts unterschieden werden. Zusammenfassend konnte im Rahmen dieser Arbeit eine leistungsstarke Methodenplattform für verschiedene antikörperbasierte Therapeutika entwickelt werden, die umfangreiche Einsatzmöglichkeiten in der pharmazeutischen Entwicklung bietet. Da über den Einsatz der etablierten Plattform verschiedene Arten der Degradation von biologischen Therapeutika sowohl nachgewiesen als auch charakterisiert werden können, bieten sich eine Reihe von Möglichkeiten für eine Erweiterung der klassischen Formulierungsentwicklung an. Durch die Kombination von verschiedenen analytischen Techniken kann somit ein Verständnis für die Interaktion von biologischen Molekülen mit verschiedenen Formulierungszusätzen erlangt werden. Zusätzlich können die komplexen Abläufe bei Degradationsvorgängen von therapeutischen Proteinen detailliert dargestellt werden. Hierbei handelt es sich um Grundvoraussetzungen für eine systematische Stabilisierung von proteinbasierten Therapeutika, um Entwicklungsvorhaben dieser Moleküle gezielt und effektiv umzusetzen.

Protein-based therapeutics are prone to undergo a variety of chemical and physical degradation pathways. The identification and characterization of protein degradation is a very demanding challenge considering the variety of degradation pathways and structural complexity of the molecules. Unfortunately, no single analytical technique is able to cover the wide spectrum of all possible instability reactions of protein-based therapeutics. In this study, three different kinds of antibody-based molecules (IgG1, bispecific antibody and Fab Fragment) were used to simulate two types of classical transport and storage conditions (shear stress and temperature stress). For detection and characterization of relevant degradation pathways of different antibody-based therapeutics an analytical platform was developed. Therefore, the effect of the stress conditions on the stability of the three antibody-based molecules was investigated using visual inspection, different spectroscopic measurements, dynamic light scattering, differential scanning calorimetry, electrophoresis, asymmetric field flow fractionation and surface plasmon resonance technology. Finally, shear stress and thermal stress led to heterogeneous chemical and physical degradation pathways of all three antibody-based molecules used. In addition, identical exogenous stress conditions caused different kinds and levels of aggregates and fragmentation products. To assess the individual analytical techniques for suitability within the platform, methods for detecting protein degradation or characterization of degradation products have to be distinguished. In summary, this work describes the establishment of a powerful analytical platform for the detection and characterization of different kinds of antibody degradation products. Since various types of degradation pathways can be characterized, the platform provides opportunities for an expansion of the classical formulation development process. Key mechanisms of interactions between proteins and excipients can be analyzed and understood by combining different kinds of analytical techniques. This is an essential requirement for a systematic and promising stabilization of protein-based therapeutics to implement development projects most effectively and specifically.