Способ очистки интерфероновых белков с помощью катионообменной хроматографии

Способ очистки интерфероновых белков с помощью катионообменной хроматографии

Реферат

Предпосылки создания изобретения

Большая часть биомедицинских наук основана на применении фармакологически активных белков как природного происхождения, полученных способами экстракционной технологии, так и синтетического происхождения, полученных из рекомбинантной ДНК с использованием разработанных методов. Уровень чистоты представляющих интерес продуктов важен в обоих случаях, поскольку понимание их активности определяется возможностью точного связывания биологического действия с присутствием фиксированного количества белка.

В данном контексте способы очистки фармакологически активных белков приобретают важную роль, поскольку чистота полученного белка приобретает особую значимость, когда в лекарственные препараты включаются активные начала или наполнители. Возможность возникновения токсичного действия и/или появления неблагоприятных последствий во время лечения действительно вынуждает администрацию, ответственную за регистрацию и выдачу разрешения на сбыт лекарств на основе белков, вводить еще более строгие правила для определения качества и промышленного соответствия активных начал белкового происхождения, содержащихся в продаваемых лекарственных средствах.

Из вышесказанного четко явствует важность способов очистки (1-5), 135-200 (1999), Mullick A. and Flickinger M.C., Biotechnol. Bioeng., 65(3), 282-290 (1999) и Mc Creath G.E. et al., J. Chromatogr., 597(1-2), 189-196 (1992).

Наконец, Yang L. et al., Sheng Wu Kung Cheng Hsueh Pao, 16(1), 74-77 (2000) также были описаны способы очистки альбумина на тяжелых металлах и методы аффинности на матрицах, с которыми связаны молекулы красителей, таких как Цибакрон синий F3G, были описаны Compagnini A. et al., J. Chromatogr. A, 736(1-2), 115 (1996).

В патенте US 6194553 раскрыт способ очистки ингибитора альфа-1 протеиназы при помощи катионообменной хроматографии на твердой матрице, где катионообменную хроматографию проводят при значении рН более основном, чем рН в соответствующей изоэлектрической точке.

В документе ЕР 0203382 раскрыт способ очистки альфа-интерферона при помощи катионообменной хроматографии при рН 4,5-5,0.

Все данные способы демонстрируют различным образом проблемы сложности реализации и высокой стоимости, так что проблема индивидуализации новых способов очистки фармакологически активных белков как легких, так и легко промышленно осуществимых и экономически выгодных остается не решена.

Описанное далее изобретение дает ответ на данные важные требования путем разработки способа очистки интерфероновых белков, который является легким в промышленной эксплуатации и имеет низкую стоимость, обладая значительными экономическими преимуществами.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение относится к способу очистки интерфероновых белков, который включает проведение катионообменной хроматографии на твердой матрице при более основном значении рН, чем рН, соответствующий изоэлектрической точке, pI, очищаемых белков, однако при данном значении рН белки все еще остаются абсорбированными, и элюирование указанных белков путем повышения ионной силы и/или рН водных буферных растворов.

Эффективное осуществление настоящего изобретения требует индивидуализации правильной комбинации используемой хроматографической матрицы, значения рН выше pI и ионной силы используемых хроматографических элюентов, поскольку, когда определена хроматографическая матрица, эффективная очистка может быть достигнута путем проведения ограниченных изменений рН и/или ионной силы, часто в десятые доли единиц рН и/или изменений ионной силы на несколько сотых долей мкS.

Можно использовать все функционализированные твердые матрицы, обычно применяемые в качестве стационарных фаз для катионообменной хроматографии, однако в частности, стационарные фазы, называемые сильными катионообменниками, имеют предпочтение, когда pI белка, предназначенного для очистки, ниже 6, тогда как стационарные фазы как с сильным, так и со слабым катионным обменом можно использовать без исключения для белков, имеющих pI выше 6. Указанные стационарные фазы могут иметь кремневую или полимерную матрицу, функционализированную с помощью сульфонильных или карбоксильных групп, как в протонной форме, так и в форме щелочных солей.

С успехом можно использовать коммерчески доступные стационарные фазы, такие как, например, Source® S (Pharmacia Biotech), Sepharosa® SP-Fast Flow, Sepharose® SP-High Performance, Sp Sepharose® XL (Pharmacia Biotech), Fractogel® S (Merck. Darmstadt), Mustang® S (Pall Corporate), CM Sepharose® FF (Pharmacia Biotech), Dowex®, Bio-Rad® AG (Bio-Rad), Poros® S (PerSeptive Biosystems), Shodex®-S, Toyopearl® SP (Tosohass).

Диапазон значений рН, при которых настоящее изобретение может быть эффективно осуществлено, очень широк, в зависимости от изоэлектрических точек, предназначенных для очистки интерфероновых белков, и составляет между 2 и 11, предпочтительно между 4 и 8,5.

Расширение диапазона значений рН, превышающих pI, при которых можно проводить описанный в настоящем изобретении способ, может изменяться от значений рН, соответствующих pI интерфероновых белков, до значения рН, на одну единицу рН превышающего указанную pI, демонстрируя поразительное различие от белка к белку.

Например, было установлено, что в случае рекомбинантного альфа-2b-интерферона (rIFNα-2b) можно проводить абсорбирование белка на катионообменной матрице до значения, превышающего на 0,2 единицы рН его pI, составляющую 5,9, и, следовательно, возможно проводить его очистку с помощью катионообменной хроматографии, в то время как было установлено, что в случае сывороточного альбумина человека белок остается абсорбированным до значения рН, превышающего на одну единицу рН его pI.

Диапазон концентраций солевого раствора водных растворов, применяемых в качестве эффективно используемых элюентов, зависит от типа очищаемых интерфероновых белков и, как было установлено, включает значения между 1 мМ и 100 мМ, предпочтительно между 1 мМ и 30 мМ.

Например, в случае очистки рекомбинантного альфа-2b-интерферона (rIFNα-2b) концентрация водных солевых растворов составляет между 1 мМ и 30 мМ, предпочтительно между 5 и 15 мМ.

Необходимость иметь фиксированные и стабильные значения рН элюентов, используемых для хроматографических задач настоящего изобретения, делает очень полезным, если не абсолютно необходимым, применение подходящим образом забуференных водных растворов, содержащих от 5 до 100 мМ, предпочтительно от 10 до 20 мМ буферных смесей. Преимущественно можно использовать любое химическое вещество или смесь химических веществ, имеющих буферную способность в диапазоне рН между 2 и 11, поскольку значения рН элюентов, которые можно применять, заключаются между 2 и 11.

Преимущественно при осуществлении настоящего изобретения можно использовать множество водных буферных растворов, включая те, которые содержат: глицин и хлорид натрия, малеиновую кислоту и гидроксид натрия, малоновую кислоту и гидроксид натрия, молочную кислоту и гидроксид натрия, муравьиную кислоту и гидроксид натрия или лития, янтарную кислоту и гидроксид натрия, N-метилпиперазин и хлористо-водородную кислоту, пиперазин и хлористо-водородную или уксусную кислоту, L-гистидин и хлористо-водородную кислоту, 4-(2-гидроксиэтил)-1-пиперазинэтансульфоновую кислоту и гидроксид натрия или лития, N-метилдиэтаноламин и серную кислоту, N-метилдиэтаноламин и хлористо-водородную или уксусную кислоту, пиридин и муравьиную кислоту, двухосновный цитрат натрия и гидроксид натрия, моноосновный фталат калия и хлористо-водородную кислоту, моноосновный фталат калия и гидроксид натрия, моноосновный фосфат калия и двухосновный фосфат натрия, бицин и гидроксид натрия, барбитал натрия и хлористо-водородную кислоту, борат натрия и хлористо-водородную кислоту, борат натрия и гидроксид натрия, 1,3-диаминопропан и хлористо-водородную кислоту, лимонную кислоту и двухосновный фосфат натрия, ацетат натрия и уксусную кислоту, имидазол и хлористо-водородную кислоту, триэтаноламин и хлористо-водородную или уксусную кислоту, трис(гидроксиметиламинометан) и хлористо-водородную кислоту, карбонат натрия и кислый карбонат натрия, этаноламин и хлористо-водородную кислоту, пиперидин и хлористо-водородную кислоту, триметиламин и муравьиную кислоту, пиридин и уксусную кислоту, триметиламин и уксусную кислоту, триметиламин и хлористо-водородную кислоту, гидроксид аммония и муравьиную кислоту, гидроксид аммония и уксусную кислоту, триметиламин и карбонат натрия, карбонат аммония и гидроксид аммония.

В частности, в случае очистки рекомбинантного альфа-2b-интерферона (rIFNα-2b) можно использовать все буферные растворы, которые имеют буферную способность при рН, заключающемся между 5.9 и 6.1, предпочтительно буферные растворы при рН между 5.9 и 6.1, содержащие моноосновный фосфат калия и двухосновный фосфат натрия, моноосновный фталат калия и гидроксид натрия, двухосновный цитрат натрия и гидроксид натрия, лимонную кислоту и двухосновный фосфат натрия, имидазол и хлористо-водородную кислоту, хотя в случае очистки сывороточного альбумина человека можно использовать буферные растворы, содержащие те же смеси химических соединений, имеющие буферную способность между 4.9 и 6.0.

Используемые в качестве элюентов водные растворы также могут содержать, в дополнение к химическим веществам, используемым для буферизации рН, химические вещества, задачей которых является модификация ионной силы раствора. Для этого преимущественно можно использовать как органические соли, как, например, карбоксилаты, алкилсульфонаты, фталаты, так и неорганические соли, такие как, например, сульфаты, хлориды, фосфаты, которые могут образовывать соль с натрием, калием, аммонием, первичными, вторичными, третичными или ароматическими аминами.

Данные соединения преимущественно можно использовать в концентрации, находящейся в диапазоне значений от 1 мМ до 100 мМ, предпочтительно между 1 мМ и 30 мМ.

Например, в случае очистки рекомбинантного альфа-2b-интерферона (rIFNα-2b) концентрация таких соединений может изменяться между 1 мМ и 30 мМ, предпочтительно между 2 и 20 мМ.

Эффективность очистки может быть повышена при использовании до элюирования интерфероновых белков одной или нескольких промывок, проводимых элюентами, имеющими подходящий рН и ионную силу, так что колонка всегда находится при рН, превышающем pI.

В случае рекомбинантного альфа-2b-интерферона (rIFNα-2b), pI которого составляет 5,9, промывки можно проводить буферными растворами при рН, заключающемся между 6,0 и 6,1.

Количество элюента, проходящего через колонку во время таких промывок, является переменным, обычно составляя между 5 и 100 объемов колонки (ОК), в случае рекомбинантного альфа-2b-интерферона (rIFNα-2b) количество элюента составляет от 10 до 80 ОК.

Количество предназначенного для очистки продукта, которое может быть загружено в колонку зависит от используемой хроматографической матрицы и может достигать максимум 100 миллиграмм общего количества белков на каждый миллилитр стационарной фазы, даже если обычно используют более низкие количества, включающие от 5 до 20 мг/мл.

Элюенты могут проходить через колонку с линейной скоростью, совместимой со стационарной фазой, до максимального значения, равного 10 см/мин.

Проиллюстрированный выше способ очистки можно применять для всех интерфероновых белков, в частности, относящихся к интерферонам альфа, бета, гамма, дельта, омега, тау, природному альфа-интерферону из лейкоцитов, рекомбинантному альфа-2b и консенсусным интерферонам как природного, так и рекомбинантного происхождения.

Объем описанного выше способа очистки состоит в получении промышленным и экономичным образом фармакологически активных белков с высокой степенью чистоты, так что их можно непосредственно использовать для получения содержащих их лекарственных препаратов.

В частности, лекарственные препараты в объеме настоящего изобретения включает препараты, содержащие интерферон, еще более предпочтительно рекомбинантный альфа-2b-интерферон (rIFNα-2b) как природного, так и рекомбинантного происхождения.

Далее представлены некоторые иллюстративные примеры объекта способа по настоящему изобретению.

Пример 1

Продуцирование рекомбинантного альфа-2b-интерферона (rIFNα-2b)

Часть клеток штамма Escherichia coli BL21 DE3 трансформировали 5 нг плазмиды pET9a-IFNα-2b, полученной клонированием синтетического гена, репродуцирующего генную последовательность IFNα-2b человека, модифицированного подходящим образом для соответствия последовательности кодонам более частым в Escherichia coli, в плазмиду рЕТ9а (Novagen).

Последовательность белка, экспрессированного клетками Escherichia coli, модифицированными как указано выше, является аналогичной последовательности, о которой сообщалось в Methods in Enzymology, Interferons, part С, под редакцией Pastka S., 119, 3-14 (1996), опубликованной Academic Press Inc.

Штамм Escherichia coli BL21 DE3, трансформированный с помощью плазмиды pET9a-IFNα-2b, помещали в культуре в колбу с подходящей культуральной средой, например, раствором, содержащим 12 г/л фитопептона (Phyto peptoton, BBL), 24 г/л дрожжевого экстракта (Yeast extract, DIFCO), 4 г/л глицерина (BDH) и неомицин, при 3°С в течение времени, достаточного для достижения значения оптической плотности при 600 нм, равного 0,6-0,8, обычно в течение 7-9 часов. Полученную таким образом культуру затем использовали при разбавлении от 1 до 100 для инокулирования в 5 л ферментеры, где содержалась культуральная среда, аналогичная ранее описанной среде в колбе. Культуру выдерживали в течение 14 часов при 37°С при аэрации, составляющей один объем воздуха в течение каждой минуты относительно объема культуры.

Бактериальные клетки собирали центрифугированием при 6000 оборотах в минуту (об/мин) в конце культивирования, их суспендировали в подходящем водном растворе, содержащем 1 мМ дитиотрейтола (DTT) в количестве, не превышающем 6 мл на каждый грамм сырого веса бактериального цетрифугата. Бактериальную суспензию подвергали клеточному лизису с помощью утвердившихся и описанных методов, как например расщепление ультразвуком или с помощью гидравлического давления.

Полученную суспензию выделяли центрифугированием и твердую часть суспендировали в 50 мл физиологического раствора, содержащего 1 мМ DTT и опять центрифугировали.

Твердый компонент, составляющий включенные тела, собирали и суспендировали при интенсивном перемешивании при комнатной температуре в 450 мл раствора, содержащего 6 М хлорида гуанидиния, 50 мМ Трис-HCl при рН 8 и 0,1 мМ ЭДТК. Суспензию центрифугировали и супернатант разбавляли в соотношении от 1 к 100 до 1 к 200 в физиологическом растворе, содержащем 50 мМ Трис-HCl при рН 8 и 0,1 мМ ЭДТК при рН 8, подходящего для ренатурации белка. Раствор для ренатурации может содержать аминокислоты, как например глицин или аргинин; смеси соединений, содержащих сульфиды в окисленной и восстановленной форме с образованными дисульфидными мостиками, как например глутатион, этаноламин, цистеин. Ренатурацию проводят при интенсивном перемешивании раствора при 4°С почти в течение 72 часов, затем раствор фильтруют и затем концентрируют с помощью способа диа-фильтрования относительно буфера, полученного из 40 мМ трис-HCl при рН 8 до достижения конечного фактора концентрирования в 5-10 раз. Конечная концентрация раствора обычно составляет между 0,4 и 1,0 мг/мл.

Пример 2.

Очистка рекомбинантного альфа-2b-интерферона (rIFNα-2b)

1 М раствор ацетата натрия добавляют до конечной концентрации 20 мМ к смеси белков, содержащей rIFNα-2b, полученный в примере 1, и смесь доводят до рН 5,5 уксусной кислотой. Полученный таким образом раствор загружают в сильную катионообменную колонку, содержащую коммерчески доступную хроматографическую матрицу Mustang® S (Pall Corporate). Перед загрузкой раствора белков катионообменную колонку кондиционируют с помощью 20 мМ раствора ацетата натрия при рН 5,5 в количестве, равном 20 объемам колонки (OK).

Затем загружают раствор белка в таком количестве, чтобы не превышать количество загружаемых белков, равное 10 мг, на каждый миллилитр стационарной фазы, предпочтительно в количестве, составляющем между 6 и 8 мг/мл.

После загрузки продукты, связанные со стационарной фазой, подвергают первому циклу промывки с помощью солевого раствора при рН 6,1, полученного из смеси моноосновного фосфата калия и двухосновного фосфата натрия в общей концентрации, составляющей между 5 и 15 мМ. Оптимальная концентрация раствора так или иначе фиксируется по тому факту, что его проводимость не должна превышать примерно 1800 мкS. Используют общее количество раствора, составляющее от 5 до 60 OK, предпочтительно между 25 и 35 ОК.

Затем осуществляют второй цикл промывки с использованием того же раствора, что и в первом цикле промывки, к которому добавляют количество хлорида калия, равное конечной концентрации, не превышающей 3 мМ, предпочтительно 2 мМ; используют общее количество раствора, составляющее между 10 и 100 OK, предпочтительно между 30 и 60 ОК.

После циклов промывки осуществляют фазу элюирования с помощью раствора, аналогичного использованному в первом цикле промывки с конечным количеством хлорида калия в концентрации, составляющей от 15 до 25 мМ. Для элюирования используют общее количество раствора, составляющее между 15 и 40 OK, предпочтительно между 20 и 30 ОК.

Все растворы и загруженный образец пропускают через колонку с линейной скоростью, составляющей от 0,1 до 1 см/мин, предпочтительно между 0,4 и 0,7 см/мин.

При данных условиях rIFNα-2b элюируют из колонки со степенью чистоты, превышающей 98%, хотя в исходном растворе степень чистоты составляла примерно 40%, при выходе выделения целевого продукта, превышающем 80%.

Хроматографические профили до и после хроматографической очистки представлены на фиг.1а и 1b.

На фиг.1а показан хроматографический профиль раствора интерферона перед очисткой, а на фиг.1b показан хроматографический профиль после очистки.

Хроматографические профили получали с использованием ВЭЖХ с использованием жидкостного хроматографа HP 1090, колонки Vydac C18 и УФ детектора, установленного при 214 нм. Элюирование проводили при скорости потока 1 мл/мин с использованием смеси двух элюентов, элюент А получали из 700 мл воды, 298 мл ацетонитрила и 2 мл трифторуксусной кислоты, а элюент В получали из 198 мл воды, 800 мл ацетонитрила и 2 мл трифторуксусной кислоты. Два элюента смешивали во время элюирования в соответствии со следующей таблицей:

Время (минуты)	% А	% В
0	72	28
1	72	28
5	67	33
20	63	37
30	57	43
40	40	60
42	40	60
50	28	72
60	72	28

Пример 3

Способ осуществляли в соответствии с описанием примера 2 с использованием буферного раствора, полученного из моноосновного фталата калия и гидроксида натрия.

Пример 4

Способ осуществляли в соответствии с описанием примера 2 с использованием буферного раствора, полученного из двухосновного цитрата натрия и гидроксида натрия.

Пример 5

Способ осуществляли в соответствии с описанием примера 2 с использованием буферного раствора, полученного из лимонной кислоты и двухосновного фосфата натрия.

Пример 6

Способ осуществляли в соответствии с описанием примера 2 с использованием буферного раствора, полученного из имидазола и хлористо-водородной кислоты.

1. Способ очистки интерфероновых белков, включающий проведение катионообменной хроматографии на твердой матрице при значении рН более основном, чем рН, соответствующий изоэлектрической точке, pI, очищаемых белков, при таком значении рН, при котором указанные белки все еще остаются абсорбированными, и элюирование указанных белков путем увеличения ионной силы и/или рН водных буферных растворов.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что водные буферные растворы содержат от 5 до 100 мМ буферных смесей, выбранных из смесей, которые получены из моноосновного фосфата калия и двухосновного фосфата натрия, моноосновного фталата калия и гидроксида натрия, двухосновного цитрата натрия и гидроксида натрия, лимонной кислоты и двухосновного фосфата натрия, или имидазола и хлористо-водородной кислоты.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что буферные растворы содержат от 1 до 100 мМ органических или неорганических солей, способных модифицировать ионную силу раствора.

4. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что интерфероновые белки представляют собой альфа, бета, гамма, дельта, омега, тау, природный альфа из лейкоцитов, рекомбинантный альфа-2b и консенсусный интерфероны.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что осуществляют очистку рекомбинантного альфа-2b-интерферона, rIFNa-2b, которая включает загрузку полученной проведением ферментации rIFNa-2b смеси белков, дополненной добавлением 1М раствора ацетата натрия и доведенной до рН 5,5 уксусной кислотой, на колонку, наполненную сильной катионообменной смолой, кондиционированной при рН 5,5 с помощью 20 мМ раствора ацетата натрия, так что на каждый мл стационарной фазы приходится от 6 до 8 мг белка; проведение двух циклов промывки колонки, первый из которых представляет собой промывку буферным раствором при рН 6,1 при концентрации между 5 и 15 мМ, затем - тем же буферным раствором, дополненным 2 мМ хлорида калия, и, в заключение, проводят элюирование чистого rIFNa-2b из колонки с использованием буферного раствора при рН 6,1, содержащего хлорид калия в концентрации между 15 и 25 мМ.

6. Способ по п.5, отличающийся тем, что используемая смола представляет собой сильную катионообменную среду, состоящую из гидрофильного полимера с группами сульфоновой кислоты, сшитыми на полиэфирсульфоновой мембране, а буферные смеси выбирают из смесей, которые получены из моноосновного фосфата калия и двухосновного фосфата натрия, моноосновного фталата калия и гидроксида натрия, двухосновного цитрата натрия и гидроксида натрия, лимонной кислоты и двухосновного фосфата натрия, или имидазола и хлористо-водородной кислоты.

7. Применение способов по любому из предшествующих пунктов для получения активных начал, содержащихся в лекарственных препаратах, на основе интерфероновых белков.

8. Применение по п.7, где интерфероновый белок представляет собой рекомбинантный альфа-2b-интерферон.