Characterizing vaccines with light scattering

Význam tématu

Analýza vakcín pomocí technik rozptylu světla je klíčová pro vývoj, výrobu a kontrolu kvality moderních vakcín. Metody jako statický (MALS), dynamický (DLS) a elektroforetický (ELS) rozptyl světla poskytují bezznačkové a přesné určení velikosti, molární hmotnosti a zeta potenciálu vakcinačních komponent, což ovlivňuje jejich stabilitu, účinnost a bezpečnost.

Cíle a přehled studie / článku

Studie představuje soubor analytických přístupů k charakterizaci různých typů vakcín (subjednotkové, polysacharidové konjugáty, virové částice typu VLP a nosiče nukleových kyselin) s využitím:

• multiúhlového MALS pro absolutní měření molární hmotnosti a ozářkového poloměru (Rg),
• DLS pro hydrodynamický poloměr (Rh),
• ELS pro zeta potenciál a povrchový náboj,
• SEC-MALS a FFF-MALS pro separaci a detailní distribuční analýzu,
• CG-MALS pro stanovení termodynamiky a stechiometrie biomolekulárních interakcí,
• RT-MALS pro on-line monitoring výrobního procesu.

Použitá metodika a instrumentace

Pro komplexní charakterizaci vakcín jsou využívány:

• Zařízení MALS: DAWN, miniDAWN, microDAWN, ultraDAWN
• Koncentrační detektory: Optilab RI, UV HPLC
• Sada pro dynamický rozptyl: WyattQELS, DynaPro Plate Reader, NanoStar, ZetaStar
• Fractionační systémy: SEC (HPLC/UHPLC), FFF (Eclipse FFF)
• Systémy pro studium interakcí: CG-MALS s dávkovacím systémem Calypso
• PAT řešení: OBSERVER software pro RT-MALS

Hlavní výsledky a diskuse

• Vazba protilátek na virový glykoprotein (Lassa virus GP-Fab) byla jednoznačně identifikována a kvantifikována pomocí SEC-MALS.
• Glykanový obsah spike proteinů SARS-CoV a MERS-CoV dosažoval přibližně 25 % hmotnostního podílu (microDAWN + microOptilab).
• Obsah DNA v částicích typu VLP byl potvrzen FFF-UV-MALS-RI, s molární hmotností proteinového obalu 14,5 MDa a DNA nákladem 1 MDa.
• Analýza mRNA v LNP pomocí konjugátní metody ukázala závislost množství kódované molekuly na velikosti nosiče.
• FFF-MALS a DLS prokázaly monodisperzitu LNP v rozsahu poloměrů 35–70 nm.
• Vysokopropustné DLS formátování testování stability odhalilo optimální stabilizační složení (40 % polyolu + polysorbát 20 %).
• Zeta potenciál dvou LNP vzorků byl podobný (~ –11 mV), ale DLS odhalila přítomnost aglomerátů u jednoho z nich.
• Real-time MALS v PAT pomohlo řídit separaci virových frakcí na základě živého měření poloměru s automatickým spuštěním odběru.

Přínosy a praktické využití metody

• Bez štítkování umožňují tyto metody přesné určení klíčových vlastností vakcíny již v rané fázi výzkumu.
• Kombinace rozptylu s chromatografií a frakcionací přináší vysoké rozlišení velikostních a hmotnostních distribučních profilů.
• On-line a in-line varianty (RT-MALS) optimalizují výrobní procesy a zajišťují konzistenci šarže.
• CG-MALS poskytuje podrobnou kvantifikaci vazebných afinit a stechiometrie biomolekulárních komplexů.

Budoucí trendy a možnosti využití

• Další integrace RT-MALS do výrobního řetězce a jeho automatizace v rámci konceptu průmyslu 4.0.
• Vývoj miniaturizovaných a modulárních zařízení pro vysokopropustné screeningy vakcínových formulací.
• Využití pokročilých řídicích algoritmů a strojového učení pro predikci stability a shody kritických parametrů.
• Prohloubení aplikací CG-MALS pro multivalentní komplexní interakce a celou řadu kandidátních antigenů.

Závěr

Light scattering představuje všestrannou a spolehlivou platformu pro charakterizaci vakcín od raného vývoje až po výrobu a kontrolu kvality. Rozsáhlá paleta technik pokrývá všechny klíčové vlastnosti nanočástic a makromolekul, čímž podporuje rychlejší, bezpečnější a standardizovanou výrobu vakcín.

Reference

1. Hastie KM et al. Structural basis for antibody-mediated neutralization of Lassa virus. Science. 2017;356(6341):923–928.
2. Walls AC et al. Glycan shield and epitope masking of a coronavirus spike protein observed by cryo-electron microscopy. Nat Struct Mol Biol. 2016;23(10):899–905.
3. Walls AC et al. Unexpected Receptor Functional Mimicry Elucidates Activation of Coronavirus Fusion. Cell. 2019;176(5):1026–1039.e15.
4. Citkowicz A et al. Characterization of virus-like particle assembly for DNA delivery using asymmetrical flow field-flow fractionation and light scattering. Anal Biochem. 2008;376(2):163–172.
5. Reichmuth AM et al. mRNA vaccine delivery using lipid nanoparticles. Ther Deliv. 2016;7(5):319–334.
6. Wei Z et al. Biophysical characterization of influenza virus subpopulations using field flow fractionation and multiangle light scattering. J Virol Methods. 2007;144(1-2):122–132.
7. Mohr J et al. Virus-like particle formulation optimization by miniaturized high-throughput screening. Methods. 2013;60(3):248–256.
8. Simon LL et al. Assessment of Recent Process Analytical Technology (PAT) Trends: A Multiauthor Review. Org Process Res Dev. 2015;19(1):3–62.