Characterizing Vaccines with the Light Scattering Toolkit

Význam tématu

Biofyzi­kální charakterizace vakcín pomocí rozptylu světla umožňuje stanovení klíčových vlastností, jako je velikost, molární hmotnost, koncentrace částic a povrchový náboj. Tyto parametry zásadně ovlivňují bezpečnost, účinnost i stabilitu vakcín v průběhu vývoje i výroby.

Cíle a přehled studie

Publikace představuje „toolkit“ metod rozptylu světla (MALS, DLS, ELS) a jejich kombinaci se separačními technikami (SEC, FFF). Cílem je ukázat, jak tyto metody slouží k biofyzi­kální charakterizaci různých tříd vakcín: subjednotkových, polysacharidových konjugátů, virových částic, VLP a lipidových nanovektorů. Důraz je kladen na použití metod i přínos dat ve fázích objevování, vývoje a výroby.

Použitá metodika a instrumentace

• Multi-angle light scattering (MALS): DAWN (18 úhlů), miniDAWN, microDAWN, ultraDAWN (RT-MALS)
• Differential refractive index detektor: Optilab
• Dynamic light scattering (DLS): DynaPro Plate Reader, NanoStar, Mobius
• Electrophoretic light scattering (ELS): Mobius
• Sec-MALS a UHP-SEC-MALS: standardní i UHPLC kolony
• Field-flow fractionation (FFF): Eclipse FFF
• Composition-gradient MALS: Calypso

Hlavní výsledky a diskuse

• Subjednotkové vakcíny: SEC-MALS identifikovalo monomery, trimery virových glykoproteinů i jejich komplexy s protilátkami. Protein-glykanová analýza rozlišila podíl glykosylace (~25 % hmotnosti u SARS-CoV a MERS-CoV spike).
• Polysacharidové konjugáty: SEC-MALS a FFF-MALS ukázaly vliv řetězcové délky polysacharidu na imunogenicitu konjugátu.
• Viry a nanovektory: FFF-MALS poskytlo rozlišení distribuce velikostí LNP a VLP (Rg 20–70 nm), určilo náplň (DNA/RNA) pomocí UV-RI konjugátní analýzy a přesně spočítalo fyzikální titr („částice/mL“).
• Stabilita a agregace: DLS (včetně high-throughput screening v DPR) odhalilo optimální formulace pro stabilitu při teplotním stresu. FFF-MALS sledovalo agregaci i na stopových úrovních.
• Adjuvancia: Mobius DLS/ELS zpravil zeta potenciál adjuvant Alhydrogel (+16 mV) a velikost částic (~700 nm). Charakterizace polymerních adjuvant pro řízenou samospojivost prokázala tepelně aktivní montáž.
• Procesní analytická technologie (PAT): ultraDAWN s OBSERVER software umožňuje real-time monitoring molární hmotnosti, velikosti a koncentrace částic pro řízení průmyslových procesů (in-line či on-line).

Přínosy a praktické využití metody

• Měření bez značení, na základě základních fyzikálních veličin.
• Vysoká citlivost, absolutní stanovení molární hmotnosti a koncentrace částic.
• Široké spektrum velikostí od malých proteinů až po 1000 nm nanovektory.
• Rychlost a možnost automatizace (HPLC/UHPLC, high-throughput DLS).
• Podpora vývoje vakcín, kontroly kvality a validace výrobních procesů.

Budoucí trendy a možnosti využití

• Integrované PAT platformy se zpětnou vazbou v reálném čase a autonomní řízení výroby.
• Pokročilé frakcionační techniky (microfluidní FFF) pro ultra-detailní analýzu heterogenních přípravků.
• Využití strojového učení pro predikci stability a imunogenity na základě biofyzi­kálních profilů.
• Modulární nanovektorové platformy s přesným dávkováním, náplní a povrchovou funkčností.

Závěr

Přehled ukázal, že celá řada metod rozptylu světla ve spojení se separačními technikami tvoří robustní nástroj pro charakterizaci moderních vakcín i adjuvant. Absolutní a detailní měření vlastností částic významně urychluje vývoj, zvyšuje reprodukovatelnost a zajišťuje kvalitu ve výrobě.

Reference

1. Hastie KM et al. Structural basis for antibody-mediated neutralization of Lassa virus. Science. 356:923–928, 2017.
2. Walls AC et al. Glycan shield and epitope masking of a coronavirus spike protein observed by cryo-EM. Nat Struct Mol Biol. 23:899–905, 2016.
3. Walls AC et al. Unexpected Receptor Functional Mimicry Elucidates Activation of Coronavirus Fusion. Cell. 176:1026–1039.e15, 2019.
4. MacNair JE et al. Alignment of absolute and relative molecular size specifications for a polyvalent pneumococcal polysaccharide vaccine (PNEUMOVAX®23). Biologicals. 33:49–58, 2005.
5. Lockyer K et al. Higher mass meningococcal group C-tetanus toxoid vaccines conjugated with carbodiimide correlate with greater immunogenicity. Vaccine. 38:2859–2869, 2020.
6. Reichmuth AM et al. mRNA vaccine delivery using lipid nanoparticles. Ther Deliv. 7:319–334, 2016.
7. Wei Z et al. Biophysical characterization of influenza virus subpopulations using FFF and MALS: Correlation of particle counts, size distribution and infectivity. J Virol Methods. 144:122–132, 2007.
8. Citkowicz A et al. Characterization of virus-like particle assembly for DNA delivery using AF4 and LS. Anal Biochem. 376:163–172, 2008.
9. Mohr J et al. Virus-like particle formulation optimization by miniaturized high-throughput screening. Methods. 60:248–256, 2013.
10. Simon LL et al. Assessment of Recent Process Analytical Technology (PAT) Trends: A Multiauthor Review. Org Process Res Dev. 19:3–62, 2015.
11. Francica JR et al. Thermoresponsive Polymer Nanoparticles Co-deliver RSV F Trimers with a TLR-7/8 Adjuvant. Bioconjug Chem. 27:2372–2385, 2016.
12. Ikeda M et al. Characterization and analytical development for amphiphilic poly(γ-glutamic acid) as raw material of nanoparticle adjuvants. J Pharm Biomed Anal. 150:460–468, 2018.
13. Luo Y et al. The Dual Role of Lipids of the Lipoproteins in Trumenba, a Self-Adjuvanting Vaccine Against MenB Disease. AAPS J. 18:1562–1575, 2016.
14. Bousse T et al. Quantitation of influenza virus using FFF and MALS. J Virol Methods. 193:589–596, 2013.