Quantitative modeling and in-depth analysis of multi-state binding and buffer equilibria in chromatography

• Quantitative Modellierung und Tiefenanalyse von Mehrzustandsbindungen und Puffergleichgewichten in der Chromatographie

Diedrich, Juliane Dorothea; Wiechert, Wolfgang (Thesis advisor); Jupke, Andreas (Thesis advisor)

Aachen (2019, 2020)
Doktorarbeit

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2019

Kurzfassung

Die industrielle chromatographische Aufreinigung von biotechnologischen Erzeugnissen, wie zum Beispiel Milchpulver oder Insulin, ist ein wichtiger Bestandteil ihres gesamten Produktionsprozesses. Das Verständnis grundlegender chromatographischer Mechanismen, wie z.B. physikalische Bindungsprozesse in Chromatographiesäulen, spielt bei der staatlichen Kontrolle und Zulassung dieser Produkte eine Schlüsselrolle. Zum Verständnis solcher Mechanismen tragen die in dieser Arbeit entwickelten Modelle in zwei Bereichen der Chromatographie bei. Im ersten Teil dieser Arbeit werden ungewöhnliche Chromatogrammformen in Daten einer industriellen Separation monoklonaler Antikörper durch Ionenaustauschchromatographie beobachtet. Mit herkömmlichen Modellen ist dieses Verhalten schwer zu beschreiben, daher wird eine Hypothese des vermuteten Bindungsmechanismus aufgestellt. Auf Basis dieser Hypothese wird ein Bindungsmodell entwickelt, welches die Adsorption von Molekülen in verschiedene Bindungszustände ermöglicht. Modellparameter werden mithilfe eines neu entwickelten Vorgehens anhand der industriellen Daten geschätzt. Mit einem Parametersatz gibt ein Modell mit zwei Bindungszuständen die Beobachtungen von vier Experimenten wieder. Anschließend wird es zur quantitativen Analyse des Bindungsverhaltens eingesetzt. Durch diese Analyse wird ein Mechnismus entdeckt, welcher das ungewöhnliche Bindungsverhalten erklärt und die vorher formulierte Hypothese unterstützt. Der entwickelte Ansatz zeigt, wie ungewöhnliches Elutionsverhalten am Säulenauslass durch detaillierte Darstellung von Bindungsmechanismen innerhalb der Säule erklärt werden kann. Der lokale pH ist ein wichtiger Einflussfaktor auf das Bindungsverhalten von Proteinen, insbesondere Antikörper reagieren hier sensibel gegenüber dem lokalen pH. Jedoch werden Einflussfaktoren, z.B. Einfluss von pH auf das Bindungsverhalten von Proteinen, häufig getrennt voneinander simuliert. Daher wird im zweiten Teil dieser Arbeit ein systematischer Ansatz entwickelt, welcher Beschreibungen vieler physiko-chemischen Prozesse und deren Einflüsse auf Chromatographieprozesse simultan ermöglicht. Dadurch können Effekte wie Proteinaggregation, Puffergleichgewichte, pH oder enzymatische Produktion in Festbettreaktoren modelliert werden. Der Ansatz wird anhand einer pH Gradientenelution mit einem einfachen Tris-Puffer Beispiel eingeführt. Mithilfe von komplexeren Pufferformulierungen, welche acht Puffer enthalten, werden die Fähigkeiten des Modellierungsansatzes mit Prädiktion von linearen und nichtlinearen pH Elutionsprofilen demonstriert. Das Puffermodell wird zu einer Tiefenanalyse der Interaktionen von Pufferkomponenten mit dem chromatographischen Material und deren Einflüsse auf den pH am Säulenauslass herangezogen. Hieraus ergibt sich, dass durch die Adsorption von Pufferkomponenten die Puffergleichgewichte der einzelnen Puffer verschoben werden und sich gegenseitig beeinflussen. Der hier entwickelte Modellierungsansatz ermöglicht es die Einflüsse mehrerer physikalischer Prozesse, z.B. pH auf Proteinadsorption und -elution, quantitativ vorherzusagen.

Einrichtungen

• Lehrstuhl für Computational Systems Biotechnology (FZ Jülich) [420410]