2 实验部分样品制备本研究所有实验均采用商品化的单克隆抗体利妥昔 利妥昔是一种无菌, 透明, 无色, 不含防腐剂的静脉滴注用浓缩液 该产品浓度为 1 mg/ml, 通常配制成 7.35 mg/ml 的柠檬酸钠缓冲注射液, 其中含.7 mg/ml 聚山梨醇酯 8 9. mg/ml 氯化钠和无菌水, 采

液相色谱耦联 Q Exactive 台式轨道阱质谱仪 分析利妥昔单克隆抗体 Application Note 591 Martin Samonig 1,2, Christian Huber 1,2 and Kai Scheffler 2,3 赛默飞世尔科技 ( 中国 ) 有限公司 关键词单克隆抗体, 完整蛋白质的质量测定, 序列确定, 蛋白质去卷积, 自上而下的测序 目的优化液相色谱质谱工作流程, 采用整体柱在线耦联 Thermo Scientific Q Exactive 台式轨道阱质谱仪对单克隆抗体进行分析和表征 前言 单克隆抗体 (mab) 是增长需求最快的医药产品之一 他们在多种病症如癌症 感染性疾病 过敏症 炎症和自免疫疾病的治疗中发挥着主要作用 由于单克隆抗体可以表现出显著的异质性, 作为治疗产品, 新的 mab 要获得批准需要进行大量的分析表征 质谱法已经成为表征单克隆抗体的重要工具, 能测定完整蛋白及分离的轻链和重链的分子量 解析糖基化和糖链的结构, 确证正确的氨基酸序列, 鉴定杂质, 如生产过程中固有的宿主细胞蛋白质 (P) 利妥昔单抗是一个拮抗蛋白质 CD2 的重组单克隆抗体, 其在美国的商品名为 Rituxan (Biogen Idec 公司 / 基因泰克公司 ), 在欧洲的商品名为 MabThera ( 罗氏 ) 它是第一代肿瘤免疫治疗药物之一 利妥昔单抗分别在 1997 年被美国食品和药物监督管理局和 1998 年由欧盟委员会批准用于恶性淋巴瘤的治疗 这个抗体的可变区域作用靶点为细胞表面分子 CD2, 这些分子存在于一些非霍奇金淋巴瘤中 此外, 评价了两套整体柱色谱系统在线耦合质谱仪的灵敏度 数据表明 Q Exactive 系统具有优异的分辨率和质量准确度, 是一个具有高置信度的筛选工具, 可快速精确地进行生物制药产品的开发和表征 在这个应用报告中, 结合使用自上而下和自下而上的方法, 不管是分析完整和还原的利妥昔单抗, 还是对其进行氨基酸序列分析,Q Exactive Orbitrap 质谱仪都具有优异的表现

2 实验部分样品制备本研究所有实验均采用商品化的单克隆抗体利妥昔 利妥昔是一种无菌, 透明, 无色, 不含防腐剂的静脉滴注用浓缩液 该产品浓度为 1 mg/ml, 通常配制成 7.35 mg/ml 的柠檬酸钠缓冲注射液, 其中含.7 mg/ml 聚山梨醇酯 8 9. mg/ml 氯化钠和无菌水, 采用氢氧化钠或盐酸水溶液调 ph 值至 6.5 由于利妥昔单抗中含聚山梨醇酯 8, 在进行 LC / MS 分析之前需对样品进行透析 采用截留分子量为 3.5 kda(mwco) 的 Thermo Scientific TM Slide-A-Lyzer TM 透析盒透析 在 4 条件下,1 ml 利妥昔单抗在 2 L 2% 乙腈水溶液中透析 48 h 对利妥昔单抗的轻链和重链进行分析时, 样品与 5 mm 三羧甲基磷酸 (TCEP) 在 6 条件下孵育 3 min, 还原样品中的二硫键 为了对酶切后的 mab 进行自下而上的分析, 样品还原后, 继续在室温暗处与 2 mm 碘乙酰胺 (IAA) 进行烷基化反应 3 min 样品采用 Thermo Scientific TM Pierce TM C18 枪头进行纯化, 采用 Thermo Scientific TM SpeedVacc TM 旋转浓缩仪进行干燥, 然后溶解在.5 M 三乙基碳酸氢铵缓冲液 (TEAB ) 中 在 h 和 1.5 h 先后两次, 按照 1:15(w/w) 的比例加入测序级修饰胰蛋白酶 (Promega), 在 37 条件下酶切 2.5 h 最后, 加入适量三氟乙酸 (TFA), 调 ph 值至约为 3 所有样品放在含玻璃内插管的自动进样器小瓶中 (.1 ml 微量内插管, 透明玻璃,VWR) 液相色谱实验使用的色谱柱为按照文献制备的 16.2 mm 内径聚 ( 苯乙烯 - 二乙烯基苯 )(PS-DVB) 共聚物毛细管柱 1 和 Thermo Scientific TM PepSwift TM 25.2 mm 内径的 PS-DVB 毛细管柱 蛋白质的分离使用 Thermo Scientific TM Dionex TM UltiMate TM 3 RSLCnano 系统, 该系统配置 3 nl z- 型微量检测池 分离过程中, 柱温 :55, 流速 :1 μl/min, 色谱梯度 : 乙腈 (ACN) 溶液 ( 含.5% 三氟乙酸 TFA) 的浓度从 2% 升高至 6%, 运行时间 :1 min 对于胰蛋白酶的酶切混合物, 色谱梯度 :B 相浓度从 % 升高至 5%, 运行时间 : 3 min 对于还原型抗体, 色谱梯度 :B 相浓度从 35% 升高至 45%, 运行时间 :15 min 采用 Thermo Scientific TM ProSwift TM RP-1R 5 mm 1. mm 内径的整体柱在更高流速分离蛋白质, 使用的仪器为 Thermo Scientific TM Dionex TM UltiMate TM 3 RSLCnano 系统, 该系统配置 45 nl 检测池 分离过程中, 柱温设置为 55, 流速为 6 μl/min 色谱梯度:B 相浓度从 26% 升高至 8%, 运行时间 :2 min 对于还原型抗体, 分离轻链和重链的色谱 梯度 :B 相浓度从 26% 升高至 56%, 运行时间 :2 min 在上述梯度条件下,PepSwift 25 mm.2 mm 内径的整体柱压力在 19 bar 到 26 bar 之间,ProSwift RP-1R 5 mm 1 mm 内径的整体柱压力在 12 bar 到 18 bar 之间 在本研究的所有实验中, 流动相 A 是.5% 三氟乙酸水溶液, 流动相 B 是.5% 三氟乙酸的乙腈溶液 色谱梯度见表 1 和表 2 表 1. 本实验所用的液相色谱梯度, 色谱柱 : PepSwift 25 mm.2 mm 内径, 流速 :1 μl/min 时间 (min) 完整单克隆抗体 [%B] 还原型单时间克隆抗体 (min) [%B 时间 (min) 单克隆抗体酶切混合物 [%B]. 2. 35. 1. 6 15. 45 3. 5 1.1 85 15.1 85 3.1 85 16. 85 21. 85 4. 85 16.1 2 21.1 35 4.1 3. 2 3. 35 5. 表 2. 本实验所用的液相色谱梯度, 色谱柱 :ProSwift RP-1R 5 mm 1 mm 内径, 流速 :6 μl/min 时间 (min) 完整单克隆抗体 [%B] 时间 (min) 还原型单克隆抗体 [%B] 26 26 15 8 15 56 2 8 15.1 8 2.1 26 2 8 3 26 2.1 26 3 26 质谱本研究所有实验均采用 Q Exactive 台式静电场轨道阱质谱仪 采用 ProSwift RP-1R 5 mm x 1 mm 内径色谱柱进行实验时配合使用 Thermo Scientific TM IonMax TM 加热电喷雾离子源, 喷雾电压为 4 KV, 鞘气和辅助气流速分别为 15 和 5 个单位 其他实验均采用 Thermo Scientific TM NanoFlex TM 离子源进行, 离子源上配置 15 cm 的 PicoTip 喷雾针 (New Objective, Woburn,USA;2 μm 内径,36 μm 外径,1 μm 针尖 ), 流速为 1 μl/min, 电压为 1.5 KV 详细方法设置见表 3

3 表 3. 本研究所有实验用到的质谱参数 完整单克隆抗体 还原型单克隆抗体 自上而下 AIF 5-plex 目标离子二级质谱 抗体酶切物 方法类型 全扫描 全扫描 ( 分 2 段 ) 全扫描 -AIF 目标离子二级质谱 全扫描 - 前 1 个高能碎裂裂解 总运行时间 3 min 15.8/15.8 3 min 25 min 25 min 4 min 扫描范围 18 5 8 35/7 25 3 25 固定首个质量数 3 35 2 分辨率 ( 一级 / 二级质谱 ) 17,5/x 14,/17,5 7, n.a./7, 7,/17,5 全扫描 AGC 3. 1 6 3. 1 6 3. 1 6 5. 1 5 3. 1 6 (MS)/1. 1 5 (MS 2 ) 最大注入时间 15 ms 15 ms/2 ms 15 ms 15 ms 1 ms/1 ms 隔离窗口 n.a. n.a. n.a. 1 Th 2 Th 微扫描 1 5 5 5 1 毛细管温度 275 275 275 275 275 S-lens RF 值 8 8 5 5 5 SID [ev] 8 /6 n.a. LC / 2 n.a. NCE [%] n.a. n.a. 1-3 1-3 25 源内 CID 源内 CID(SID) 是一个 DC 补偿参数 (-1 ev), 通常加在源内 DC 补偿电压上 源内 DC 补偿电压由三个电压组成 : 毛细管 DC,S-lens DC 和 S-lens 的出口透镜 通过设置源内 CID 参数来应用 DC 补偿电压, 应用该电压会导致多极杆进样池内的分析物与仪器离子源区域残留的气体分子发生碰撞 全离子裂解全离子裂解 (AIF) 是裂解模式的一种, 源内产生的所有离子由质谱仪的离子光学组件引导, 在 C-trap 内累积, 然后一起送入高能裂解池进行裂解 在这种情况下, 四极杆的设置并不是选择某一特定母离子, 而是采用所有离子均通过的模式 (RF-only) 在分析完整蛋白时, 这是一种非常有用的方法, 因为不同电荷态往往有不同的裂解模式, 因此并不容易预测哪一种模式最好 数据分析采用 Thermo Scientific TM Protein Deconvolution TM 软件 2. 版对一级质谱图进行去卷积 分辨率为 175 时得到的完整抗体和完整重链质谱图, 用 ReSpect 算法去卷积 分辨率为 14 时获得的完整轻链质谱图和分辨率为 7 时得到的自上而下的谱图用 Xtract 算法去卷积 为了鉴定完整抗体和还原后的完整重链的糖型, 我们将已知各种常见糖型组合的分子量与测定分子量进行比较 SEQUEST 算法对胰蛋白酶酶切物的数据进行检索分析 数据库由三种蛋白组成 : 胰蛋白酶 轻链和重链的两个异构体 ( 在 219 位为 Ala 或者 Val) 母离子质量误差设为 1 ppm, 碎片离子的质量误差设为 2 mmu 考虑四个可变修饰 : 烷基化 ( 半胱氨酸 ) 氧化( 甲硫氨酸 ) 脱酰胺 ( 天冬酰胺, 谷氨酰胺 ) 谷氨酰胺转换为焦谷氨酸, 和 N,N- 二甲基化 ( 赖氨酸 )( 仅与胰蛋白酶自酶切产物鉴定相关 ) 结果与讨论利妥昔单抗是拮抗 CD2 蛋白的 IgG1 类单克隆抗体, 由两条轻链 (213 个氨基酸 ) 和两条重链 (451 个氨基酸 ) 组成 轻链和重链通过 12 个链内和 4 个链间的二硫键连接 ( 图 1) 在该抗体两个重链的 Asn 31 处有糖链结构 连接的糖链组成和长度是变化多端的, 从而导致该分子具有微观异质性 作为一种生物药, 保持不同糖结构的种类和相对丰度是发挥抗体疗效必不可少的 附着在抗体上的常见糖的命名如图 2 所示 采用 Thermo Scientific TM Qual Browser TM 仪器中的 Xtract 算法对自上而下的 D 和 AIF 质谱图去卷积 使用 Thermo Scientific TM ProSightPC TM 软件 3. 版本的单个蛋白质模式对碎片离子进行归属, 碎片离子质量误差设为 5ppm 采用 Thermo Scientific TM Proteome Discoverer TM 软件 1.4 版本 图 1. 人源 IgG1 属的单克隆抗体利妥昔的分子结构示意图

4 Figure 2. Nomenclature of carbohydrate structures commonly observed on antibodies 图 2. 抗体上常见的糖链结构的命名 图 3 显示的是用 25.2 mm 内径整体柱分析 2 ng 利妥昔抗体得到的一级质谱图 在 18 5 范围内采集的质谱图显示了大分子蛋白质的典型电荷分布 插图显示的是 3269 时, 放大的最大丰度电荷态 (z=+45), 其很好地描绘了完整抗体 4 个丰度最高的糖型 通过将完整一级质谱图去卷积, 获得了四个最强丰度糖型的完整质量数和一系列较低丰度糖型的质量数 ( 如图 4 所示 ) 根据蛋白序列计算得到的理论分子量并结合图 2 中各种预测糖链的结构进行峰归属 1 9 8 7 6 5 4 3 2 1 233.96 3137.16 368.5 3272.96 3347.33 3425.13 35.83 356.59 2945.77 2888.16 2832.49 zoom 3592.19 3686.6 3776.35 25 3 35 4 1 9 8 7 6 5 4 3 2 1 3269.31 3875.98 2776.1 3984.74 2632.99 428.14 3272.96 3276.58 328.12 3283.74 3266.23 329.26 326 327 328 329 图 3. 利妥昔抗体的单张全扫描质谱图 (1 个 microscan), 用 25.2 mm 内径色谱柱分析 1 ng 利妥昔抗体 插图显示的是放大的最强丰度电荷态 (z=+45), 观察到的峰型代表该分子的不同糖型

5 +2513.7 +2673.54 Man5/Man5 +274.35 146619.46 146925.66 162 Da 162 Da 162 Da 162 Da 162 Da (G1F/G2F)SA1 (G1F/G2F)SA2 (G2F/G2F)SA1 1481.563 162 Da (G2F/G2F)SA2 G1F/G2FSA1 Man5/Man5 146619.46 146925.66 G1F/G2FSA2 146541.46 GF/GF GF/G1F GF/G2F 或 (G1F) 2 G1F/G2F G2F/G2F 测量值 147,75.969 147,237.734 147,399.516 147,561.766 147,721.813 理论值 147,74.985 147,237.126 147,399.267 147,561.48 147,723.549 Δppm -6.7-4.1-1.7-2. 11.8 图 4. 利妥昔抗体去卷积的质谱图和不同糖型归属 ( 上图 ),5 个最强丰度糖型的理论质量数和测定质量数的对比 ( 表 ) 为了获得完整抗体的一级谱图, 我们对源内 CID 的设置参 数进行了优化 该参数对获得高质量的谱图至关重要 对于大多数蛋白质来说, 源内 CID 一般在 25%-9% 较为适 合, 对于这个样品来说, 最优设置为 8% SID 1 8 6 4 2.6 12.24 4.78 5.49 12.55 11.89 14.6 6.82 16.56 21.8 5 1 15 2 Time (min) 319.65 1 BPC 2979.82 SID 4% 339.78 8 6 4 2 3567.96 3656.31 2714.43 194.42 3841.98 234.46 3968.41 4224.7 4492.29 2 25 3 35 4 45 5 1 8 6 4 2 1 8 6 4 2 234.7 2784.44 2949.9 3145.74 3285.71 3526.92 455.44 2 25 3 35 4 45 5 273.67 3133.74 2945.78 3347.37 2888.2 356.68 3682.1 39.29 SID 5% SID 6% 4543.99 398.61 2496.66 4463.2 1 8 6 4 2 2457.72 2888.3 2779.8 3347.44 2678.7 356.87 3875.57 4497.14 2 25 3 35 4 45 5 SID 7% 3272.96 SID 8% 1 8 6 4 2 368.44 356.69 35.83 3681.99 2832.48 3875.75 2587.5 427.88 2 25 3 35 4 45 5 2 25 3 35 4 45 5 图 5. 在不同 SID 设置条件下,1 ng 完整利妥昔抗体的一级质谱图

6 表 4 显示的是轻链 非糖基化重链和完整抗体的计算质量数, 分别从轻链的 213 和重链的 451 位氨基酸开始逐步计算 两个蛋白序列都包含的 N- 末端谷氨酰胺应会被修饰为焦谷氨酸, 这将导致质量数丢失 17.265 Da 此外, 重链中 C- 末端赖氨酸有可能被切掉, 导致质量数丢失 128.9497 Da 在构成完整抗体时, 形成 16 个二硫键会丢 失 32 个质子 两条重链上携带的糖链导致其质量数将会增加 1217.1-2352.1 Da 两条重链上可以携带不同的糖链, 从而形成混合组成物, 例如 G1/G2F 各个糖链的化学组成和质量数列在表 5 中 用于计算表 4 和表 5 中分子量的元素的单同位素和平均原子质量列于表 6 中 表 4. 分别对带有不同修饰及不同糖型的利妥昔单克隆抗体的轻链和重链进行化学组成分析 以及单同位素分子量和平均分子量的逐步计算 图 4 图 6 和图 7 的蓝色格子显示了检测到的分子量 元素组成 碳 氢 氮 氧 硫 分子量 ( 单同位素分子量 ) 分子量 ( 平均分子量 ) 轻链, 全序列氨基酸 1-213 116 1577 273 328 6 23,42.34369 23,56.5 N-terminal pyro Glutamic acid 116 1574 272 328 6 23,25.31714 23,39.4 N-terminal pyro Glutamic acid, 2 intrachain S-S bonds 116 157 272 328 6 23,21.28584 23,35.4 2 LC (N-term. pyroglu) 232 3148 544 656 12 46,5.63428 46,78.9 2 LC (N-term. pyroglu, 2 intrachain S-S bonds each) 232 314 544 656 12 46,42.57168 46,7.8 重链, 全序列氨基酸 1-451 2197 3389 577 676 16 49,183.4813 49,214. N-terminal pyro Glutamic acid 2197 3386 576 676 16 49,166.38158 49,197. minus C-term. K (aa 1-45) 2191 3374 574 675 16 49,38.28661 49,68.8 minus 4 intrachain S-S bonds 2191 3366 574 675 16 49,3.2241 49,6.8 -GF (pyro-glu, - K, fully reduced) 2247 3466 578 714 16 5,482.8248 5,514.2 -G1F (pyro-glu, - K, fully reduced) 2253 3476 578 719 16 5,644.8733 5,676.3 -G2F (pyro-glu, - K, fully reduced) 2259 3486 578 724 16 5,86.92613 5,838.5 minus 4 intrachain S-S bonds + GF 2247 3458 578 714 16 5,474.75788 5,56.1 2 (pyroglu, - K) 4382 6748 1148 135 32 98,76.57323 98,137.7 2 (pyroglu, - K, 4 intrachain S-S bonds each) 4382 6732 1148 135 32 98,6.4483 98,121.6 Man5 (HexNAc)2 (Hex)5 46 76 2 35 1216.42286 1217.1 G (HexNAc)4 (Hex)3 5 82 4 35 1298.47596 1299.2 GF (HexNAc)4 (Hex)3 Fuc 56 92 4 39 1444.53387 1445.3 G1 (HexNAc)4 (Hex)4 56 92 4 4 146.52878 1461.3 G1F (HexNAc)4 (Hex)4 Fuc 62 12 4 44 166.58669 167.5 G2 (HexNAc)4 (Hex)5 62 12 4 45 1622.58161 1623.5 G2F (HexNAc)4 (Hex)5 Fuc 68 112 4 49 1768.63951 1769.6 G1FSA (HexNAc)4 (Hex)4 Fuc SA 73 119 5 52 1897.68211 1898.7 G1FSA2 (HexNAc)4 (Hex)4 Fuc (SA)2 84 136 6 6 2188.77752 219. G2FSA (HexNAc)4 (Hex)5 Fuc SA 79 129 5 57 259.73493 26.9 G2FSA2 (HexNAc)4 (Hex)5 Fuc (SA)2 9 146 6 65 235.8335 2352.1 Man5/Man5 (HexNAc)4 (Hex)1 92 152 4 7 2432.84572 2434.2 GF/GF (HexNAc)8 (Hex)6 (Fuc)2 112 184 8 78 2889.6774 289.7 GF/G1F (HexNAc)8 (Hex)7 (Fuc)2 118 194 8 83 351.1256 352.8 G1F/G1F (HexNAc)8 (Hex)8 (Fuc)2 124 24 8 88 3213.17338 3215. G1F/G2F (HexNAc)8 (Hex)9 (Fuc)2 13 214 8 93 3375.22621 3377.1 G2F/G2F (HexNAc)8 (Hex)1 (Fuc)2 136 224 8 98 3537.2793 3539.2 G1F/G2FSA (HexNAc)8 (Hex)9 (Fuc)2 SA 141 231 9 11 3666.32162 3668.3 G1F/G2FSA2 (HexNAc)8 (Hex)9 (Fuc)2 (SA)2 152 248 1 19 3957.4174 3959.6

7 元素组成碳氢氮氧硫分子量 ( 单同位素分子量 ) 分子量 ( 平均分子量 ) G2F/G2FSA (HexNAc)8 (Hex)1 (Fuc)2 SA 147 241 9 16 3828.37445 383.5 G2F/G2FSA2 (HexNAc)8 (Hex)1 (Fuc)2 (SA)2 158 258 1 114 4119.46986 4121.7 Sum 2 +2 x LC (4 pyroglu, -2K) 6414 9896 1692 26 44 144,127.275 144,216.6 minus 32 S-S bond protons 6414 9864 1692 26 44 144,94.9571 144,184.3 2 + 2LC - 16 S-S bonds + (Man5)2 656 116 1696 276 44 146,527.8282 146,618.5 2 + 2LC - 16 S-S bonds + (GF)2 6526 148 17 284 44 146,984.2484 147,75. 2 + 2LC - 16 S-S bonds + GF/G1F 6532 158 17 289 44 147,146.7766 147,237.1 2 + 2LC - 16 S-S bonds + GF/G2F or (G1F)2 6538 168 17 294 44 147,38.1349 147,399.3 2 + 2LC - 16 S-S bonds + G1F/G2F 6544 178 17 299 44 147,47.18331 147,561.4 2 + 2LC - 16 S-S bonds + G2F/G2F 655 188 17 214 44 147,632.23613 147,723.5 2 + 2LC - 16 S-S bonds + G1F/G2F SA 6555 195 171 217 44 147,761.27872 147,852.7 2 + 2LC - 16 S-S bonds + G1F/G2F (SA)2 6566 1112 172 2115 44 148,52.37414 148,143.9 2 + 2LC - 16 S-S bonds + G2F/G2F SA 6561 115 171 2112 44 147,923.33155 148,14.8 2 + 2LC - 16 S-S bonds + G2F/G2F (SA)2 6572 1122 172 212 44 148,214.42696 148,36.1 表 5. 单糖的化学组成和分子量 分子式 单同位素分子量 平均分子量 碳 氧 氮 氢 唾液酸 C 11 O 8 NH 17 291.9542 291.3 11 8 1 17 半乳糖 C 6 O 5 H 1 162.5282 162.1 6 5 1 N- 乙酰葡萄糖胺 C 8 O 5 NH 13 23.7937 23.2 8 5 1 13 甘露糖 C 6 O 5 H 1 162.5282 162.1 6 5 1 岩藻糖 C 6 O 4 H 1 146.5791 146.1 6 4 1 表 6. 用于计算表 4 和表 5 分子量的元素的单同位素原子量和平均原子量 单同位素质量 平均质量 碳 12. 12.174 氢 1.78253 1.794 氮 14.374 14.674 氧 15.9949146 15.9994 硫 31.97277 32.668 最初的计算是根据发表在 DrugBank 数据库 2 的序列进行的, 然而计算结果与我们实验测得的质量数并不匹配 通过将 DrugBank 中的序列与之前文献发表过的序列 3 进行比对, 发现位于重链保守区域 219 位上的一个氨基酸不同, 是丙氨酸而不是缬氨酸 使用 219 位为丙氨酸的序列的计算结果可以与完整蛋白质量数测定的结果以及先前报道的结果完全吻合 4 为了进一步确认这点, 我们进行了一系列的补充实验 将抗体还原后 ( 无烷基化 ), 采用设置不同分辨率的方法分析已分离的轻链和重链, 来观察在此分子量下能否实现同位素解析 由于轻链分子量较小, 有可能得到同位素解析谱图, 而重链无法得到, 因为重链质量是轻链 质量的两倍 若要采用不同的分辨率设置, 方法设置分为两个阶段 ( 从 -15.8 min 分辨率设为 14 K, 从 15.8-3 min 分辨率设为 17.5 K) 通过优化梯度, 实现轻链和重链的色谱峰完全分离 在这项研究中, 我们评价了两种整体柱 (PepSwift 25 mm.2 mm 内径和 ProSwift RP-1R 5 mm.1 mm 内径 ), 轻链和重链两峰分离的保留时间之差均可大于 2 min( 图 6) 分别对轻链和重链的质谱图 ( 图 6b 和 6c) 去卷积 轻链的同位素解析质谱图用 Xtract 算法去卷积, 得到了单一同位素分子量 23,25.3758 Da, 与计算分子量只差 2.5 ppm 重链用 ReSpect 算法去卷积, 产生三个峰, 每一个峰代表一种主要的糖型,GF,G1F 和 G2F( 图 7)

8 1 9 8 7 6 5 4 3 2 1 1 9 8 7 6 5 4 3 2 1 A B Light chain x5 14.57 C Heavy chain 1.7 11.15 11.44 14.18 11.98 12.63 13.17 16.1 17.38 15.18 17.93 18.45 18.98 19.45 2.21 1 11 12 13 14 15 16 17 18 19 2 Time (min) 1213.34 1536.83 192.51 1152.82 1646.32 295.17 178.49 234.66 256.31 198.2 288.87 96.89 2661.69 1 15 2 25 3 1 9 8 7 6 5 4 3 2 1 16.96 181.86 195.7 169.16 228. 1584.58 1536.59 2112.45 234.44 2414.12 15 2 25 1 8 6 4 2 228. 221.53 # 234.56 22 24 2668.24 2816.35 2982. Figure 6. Chromatogram (A) and full MS spectra of light (B) and heavy chain (C) from reduced rituximab. The insert in panel C shows a 图 6. 还原型利妥昔抗体的色谱图 (A), 轻链的一级全扫描质谱图 (B) 和重链的一级全扫描质谱图 (C) C 中的插图显示的是电荷态 z=+25 的放大图, 三个峰代表三种不同的糖型 1 9 8 2325.3758 Light Chain Monoisotopic mass 7 6 5 4 3 2 1 1 9 8 7 Light Chain Full isotopic distribution 2338.3596 GF 2.9 ppm G1F -2.1 ppm Heavy Chain Average masses G2F.9 ppm 6 5 4 3 2 1 2328.6428 2325 233 2335 234 2345 235 Figure 7. Deconvolution results of the light and heavy chain. The light chain, acquired at a resolution setting of 14, in full scan 图 7. 轻链和重链的去卷积结果 在分辨率 14, 全扫描模式下获得轻链的质谱图, 通过 Xtract 算法去卷积, 得到准确的单同位素分子量和完整的同位素分布图 ( 左图 ) 在 17,5 的分辨率下测得重链的质谱图, 通过 ReSpect 算法去卷积, 得到了平均分子量 ( 右图 ) 为了评价使用 25.2 mm PepSwift 整体柱时仪器的检测限, 采集了一系列进样量的 LC/MS 样品 将 5pg-2ng 的完整抗体从最低浓度开始注入色谱柱 ( 图 8) 在序列开始之前和各样品之间运行两针空白样品, 以排除残留的影响 通过这种方法, 我们发现完整抗体的最低检测限 是 5 pg, 在进样量为 5 pg 的时候, 仍然可以得到较好的谱图, 从谱图上可以看到完整抗体中丰度最高的糖型 需要指出的是, 最低浓度的样品必须现配, 分析前不能在自动进样器中存放数小时

9 3272.94 1 1 368.43 356.66 2 ng 2945.76 5 5 2832.52 3681.95 2584.24 398.46 4212.43 1 3133.71 3272.95 1 35.84 356.64 1 ng 5 2888.6 3681.92 5 2678.9 398.44 427.82 321.85 1 1 371.84 3425.13 5 ng 5 2888.1 3592.17 5 273.65 3776.34 491.7 4331.69 3273. 1 1 3133.89 1 ng 2949.6 3351.3 5 3592.17 5 2414.86 3776.38 491.22 3273.6 1 1 2815.4 2413.8 3425.28 5 pg 5 3682.1 5 2776.75 378.7 495.23 4339.8 2967.21 3272.94 328.13 3283.75 3272.95 328.11 3283.61 3272.94 328.14 3284.3 3273. 3276.65 328.29 3291.49 3273.6 3276.72 3275.62 328.25 图 8. 用 25 mm.2 mm PepSwift 整体柱分析完整的利妥昔抗体, 上样量为 -2 ng-5pg 一系列稀释浓度得到的一级全扫描质谱图 在 5 mm 1 mm 内径 ProSwift 整体柱上, 进样量为 3 ng 和 15 ng 的时候, 完整抗体都可以得到高质量的谱图 ( 图 9), 根据 3 ng 的上样量, 我们预测最低进样量在 5 ng-1 ng 之 间, 在此范围内仍然可以得到优质的谱图 1 321.8 1 9 8 15 ng zoom 9 8 7 325.31 7 6 5 4 3 2 1 1 9 8 7 6 3 ng 475.6 zoom 6 5 4 3 2 1 1 9 8 7 6 3198.28 328.84 3212.38 321.8 325.31 3198.28 5 4 5 4 328.84 3 3 2 1 467.37 2 3 4 5 2 1 32 3212.38 图 9. 用 5 mm 1 mm ProSwift 整体柱分析完整的利妥昔抗体, 上样量分别为 15 ng 和 3 ng 时的一级全扫描质谱图 ( 左侧 ) 和最高丰度电荷态放大图 ( 右侧 )

1 接下来, 我们试图进一步确认轻链和重链的序列, 进行了两类自上而下的实验 : 在 D 池中进行全离子裂解 (AIF), 或选择轻链和重链的 5 个电荷态进行多重 (5-plex) 目标离子二级质谱实验 所有谱图都是在分辨率为 7 下采集 目标离子谱图的采集使用基于保留时间的质量数列表, 包括先流出的轻链质荷比 ( 保留时间 13.16 min: 1536.96 1646.6 1773.3 192.7 295.4) 和后流出的重链 ( 保留时间 16-2min: 1584.6 1635.7 1684.7 1748.5 181.9 ) 在这类实验中, 内含物列表中的第一个电荷态被选择并送到 D 池中进行裂解, 子离子储存在 D 池中, 同时分离第二个电荷态送到 D 池, 裂解并贮存在该池中, 直到第 5 个电荷态被裂解 5 个单独分离和裂解步骤产生的所有离子被一起送到 Orbitrap 分析器中, 产生一个单一的碎片离子谱图 为了进一步确认序列, 采取了自下而上的方法, 将蛋白进行还原 烷基化 并用胰蛋白酶进行酶切 图 11 显示的是酶切后肽段混合物的色谱图 对数据进行数据库检索, 数据库由轻链 两个重链变异体以及胰蛋白酶四个条目组成, 结果显示轻链的序列覆盖率达 96%, 重链的序列覆盖率达 78.8%( 图 12) 两个来自轻链的 较短的 没有检测到的肽段 (LEIK 和 EAK) 只能在一级质谱图中以完整质量数的形式检测到, 而肽段 EAK 可以根据含漏切位点的肽段 EAKVQWK 所对应的准确质量数进行鉴定 综合二级谱图鉴定的肽段和完整短肽的准确质量数, 轻链的序列覆盖率是 1% 所有归为轻链的碎片离子 ( 如图 1 所示 ) 在 N- 和 C- 末端都有好的覆盖率, 在序列的中间也有一些碎片离子匹配, 最终的覆盖率为 28%, 占理论碎片的 15% 对于重链来说, 两种方法的裂解效率都不是特别好, 约产生 2 个碎片离子, 大多数都位于序列的末端 图 1. 根据通过 AIF 实验得到的碎片离子匹配利妥昔抗体轻链的序列覆盖率 鉴定到 17 个 b 离子和 5 个 y 离子, 对应 15.7% 的理论碎片离子数 (426 个理论碎片离子中鉴定到 67 个离子 )

11 1 9 8 7 6 5 4 3 2 19.88 min 66.35 (+1) 2.74 min 444-45 661.34 (+2) 138-151 17.38 min 56.31 (+1) 145-148 LC 19.4 min 523.28 (+2) 98-17 Trypsin 22.8 min 421.25 (+2) Trypsin autolysis product aa 5-99 23.1 min 581.32 (+2) 365-374 22.17 min 661.34 (+2) aa 138-151 21.29 min 938.96 (+2) 19-26 LC 23.95 min 751.88 (+2) 169-182 LC 24.36 min 539.83 (+2) aa 126-137 25.35 min 934.42 (+2) aa 421-443 27.9 min 192.52 (+2) aa 44-63 27.4 min 1273.7 (+2) 375-396 26.16 min 896.41 (+2) 24-38 28.17 min 937.94 (+2) 397-413 29.52 min 899.45 aa126-141 LC 32.51 139.97 (+4) Trypsin autolysis product aa 5-99 3.2 min 94.51 (+2) aa 36-321 33.5 min 168.8 (+4) aa 152-214 1 18 2 22 24 26 28 3 32 34 36 Time (min) Figure 11. Base peak chromatogram of a digest using trypsin on the reduced and alkylated antibody rituximab 图 11. 将利妥昔抗体还原 烷基化 胰蛋白酶切后, 酶切后肽段的基峰色谱图 Figure 12. Amino sequence of light and heavy chains from rituximab. Amino acids shown in black letters represent 图 12. 利妥昔单抗轻链和重链的氨基酸序列 黑色字母显示的氨基酸代表通过二级质谱图鉴定到的部分 绿色显示的序列是仅通过完整肽段一级全扫描数据鉴定到的 红色显示的是重链部分的两个氨基酸 (AK), 他们既不能用一级也不能用二级质谱鉴定到 对于轻链来说, 最终的序列覆盖率是 1%( 二级质谱鉴定覆盖率是 96%), 31 对于重链来说是 99.5%( 二级质谱鉴定的覆盖率是 98.8%) 重链中天冬酰胺表示糖基化位点 对于重链, 也可以根据完整肽段的准确质量数鉴定肽段 GQPR 最后, 根据二级谱图, 含糖基化位点 Asn 31 的肽段没有鉴定到其未糖基化的形式 而对其进行基于理论糖基化修饰的数据库检索则很成功 此外, 很容易在全扫描谱图中检测到糖肽, 可以看到不同的糖基化形式和不同的电荷态 由于存在特征峰, 二级谱图上也很容易看到 图 13 显示的是一个含 GF 肽的谱图举例, 显示了完整母 离子和用 D 裂解糖肽得到的典型裂解类型 : 质量数为 24 的 hexonium 离子 (HexNAc) 和质量数为 366 的离子 ( Hex-HexNAc) 以及阶梯式碎片离子 : 己糖 ( 162) N- 乙酰基氨糖 (23) 和岩藻糖 (146) 综合考虑基于所有肽段的一级全扫描和基于数据库搜索的二级质谱图, 重链的序列覆盖率达 99.5%, 只有两个氨基酸 ( 氨基酸 343-344) 没有检测到

1 9 24.868 16 14 12 1 8 6 4 2 Intact glycopeptide precursor MH 2+ /MH 3+ 1317.5272 z=2 1318.284 z=2 1318.53 z=2 1319.314 z=2 1319.5328 z=2 1318 132 1 9 878.6874 8 z=3 879.3555 7 z=3 Dppm=.47 6 Dppm=.67 5 4 3 2 1 879.214 z=3 879.6898 z=3 88.225 z=3 879 88 881 881.259 z=? GOF Application Note 591 8 HexNAc oxonium 7 6 5 4 3 2 1 Hex-HexNAc oxonium 366.14 563.3297 z=1 1392.594 z=1 1538.6495 -Fuc 1189.5182 -HexNAc z=1 -HexNAc 1595.6632 -Fuc 1919.7865 266.846 -Hex -Fuc -Hex -Hex 2 4 6 8 1 12 14 16 18 2 22 图 13. 糖肽氨基酸序列 297-35 (EEQYN*STYR, *=GF) 的二级质谱图, 其母离子是三价电荷 插图显示的是在全扫描质谱图中二价和三价母离子的同位素分布 结论在本研究中, 我们提供一种新流程, 结合快速色谱, 利用两种规格的整体柱和高分辨 Orbitrap 质谱仪, 对完整及还原利妥昔进行了分析, 采用 AIF,Multiplexed D 自上而下的裂解, 以及自下而上的分析方法进行序列验证 即使抗体的上样量低至 5 pg, 我们仍可以得到高质量的质谱图, 该数据证明了 LC-MS 仪器的高灵敏度 此外, 为了分析还原型单克隆抗体, 我们采用色谱的方法将抗体的重链和轻链分开, 设置不同的分辨率对其进行检测 通过这个流程, 我们可以测定完整抗体的分子量, 对轻链和重链的氨基酸序列进行确认和验证, 对该抗体不同糖基化形式的相对丰度进行鉴定和评价 致谢感谢 Daniel Pürstinger 在样品制备过程中给予的帮助, 感谢 Remco Swart 提供本研究当中用到的 PepSwift 和 ProSwift 整体柱 感谢奥地利联邦经济 家庭 青年部和全国研发技术部提供的财政支持 参考文献 1. Premstaller, A.; Oberacher, H. and Huber, C.G. High-Performance Liquid Chromatography- Electrospray Ionization Mass Spectrometry of Single- and Double Stranded Nucleic Acids Using Monolithic Capillary Columns. Anal. Chem. 2, 72, 4386-4393. 2. http://www.drugbank.ca/drugs/db73 3. Nebija, D.; Kopelent-Frank, H.; Urban, E.; Noe, C. R. and Lachmann, B. Comparison of two-dimensional gel electrophoresis patterns and MALDI-TOF MS analysis of therapeutic recombinant monoclonal antibodies trastuzumab and rituximab. Journal of Pharmaceutical and Biomedical Analysis, 211, 56, 684 91. 4. Kuribayashi, R.; Hashii, N.; Harazono, A. and Kawasaki, N. Rapid evaluation for heterogeneities in monoclonal antibodies by liquid chromatography/mass spectrometry with a column-switching system. Journal of Pharmaceutical and Biomedical Analysis, 212, 67-68, 1 9. 赛默飞世尔科技 ( 中国 ) 有限公司 免费服务热线 : 8 81 5118 4 65 5118 ( 支持手机用户 ) AN63918_E 11/13S