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噴霧干燥 & 冷凍干燥技術

制備白細胞介素粉體研究

趨化因子是一種小的(8-12 kDa)細胞因子，參與許多病理過程，因此是重要的靶點。它們通常由不同類型的細胞(如白細胞)分泌，并通過與同源 G 蛋白偶聯受體的細胞表面結合來介導生物學效應。趨化因子配體和受體有 50 多種，根據其初級氨基酸序列的半胱氨酸殘基排列進行分類和命名。

趨化因子可用于(慢性)炎癥性疾病、癌癥和感染性疾病的治療應用。目前，市場上有兩種基于白介素的產品，即重組白介素-11預白介素(Neumega?)和重組人白細胞介素-2醛白介素(Proleukin?)。Neumega? 是一種由大腸桿菌重組 DNA 技術產生的血小板生成生長因子，可靜脈給藥。皮下應用的 Proleukin? 是一種淋巴因子，也是通過轉基因大腸桿菌的重組 DNA 技術產生的。為了增加儲存的穩定性、保持藥物的生物活性，Neumega? 和 Proleukin? 都采用冷凍干燥的工藝，制成凍干粉制劑使用。

雖然冷凍干燥（FD）是一種廣泛使用的技術，具有多種優點，可以快速、溫和干燥，但噴霧干燥(SD)可以縮短工藝周期，并可以在常壓下進行加熱處理。同時，顆粒的性質，如粒徑、固體狀態和殘余水含量可以通過參數進行調節。這里必須指出的是，蛋白質的變性或/和展開也可能發生在 SD 過程中，SD 過程的放大是復雜和高成本的。SD 的另一個重要挑戰是粉體回收率低于 100%，這對于高成本療法和工藝開發來說是一個問題，特別是放大到最終設備上。

對于白細胞介素，已經有了一些成功的冷凍干燥研究案例。然而，據我們所知，SD 作為一種替代方法尚未被研究過。這項工作的目的是開發一種 SD 工藝，使模型白介素以一種保留白介素結合親和力和生物活性的方式干燥。為此，我們使用了模型白細胞介素，探索噴霧干燥工藝的潛在可行性，并對比分析冷凍干燥和噴霧干燥工藝對白細胞介素活性影響。

1 材料

• 在磷酸鹽緩沖鹽水中提供野生型CXCL8（CXCL8，72個氨基酸，8.4kDa）、CXCL8的突變體（dnCXCL8，66個氨基酸，7.7kDa）等各種試劑。

• 將蛋白質溶液用PBS稀釋至最終蛋白質濃度為1mg/ml，即1% w/w。

• 冷凍干燥機

• 噴霧干燥儀：BUCHI B-90 HP

▲ BUCHI B-90 HP

2 實驗過程

配方溶液分別采用如下凍干程序（表1）和噴干程序（表2）進行樣品制備。干燥后的樣品在 4-8℃ 的氬氣干燥器中保存 12 周。并進行粉體的物性表征。

表1，適用于所有配方中 FD 程序。箭頭表示間隔內的壓力或溫度增減。

表2，SD 工藝參數及由此產生的過程變量。通過使用純緩沖液進行測量來確定以 ml/min 為單位的噴射速率。實驗過程中噴嘴溫度升高，噴嘴溫度是在 SD 過程結束時觀察到的溫度 。

3 實驗結果

1、 通過激光衍射分析測定粒徑

SD 蛋白粉通過 HELOS 系統的激光衍射分析進行篩選。在 SD 后和第4周、第8周和第12周將粉末直接濕分散在甲苯中進行分析。通過對同一批次 SD 粉的三個樣品進行測量，確定了 PSD 分析的標準誤差。不分析 FD 粉末的粒度，因為凍干物通常是最終的藥物劑型，沒有對餅狀進行研磨或破碎，只分析了 SD 粉。

圖1 通過激光衍射分析測定粉體粒徑，在 10 次超聲脈沖后進行測量，SD 粉末的 PSD 隨儲存時間的變化不大。除了在第0周分析的 SD dnCXCL8 噴霧粉末和在第8周分析的 SD HSA-dnCXCL8 外，所有干粉的跨度都小于 2.8。在測量這兩個 PSD 時，一些較大的團塊將分布分別向 517μm 和 129μm 的 x90 方向移動(圖1b、圖1c)，導致 PSD 變寬。

2、 圓二色光譜測定結構

利用圓二色譜(CD)對 SD 和 FD 后的蛋白質二級結構的變化進行評價，并將其與未處理蛋白質的光譜進行比較。CD 光譜在設備上記錄，波長為 190-250nm，使用 1mm 石英比色皿，響應時間 4s。5 次掃描取平均值，并用 PBS 校正背景，計算平均殘基橢圓率，并繪制不同曲線。

由 圖4 顯示，經過 SD 和 FD 后的 CD 光譜顯示只有輕微的結構變化。液體白細胞介素制劑在 90℃ 溫度下熱處理5分鐘，SD 溫度在 60℃ 溫度下熱處理 5 分鐘，會產生輕微的沉淀，但結構保持完整 (圖4A)。dnCXCL8 也出現類似的結果。SD 和 FD 均未引起二級結構的改變。即使加熱蛋白質也未引起二級結構的變化(圖4B)。雖然 HSA-dnCXCL8 具有更明確的α-螺旋結構，但 SD 和 FD 后沒有變化。在 90℃ 熱處理 5min 后二級結構發生了完全損失 (圖4C)。

3、 離液展開測定穩定性

采用熒光光譜檢測gdmhcl在0-6M范圍內誘導展開，并在SD和FD后和儲存3個月后測定蛋白質穩定性。將樣品稀釋至0.7μM，并在室溫下平衡5min。CXCL8 和dnCXCL8 的激發波長為 280nm, HSA-dnCXCL8 的激發波長為 290nm。在 300-400nm 范圍內測量所有3種蛋白的發射光譜，并將狹縫寬度設置為 5nm。蛋白質展開的特征是波長移位，并使用 Origin 2019b 的玻爾茲曼進行計算得到如下圖譜。

圖5 顯示，展開的過渡中點和 CXCL8 的相對協同性在很大程度上沒有變化。對于 dnCXCL8，無法建立明確的過渡點。對于 FD HSA-dnCXCL8 也觀察到了同樣的情況。對于參考光譜和 FD 光譜（HSA-dnCXCL8 除外），顯示了標準偏差，如圖中的誤差條所示。

4、 趨化性測試：博伊登室測定

為了檢測 SD 和 FD 后以及儲存三個月后的白細胞介素的活性，進行了趨化試驗測定中性粒細胞的活化和遷移，預計 CXCL8 具有促遷移作用，而 dnCXCL8 和HSA-dnCXCL8 不應表現出任何中性粒細胞遷移激活。使用 NIS-Elements BR 3.2 軟件進行細胞計數，計算每種情況下的平均值和標準偏差。

上圖顯示儲存 12 周后 SD CXCL8 的 CI 較對照顯著增加 (圖6a, p = 0.05)。SD 和 FD CXCL8 在中性粒細胞活化和遷移方面沒有變化。對于 dnCXCL8, SD 和 FD 樣本的 CI 與各自的參考 CI 相當。HSA-dnCXCL8 在 SD 后 (即W0) 的 CI 顯著增加 (圖6c, p = 0.04)。

4 結論

本研究針對磷酸鹽緩沖鹽水配制的白細胞介素（未添加額外添加劑）采用 SD 和 FD 兩種干燥方式分別進行深入評估。用純緩沖液進行的 DoE 確定了一種最佳的 SD 工藝，在 60℃ 的干燥空氣溫度、100 L/min 的空氣流速和 30% 的噴霧速率下具有較高產率，這表明即使是熱不穩定的蛋白質也可以噴霧干燥。此外，SD 工藝比 FD 更快、更有效，理論上導致每分鐘產量比 FD 高 130 倍（甚至考慮到 SD 的產量僅 63% 和 77% 之間）。FD 粉末呈現餅狀結構，而 SD 粉末的粒度為 X50<20μm。這為粒子工程提供了定義粒子特性的可能性，允許更廣泛的應用。RM 是可比較的，同樣二級結構沒有改變，結合親和力和活性保持至少 12 周，這些結果表明白細胞介素的 SD 是可行的。未來，將繼續優化本研究中的工藝參數，并將其轉移到具有工業型臺式噴霧干燥器中，以更大規模地系統考察粉體產量和工藝時間，從而對 SD 進行全面評估，作為 FD 的替代方案，實現經濟快捷高效的生產！

5 文獻來源

Comparing freeze drying and spray drying of interleukins using model protein CXCL8 and its variants