构建“mAb物理药剂学分类系统”以指导mAb制剂的合理和高效设计

Monoclonal antibody (mAb) is the most rapidly emerging class of drug molecules. However, due to its vastly different molecular structure and dosage form compared with small molecules, as well as the absence of in-depth understanding in protein pharmaceutics field, a theoretical framework to guide the druggability assessment and rational formulation design of mAbs is not yet available. In this study, we will carry out point mutations on the CDR region of adalimumab（Humira）to produce a series of model mAbs with different protein structure and surface properties. The unfolding free energy of these mAbs (deltaG) will be determined, and the boundary of high/low mAb concentration and high/low mAb temperature will be defined based on the change of deltaG over mAb concentration and temperature (d(deltaG)/dC and d(deltaG)/dT)). By investigating the stability behaviors of different mAbs under various C/T conditions, we will identify and define “key structure factors” of mAbs and establish a “mAb physical pharmaceutics classification system”. Based on this classification, we will study the impact of various excipients on the stability of different classes of mAbs and conclude the formulation design guideline for different mAbs. The successful accomplishment of this research is expected to transfer mAb formulation design from “trial-and-error” to “rational design”, and will certainly have profound impact on mAb drug development.

单抗（mAb）是当今发展最迅速的一类药物。由于mAb和小分子在结构和制剂方式方面的巨大差异，以及mAb制剂理论研究的滞后，目前尚无理论体系可指导mAb的成药性评估和制剂设计。我们将对adalimumab（Humira）CDR区域进行定点突变，建立一系列具有不同蛋白结构和表面性质的模型mAb。我们将测定mAb的变性自由能deltaG，并根据deltaG随蛋白浓度、溶液温度的变化趋势，定义和区分不同mAb的高/低浓度和高/低温度界限。根据各mAb在不同条件下的溶液行为，我们将归纳其“关键结构因子”，并依此构建“mAb物理药剂学分类系统”。通过研究deltaG随辅料浓度的变化，及mAb的结构表征，我们将探索不同辅料对不同mAb的作用效果和机制，归纳mAb的制剂设计指导原则。成功实施这一研究将实现mAb的制剂研究从“筛选试错”向“合理设计”的转变，对mAb药物的开发无疑将产生深远影响。

单抗（mAb）是当今发展最为迅速的一类药物之一，但其结构和溶液系统较小分子均更为复杂，相关研究也相对滞后，因此提出针对其制剂高效高质的开发理论和指导体系显得尤为重要。本研究工作主要集中于从物理化学、胶体科学层面深度探究及解读影响蛋白溶液的关键结构因子和关键溶液理化因素对蛋白构象和胶体稳定性的影响，并揭示蛋白的聚集动力学过程及聚集机理，并探究蛋白-蛋白相互作用，蛋白-辅料相互作用的模式，从分子层面上揭示影响蛋白制剂稳定性的根本原因，为开发增强蛋白制剂稳定性的新型辅料，或为制药领域中蛋白制剂的开发提供科学的理论指导及策略。..研究表明模型抗体（JM2）溶液于一定的溶液环境中其蛋白聚集呈现一定规律，即蛋白单体首先聚集成核，然后核不断长大并形成高浓度的蛋白液滴，最后蛋白液滴发生沉降形成明显的相分离分层现象；其蛋白的“成核”及“生长”阶段，均符合一级的动力学过程；本研究从蛋白的聚集动力学过程中，抽提了关键的动力学的可定量参数，如成核速率(Knucleation)，生长速率(Kgrowth)以及核生长起始时间(tonset)，该定量参数可用于评估溶液中蛋白聚集快慢及制剂条件的优劣。另外，我们还揭示了在抗体溶液中引入小分子ATP对蛋白溶液胶体稳定性的影响；研究表明，ATP通过静电相互作用与mAb形成ATP-mAb复合物，改变了蛋白分子表面的电荷和疏水区域的分布变化，使得蛋白-蛋白间的相互增强从而诱发蛋白溶液胶体行为的变化；该研究表明液-液相分离（LLPS）的发生有可能通过一定方法得到预期的调控，将这种原本不期望发生的蛋白不稳定现象得以利用，比如通过诱导LLPS发生，产生局部高浓度的蛋白溶液，或者制备蛋白-蛋白间高强度相互作用的溶液体系，用于局部给药的蛋白制剂的开发。..此外，高浓度抗体溶液往往会呈现更为复杂的胶体特性，这严重限制了其临床应用。本研究从改变制剂形式的角度出发，探索了抗体混悬液作为开发高浓度制剂的可能性。我们发现，相较于相同浓度抗体溶液，混悬液可以显著降低制剂黏度。与此同时，抗体在经历一系列工艺过程后仍保持着较好的稳定性。