In der Arbeit mit dem Titel „Electrically driven elution in digital Protein A membrane chromatography: An alternative to traditional low-pH elution“ untersucht die Forschungsgruppe um Prof. Dr. Christian Frech vom Institut für Biochemie der Technischen Hochschule Mannheim, wie elektrische Felder zur Elution monoklonaler Antikörper in der i3 Digitalen Membranchromatographie (DMC) genutzt werden können.1
Eine Alternative zur klassischen Niedrig-pH-Elution
Protein-A-Chromatographie ist ein zentraler Schritt in der Aufreinigung monoklonaler Antikörper und Antikörper-Varianten. In konventionellen Prozessen erfolgt die Elution typischerweise mit sauren Puffern im Bereich von pH 3 bis 4. Diese Bedingungen können empfindliche Antikörper belasten und Aggregation oder andere molekulare Veränderungen.
Die veröffentlichte Studie untersucht einen alternativen Ansatz: Die elektrisch getriebene Elution mit Protein-A-Membranen. Dabei wird die Antikörperelution nicht durch einen klassischen Niedrig-pH-Elutionspuffer ausgelöst, sondern durch das Anlegen eines elektrischen Feldes. Die Ergebnisse zeigen, dass unter definierten Niedrigleitfähigkeitsbedingungen eine effiziente spannungsinduzierte Elution möglich ist. In den untersuchten Versuchen wurden Antikörperwiederfindungen von über 95 % erreicht. Die anschließende saure Kontroll-Elution zeigte nur noch geringe Restmengen an Antikörper, was darauf hinweist, dass der überwiegende Anteil bereits während der elektrischen Elution freigesetzt wurde.
Auch die Produktqualität wurde betrachtet: Mittels SEC-Analyse wurden keine Hinweise auf relevante Aggregation oder Fragmentierung der elektrisch eluierten Antikörper beobachtet. Damit liefert die Veröffentlichung erste experimentelle Evidenz dafür, dass elektrisch getriebene Protein-A-Elution eine vielversprechende und schonende Alternative zur klassischen Niedrig-pH-Elution darstellt.
Erste Einblicke in den DMC-Mechanismus
Die Arbeit liefert zudem eine mechanistische Erklärung für die beobachteten pH-Veränderungen während der elektrisch getriebenen Elution. Die Autoren führen diese pH-Verschiebungen auf elektrochemische Reaktionen an den Elektroden zurück, insbesondere auf die Sauerstoffentwicklungsreaktion an der Anode und die Wasserstoffentwicklungsreaktion an der Kathode. Dabei entstehen lokal H₃O⁺- und OH⁻-Ionen.
Obwohl am Auslass des Systems häufig ein alkalischer Bulk-pH gemessen wurde, wird angenommen, dass lokal innerhalb der Protein-A-Membran ein pH-Abfall auftreten kann. Dieser lokale Effekt könnte die Protein-A/Antikörper-Wechselwirkung lösen und dadurch die Elution ermöglichen. Damit liefert die Studie eine plausible Erklärung dafür, wie eine Protein-A-Elution ohne klassischen sauren Elutionspuffer realisiert werden kann.
Weitere Kontrollversuche stützen diese Interpretation. Die beobachteten pH-Profile traten auch ohne Antikörperbeladung sowie bei ligandfreien Membranen auf. Dies zeigt, dass die pH-Verschiebungen nicht spezifisch durch Protein A oder den Antikörper verursacht werden, sondern auf allgemeine elektrochemische Effekte innerhalb des Systems zurückzuführen sind.
Die experimentellen Daten und detaillierten Ergebnisse sind in der Originalpublikation verfügbar.
Leitfähigkeit als entscheidender Effizienzfaktor
Ein weiterer Schwerpunkt der Veröffentlichung ist der Einfluss von Pufferleitfähigkeit und Elektrolytzusammensetzung. Die Studie zeigt, dass eine effiziente Elution nicht allein von der angelegten Spannung abhängt, sondern maßgeblich von den Eigenschaften des verwendeten Puffers. Während unverdünntes PBS keine ausreichende spannungsgetriebene Elution ermöglichte, wurden unter niedrigleitfähigen Bedingungen hohe Elutionseffizienzen erreicht. Entscheidend ist dabei nicht ein spezifisches Ion wie Chlorid, sondern die Leitfähigkeit des gesamten Elektrolytsystems.
Skalierbarkeit der elektrisch getriebenen Elution
Die Studie zeigte zudem, dass sich die spannungsgetriebene Elution auf ein größeres Device-Format mit 1 mL Membranvolumen und einer Bindungskapazität von bis zu 50 mg hIgG übertragen lässt. Mit angepasster Spannung und Applikationsdauer wurde eine Elutionseffizienz von über 95 % erreicht. Durch eine gezielte Polaritätsumkehr konnten außerdem nahezu neutrale Eluatbedingungen erzielt werden, mit 8,0 mL Eluat bei pH 7,37. Damit zeigen die Ergebnisse, dass elektrisch getriebene Protein-A-Elution unter geeigneten Prozessbedingungen reproduzierbar, mechanistisch erklärbar und skalierbar ist.
Besuchen Sie unsere Produktseiten zu den i3 DMC Membranabsorbern oder zum i3 DMC Control, um weitere Informationen zu erhalten.