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Aggregation of therapeutic proteins from dilute - ETH E

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DISS. ETH NO. 23136
Aggregation of therapeutic proteins
from dilute towards concentrated
conditions
A thesis submitted to attain the degree of
DOCTOR OF SCIENCES of ETH ZURICH
(Dr. Sc. ETH Zurich)
presented by
Lucrèce Hélène NICOUD
Dipl. Ing. École Nationale Supérieure des Industries Chimiques
born on 17.09.1988
citizen of France
accepted on the recommendation of
Prof. Dr. Massimo Morbidelli, examiner
Prof. Dr. Peter Fischer, co-examiner
Dr. Edith Norrant, co-examiner
2016
Abstract
The present thesis aims at gaining fundamental knowledge on the kinetics and thermodynamics of therapeutic protein aggregation, which is an essential requirement
in the development of strategies seeking to improve the stability of biopharmaceutials. To do so, experimental characterization (mainly carried out with size
exclusion chromatography and light scattering) is combined with theoretical models based on key concepts from colloid science. The first part of the thesis deals
with protein aggregation under dilute conditions. It is shown that, under given
operating conditions, different monoclonal antibodies can follow different aggregation pathways, and that electrostatic repulsion alone cannot explain the stability
of antibody solutions. Then, the impact of operative parameters (cosolutes and
solution pH) on the protein conformational and colloidal stabilities is investigated.
Particular attention is drawn to the stabilization of antibodies by polyols, which
are commonly used as excipients in drug formulation. Importantly, it is found that
the stabilization effect does not depend only on the volume fraction occupied by
the polyol molecules, but also on the polyol chemical structure. The second part of
this thesis is dedicated to protein aggregation under concentrated conditions, that
are relevant for the long-term storage of protein-based drugs. After showing that
the rise in solution viscosity due to aggregate formation can be rationalized by
using the concept of occupied volume fraction, the effective viscosity experienced
by the aggregates of different sizes is quantified by means of Brownian dynamics
simulations and introduced in the aggregation rate constant. Finally, a correction
term accounting for thermodynamic and hydrodynamic non-idealities arising at
high protein concentration due to protein-protein interactions is proposed.
v
Résumé
L’objectif de cette thèse est d’acquérir une meilleure compréhension de la cinétique
et de la thermodynamique d’agrégation de protéines thérapeutiques dans le but
d’améliorer la stabilité de produits biopharmaceutiques. Pour ce faire, l’agrégation
est étudiée à la fois de manière expérimentale, principalement par chromatographie d’exclusion stérique et diffusion de lumière, et de manière théorique, en utilisant des concepts clés de la science des colloı̈des. La première partie de cette
thèse traite de l’agrégation de protéines en conditions diluées. Il est montré que,
dans des conditions opératoires données, différents anticorps peuvent suivre des
mécanismes d’agrégation différents, et que la répulsion électrostatique seule ne
permet pas d’expliquer la stabilité des anticorps. Ensuite, l’impact de paramètres
opérationnels (cosolutés et pH) sur les stabilités conformationnelle et colloı̈dale des
protéines est examiné. Une attention particulière est portée sur la stabilisation
d’anticorps par des polyols, couramment utilisés comme excipients. Notablement,
il est observé que l’effet de stabilisation ne dépend pas uniquement de la fraction volumique occupée par le polyol mais aussi de sa structure chimique. La
seconde partie de cette thèse est dédiée à l’agrégation de protéines en conditions
concentrées, qui sont essentielles pour la formulation de médicaments. Après avoir
montré que l’augmentation de viscosité lors de l’agrégation peut être rationalisée
par le concept de fraction volumique occupée, la viscosité effective ressentie par des
agrégats de différentes tailles est quantifiée grâce à des simulations du mouvement
Brownien, puis est introduite dans la constante de vitesse d’agrégation. Enfin, un
terme de correction lié aux non-idéalités thermodynamiques et hydrodynamiques
dues aux interactions entre protéines est proposé.
vii
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