JP2017209604A - Composite stimulation-responsive affinity controlling polymer, adsorbent, and purification method of target material - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、複合刺激応答性親和力制御型高分子、吸着材及び標的物質の精製方法に関する。 The present invention relates to a complex stimulus-responsive affinity control polymer, an adsorbent, and a method for purifying a target substance.
標的物質、特にタンパク質に代表される生体分子を溶液中から回収・精製するプロセスは、バイオプロセスの基本工程としてその重要度が増している。特に、抗体医薬の進歩に伴い、培養液から目的とする抗体を劣化させることなく高効率・低コストで回収・精製する技術が求められている。 The process of recovering and purifying target substances, particularly biomolecules typified by proteins, from solutions is becoming increasingly important as a basic step of bioprocesses. In particular, with the advancement of antibody drugs, there is a need for a technique for recovering and purifying a target antibody from a culture solution with high efficiency and low cost without degrading the antibody.
吸着材が有するリガンドと標的物質との間のアフィニティ(親和力)により、標的物質を固相に吸着させる原理に基づくアフィニティ精製は、溶液中に存在する標的物質の吸着材への吸着、非吸着成分の洗浄、溶離液による標的物質の吸着材からの脱離、の各工程からなる。このとき、溶離液としては、しばしば強酸や強塩基性の溶液が用いられる。これは、リガンドや標的物質のイオン化状態を変え、電荷反発によりリガンドと標的物質の間の相互作用を弱める必要があるためである。しかし、強酸や強塩基のような過酷なpH環境では、しばしば生体分子は不安定となり、精製された標的物質が劣化することが問題となっている。また、リガンドやカラム材の劣化の懸念もある。 Affinity purification based on the principle of adsorbing a target substance to a solid phase due to the affinity between the ligand and target substance of the adsorbent is the adsorption / non-adsorption component of the target substance present in the solution to the adsorbent. Cleaning, and desorption of the target substance from the adsorbent by the eluent. At this time, a strong acid or a basic solution is often used as the eluent. This is because it is necessary to change the ionization state of the ligand and the target substance and weaken the interaction between the ligand and the target substance by charge repulsion. However, in harsh pH environments such as strong acids and strong bases, biomolecules are often unstable and the purified target substance is problematic. There is also a concern about deterioration of the ligand and column material.
そこで、リガンドを改良し、温和なpH条件で生体分子を精製可能としたアフィニティカラム用吸着材料が開発されている。特許文献1では、遺伝子組換えにより温和な酸で応答するようにプロテインAを改変している。このように、リガンドがタンパク質である場合には、遺伝子組換え等の技術を適用することによって、応答するpH値を調整することが比較的容易である。しかしながら、温和な酸性条件であっても、標的物質が抗体である場合には抗体が少なからず会合することがある。そのため、抗体医薬の精製プロセスにおいては、精製後に会合した抗体を除去するプロセスが必要となる場合が多い。
In view of this, an adsorbent material for affinity columns has been developed that improves the ligand and makes it possible to purify biomolecules under mild pH conditions. In
さらに、タンパク質由来のリガンドに比べて、より低コストである低分子リガンドでは、標的物質と相互作用する部位が小さいため、応答するpH値の調整のために化学構造を修飾可能な部位が少なく、応答性を調整する自由度は低い(非特許文献1)。低分子リガンドとアミンを共重合させることでリガンド近傍の局所pHを摂動させる報告があるが(非特許文献2)、一般的に適用可能な手法ではない。 Furthermore, compared to protein-derived ligands, low-molecular ligands, which are lower in cost, have fewer sites that interact with the target substance, so there are fewer sites that can modify the chemical structure to adjust the responsive pH value, The degree of freedom for adjusting the responsiveness is low (Non-Patent Document 1). Although there is a report of perturbing local pH in the vicinity of a ligand by copolymerizing a low molecular ligand and an amine (Non-patent Document 2), this is not a generally applicable technique.
リガンドを、温度に応答してコンフォメーションが変化する高分子鎖に結合することで、温度に応答して標的物質との結合及び脱離を制御する技術も報告されている。本手法は、pH条件を変化させることなく、ほぼ中性のpH条件下で動作させることが可能な場合があり、標的物質の劣化リスクを回避できる可能性がある。例えば、特許文献2には温度応答性ポリアミノ酸に、非特許文献3にはマイクロ粒子表面における温度応答性高分子鎖であるポリ(N−イソプロピルアクリルアミド)(PNIPAM)に、それぞれプロテインAをリガンドとして固定化した吸着材料が開示されている。また、非特許文献3には低分子リガンドとして4−メルカプトエチルピリジンを結合させてなる吸着材料が開示されている。いずれにおいても、高分子鎖が伸長したコンフォメーションを有する低温条件では標的物質である抗体が吸着し、温度上昇によりコンフォメーションを凝集した状態に変化させることで吸着した抗体が脱離可能となることが示されている。
A technique for controlling the binding and desorption of a target substance in response to temperature by binding a ligand to a polymer chain whose conformation changes in response to temperature has also been reported. This technique may be able to be operated under an almost neutral pH condition without changing the pH condition, and may possibly avoid the risk of deterioration of the target substance. For example,
本手法は、温度変化による高分子鎖のコンフォメーションの収縮により、リガンドと抗体との立体的配置が制限される、すなわち立体障害が増加することにより、リガンドと抗体との結合が解離することを動作原理としている。すなわち、リガンドと標的物資との結合エネルギーは吸着工程、脱離工程を通して基本的に一定である。そのため、リガンドと標的物質との結合エネルギーが、温度変化に伴うコンフォメーションエネルギーの変化より大きい場合には、結合した標的物質の脱離が困難となる。一方、脱離が可能となるように標的物質との結合力が小さいリガンドを選択した場合、溶液中に存在する標的物質を十分に吸着できず、また、吸着に長時間を要するという課題を生じ、その結果、精製過程の効率が低いという問題がある。 This method shows that the conformation of the polymer chain due to temperature change restricts the steric arrangement of the ligand and the antibody, that is, increases the steric hindrance, thereby dissociating the binding between the ligand and the antibody. It is the principle of operation. That is, the binding energy between the ligand and the target material is basically constant throughout the adsorption process and the desorption process. For this reason, when the binding energy between the ligand and the target substance is larger than the change in conformational energy associated with the temperature change, it is difficult to desorb the bound target substance. On the other hand, if a ligand with a low binding force to the target substance is selected so that desorption is possible, the target substance present in the solution cannot be sufficiently adsorbed, and there is a problem that it takes a long time for the adsorption. As a result, there is a problem that the efficiency of the purification process is low.
従来の方法では、溶液中に存在する標的物質、特に医薬として有益な抗体を、標的物質にダメージを及ぼすことなく、効率良く回収・精製することができないという課題が存在する。上記したように温度応答性高分子鎖を用いる方法は、標的物質を劣化させることなく固定・精製・脱離することで精製を行うことができるが、高効率な精製に不可欠である結合力と脱離性の両立が困難である。 In the conventional method, there is a problem that a target substance existing in a solution, particularly an antibody useful as a medicine, cannot be efficiently recovered and purified without damaging the target substance. As described above, the method using a temperature-responsive polymer chain can be purified by immobilizing, purifying, and desorbing without degrading the target substance. It is difficult to achieve both detachability.
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、目的とするところは、溶液中に存在する標的物質、特に抗体を効率良く短時間で吸着するに十分な結合力を有しており、かつ、標的物質に対して温和な条件、すなわち非侵襲な刺激により、吸着した標的物質を脱離することが可能な複合刺激応答性親和力制御型高分子を提供することにある。また、その高分子を用いた吸着材、並びにその吸着材を用いて標的物質を高効率で精製する方法を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above problems, and the object is to have a binding force sufficient to efficiently adsorb a target substance, particularly an antibody, present in a solution in a short time, Another object of the present invention is to provide a complex stimulus-responsive affinity controlled polymer capable of desorbing an adsorbed target substance under mild conditions with respect to the target substance, that is, non-invasive stimulation. Another object of the present invention is to provide an adsorbent using the polymer and a method for purifying a target substance with high efficiency using the adsorbent.
本発明者らは、鋭意検討した結果、刺激に応答してコンフォメーションが変化する高分子鎖に、標的物質と会合する複数のリガンドを配置し、その複数のリガンドのうちの一種を、上記とは別の刺激により標的物質との結合力が変化するようなリガンドとしたマルチリガンド・マルチレスポンス型の複合刺激応答性親和力制御型高分子により、上記課題が解決されることを見出し、発明を完成した。 As a result of intensive studies, the present inventors have arranged a plurality of ligands that associate with a target substance on a polymer chain whose conformation changes in response to a stimulus, and one of the plurality of ligands is as described above. Discovered that the above problems could be solved by a multi-ligand, multi-response complex stimulus-responsive affinity-controlling polymer, which is a ligand whose binding force to the target substance is changed by another stimulus. did.
すなわち、本発明は、標的物質を吸着及び脱離可能な複合刺激応答性親和力制御型高分子であって、第1の刺激に応答しコンフォメーションが変化する高分子鎖と、前記高分子鎖に結合した複数種のリガンドとを有し、前記複数種のリガンドのうちの少なくとも一種が、第2の刺激により前記標的物質との結合力が変化するものであることを特徴とする。また、本発明者らは、上記の複合刺激応答性親和力制御型高分子を担体に固定化した吸着材、並びに本吸着材を充填したカラムを用いた標的物質の効率的精製工程の発明を完成するに至った。 That is, the present invention is a composite stimulus-responsive affinity control-type polymer capable of adsorbing and desorbing a target substance, a polymer chain whose conformation changes in response to a first stimulus, and the polymer chain. And at least one of the plurality of ligands has a binding force that changes with the target substance by a second stimulus. In addition, the present inventors have completed the invention of an efficient purification process of a target substance using an adsorbent in which the above-mentioned composite stimulus-responsive affinity control polymer is immobilized on a carrier, and a column packed with the adsorbent. It came to do.
本発明による複合刺激応答性親和力制御型高分子を用いることで、溶液中の標的物質を効率良く吸着・固定化することができ、また、標的物質に対して影響を及ぼさない温和な刺激により固定化した標的物質を脱離し溶出・回収することが可能となる。なお、上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。 By using the complex stimulus responsive affinity control polymer according to the present invention, the target substance in the solution can be efficiently adsorbed and immobilized, and it is fixed by a mild stimulus that does not affect the target substance. It is possible to desorb, elute and collect the target substance. Problems, configurations, and effects other than those described above will be clarified by the following description of the embodiments.
以下、本発明の実施形態について、図面等を適宜参照し説明する。以下の説明は本発明の内容の具体例を示すものであり、本発明がこれらの説明に限定されるものではなく、本明細書に開示される技術的思想の範囲内において様々な変更及び修正が可能である。本発明を説明するための全図において、同一の機能を有するものは、同一の符号を付け、その繰り返しの説明は省略する場合がある。また、以下の説明においては、標的物質として抗体を例とするが、本発明が対象とする標的物質はこれに限定されるものではない。生体分子や過酷なpH条件で不安定な分子であれば、本発明の特徴を活かすことができる。さらに、本発明の概念を明瞭にするために、以下の説明及び図面においては複合刺激応答性親和力制御型高分子として、2種類のリガンドをそれぞれ1つ高分子鎖に結合させたデュアルリガンド型を好適な例として挙げる。しかしながら、本発明による複合刺激応答性親和力制御型高分子の化学構造はこれに限定されるものではない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings as appropriate. The following description shows specific examples of the contents of the present invention, and the present invention is not limited to these descriptions. Various changes and modifications are within the scope of the technical idea disclosed in this specification. Is possible. In all the drawings for explaining the present invention, components having the same function are denoted by the same reference numerals, and repeated description thereof may be omitted. In the following description, an antibody is taken as an example of the target substance, but the target substance targeted by the present invention is not limited to this. If it is a biomolecule or a molecule that is unstable under severe pH conditions, the features of the present invention can be utilized. Further, in order to clarify the concept of the present invention, in the following description and drawings, a dual ligand type in which two kinds of ligands are bonded to a polymer chain is used as a composite stimulus-responsive affinity control type polymer. A preferred example is given below. However, the chemical structure of the composite stimulus responsive affinity control polymer according to the present invention is not limited thereto.
図1を適宜参照し、本発明の複合刺激応答性親和力制御型高分子10について説明する。図1は複合刺激応答性親和力制御型高分子10の構造を模式的に示した図である。複合刺激応答性親和力制御型高分子10は、高分子鎖11に、抗体に代表される標的物質と結合する能力を有する複数種のリガンドが結合して構成される。また、複合刺激応答性親和力制御型高分子10は担体20と結合する固定部14を有する。複合刺激応答性親和力制御型高分子10が担体20に固定化されることで全体として吸着材として機能する。
With reference to FIG. 1 as appropriate, the composite stimulus-responsive affinity controlled
本実施形態では、標的物質に対して互いに異なる結合機構を介して結合する複数種のリガンドが同一の高分子鎖11に結合してなる、すなわちマルチリガンド型であることを特徴とする。図1は、種類の異なる第1のリガンド12と第2のリガンド13がそれぞれ1つ、高分子鎖11に結合したデュアルリガンド型の複合刺激応答性親和力制御型高分子10を例示する。しかしながら、リガンド種の数、並びに高分子鎖11に結合するリガンドの個数は特に制限されるものではなく、標的物質の結合部位の種類並びに配置に対応するように適宜選択すれば良い。一般にタンパク質や抗体等のバイオ物質は、特定の化学的・立体的構造を有し、リガンドとの結合能を有する結合部位が一義的に配置されている。そのため、高分子鎖が有するリガンド種、個数、並びに配置は標的物質の結合部位とその配置に相対するように決定することが望ましい。
The present embodiment is characterized in that a plurality of types of ligands that bind to a target substance via different binding mechanisms are bonded to the
高分子鎖11は、刺激に応答してそのコンフォメーションが変化する機構を有する刺激応答性高分子鎖からなる。刺激としては、標的物質を劣化させない、もしくは標的物質に対する影響が少ない温和なものであれば特に限定されるものではなく、光、磁場、電場、超音波、温度等の物理的刺激、pH、塩濃度等の化学的刺激が好適な刺激として例示される。特に、刺激の印加が容易である点で温度変化を用いるのが望ましい。
The
以下、高分子鎖11のコンフォメーションを変化させる刺激を温度とした場合を例に説明を行うが、本発明において高分子鎖11のコンフォメーションを変化させる刺激は温度に限定されるものではない。他の刺激を適用する場合においてはその刺激に応答するよう高分子鎖11の化学構造を決定すれば同様に用いることが可能である。
Hereinafter, the case where the stimulus for changing the conformation of the
親水性の高分子は、水溶液中において水和により高分子鎖が広がったコンフォメーション、いわゆるコイル状のコンフォメーションをとる。一方、疎水性の高分子鎖は、脱水和により高分子鎖が凝集し、いわゆるグロビュール状のコンフォメーションとなる。温度応答性高分子鎖は、水系溶液中において温度の変化に応答して親・疎水性等の物理化学的特性が変化しコンフォメーション転移を引き起こす高分子である。温度応答性高分子は、その温度転移特性により低臨界溶液温度(LCST)型と高臨界溶液温度(UCST)型とに分類される。LCST型の温度特性を有する高分子は、温度がLCSTより低い温度からLCSTを通過するときに親水性コンフォメーションから疎水性コンフォメーションへと変化する。UCST型の温度特性を有する高分子は、温度がUCSTより低い温度からUCSTを通過するときに疎水性コンフォメーションから親水性コンフォメーションへと変化する。LCST及びUCSTの厳密な値は、高分子鎖及び他の適用条件(溶媒、他の溶質、等)によって決まることが知られている。本発明に用いる場合、温度応答性高分子鎖が有する特性はLCST型あるいはUCST型のどちらであっても良い。 The hydrophilic polymer has a conformation in which the polymer chain is spread by hydration in an aqueous solution, that is, a so-called coiled conformation. On the other hand, the hydrophobic polymer chain aggregates due to dehydration, resulting in a so-called globule-like conformation. The temperature-responsive polymer chain is a polymer that causes conformational transition by changing physicochemical properties such as hydrophilicity / hydrophobicity in response to a change in temperature in an aqueous solution. Temperature-responsive polymers are classified into a low critical solution temperature (LCST) type and a high critical solution temperature (UCST) type according to their temperature transition characteristics. A polymer having LCST-type temperature characteristics changes from a hydrophilic conformation to a hydrophobic conformation when passing through the LCST from a temperature lower than the LCST. A polymer having a temperature characteristic of the UCST type changes from a hydrophobic conformation to a hydrophilic conformation when the temperature passes through the UCST from a temperature lower than the UCST. The exact values of LCST and UCST are known to depend on the polymer chain and other application conditions (solvents, other solutes, etc.). When used in the present invention, the characteristics of the temperature-responsive polymer chain may be either LCST type or UCST type.
温度応答性高分子鎖としては種々の化学構造をもつものが知られているが、本発明に適用する場合、臨界溶液温度が、標的物質、すなわち抗体等の劣化が起こらない温度範囲内、すなわち非凍結温度〜50℃の範囲内にあることが望ましい。このような特性を有する温度応答性高分子鎖としては、例えば、ポリ(N−イソプロピルアクリルアミド)をはじめとするポリ(N−置換アクリルアミド)、ポリ(N−イソプロピルメタクリルアミド)をはじめとするポリ(N−置換メタクリルアミド)、ポリ(N,N−二置換アクリルアミド)、ポリ(N,N−二置換メタクリルアミド)、ポリメチルビニルエーテル、ポリ(エチレンオキシド−プロピレンオキシド)共重合体、部分けん化ポリビニルアルコールをはじめとするポリビニルアルコール誘導体、及びメチルセルロースをはじめとするセルロース誘導体等が挙げられる。特に、ポリ(N−イソプロピルアクリルアミド)(PNIPAM)は、その特性が詳しく調べられており、また臨界溶液温度が33℃であることから温度制御が容易な点において好適な高分子鎖として挙げられる。 As temperature-responsive polymer chains, those having various chemical structures are known, but when applied to the present invention, the critical solution temperature is within a temperature range in which the target substance, that is, the antibody or the like does not deteriorate, that is, It is desirable to be within the range of the non-freezing temperature to 50 ° C. Examples of the temperature-responsive polymer chain having such characteristics include poly (N-substituted acrylamide) including poly (N-isopropylacrylamide) and poly (N-isopropylmethacrylamide) and other poly (N-isopropylmethacrylamide). N-substituted methacrylamide), poly (N, N-disubstituted acrylamide), poly (N, N-disubstituted methacrylamide), polymethyl vinyl ether, poly (ethylene oxide-propylene oxide) copolymer, partially saponified polyvinyl alcohol. Examples thereof include polyvinyl alcohol derivatives including cellulose derivatives and cellulose derivatives including methyl cellulose. In particular, poly (N-isopropylacrylamide) (PNIPAM) has been studied in detail, and since the critical solution temperature is 33 ° C., it is mentioned as a suitable polymer chain in terms of easy temperature control.
次に、リガンドについて説明する。リガンドとは、標的物質が有する結合部位に特異的に吸着する化学的・物理的特性や構造を有する原子集団である。リガンドは結合部位に応じてさまざまの種類のものが存在するが、大別して、タンパク質もしくは改変タンパク質に由来するものと、化学的に合成した低分子化合物からなるものがある。タンパク質由来のリガンドは、一般的に鍵と鍵穴の関係として記述されるほど特異性が高く、標的物質と強固に結合する。一方、結合の解離はリガンドが変性するような過酷な条件下で行うことが必要な場合が多く、標的物質の劣化が懸念される。一方、低分子リガンドはタンパク質由来のリガンドと比較して特異性が劣る場合が多いが、分子設計により、マイルドな刺激により結合を解離するものを合成することができる。また、一般的に、タンパク質由来のリガンドと比較して低価格である。本発明に適用するリガンドは特に制限されるものではないが、標的物質を劣化させることなく回収できる点において、低分子リガンドを用いることが望ましい。低分子リガンドには、標的物質の結合部位に対して物理的結合に代表される非共有結合を介して結合するものと、共有結合を形成して結合するものがある。 Next, the ligand will be described. A ligand is a group of atoms having chemical / physical properties and structures that are specifically adsorbed to a binding site of a target substance. There are various types of ligands depending on the binding site, and they are roughly classified into those derived from proteins or modified proteins and those composed of chemically synthesized low-molecular compounds. Protein-derived ligands are so specific that they are generally described as a relationship between a key and a keyhole, and bind tightly to a target substance. On the other hand, the bond dissociation often needs to be performed under severe conditions such that the ligand is denatured, and there is a concern about the deterioration of the target substance. On the other hand, low molecular ligands are often less specific than protein-derived ligands, but those that dissociate binding by mild stimulation can be synthesized by molecular design. In general, it is less expensive than protein-derived ligands. The ligand applied to the present invention is not particularly limited, but it is desirable to use a low molecular weight ligand in that it can be recovered without degrading the target substance. There are two types of low-molecular ligands: one that binds to the binding site of the target substance via a non-covalent bond typified by physical binding, and one that binds by forming a covalent bond.
非共有結合を介して標的物質と結合する低分子リガンドとしては、例えば、3−チア−6−ピリジルヘキシルビニルスルホン、3−チア−6−アリールヘキシルビニルスルホン、3−オキサ−6−ピリジルヘキシルビニルスルホン、3−オキサ−6−アリールヘキシルビニルスルホン、3−アザ−6−ピリジルヘキシルビニルスルホン、3−アザ−6−アリールヘキシルビニルスルホン、ピリジルオリゴエチレングリコールビニルスルホン、アリールオリゴエチレングリコールビニルスルホン、(3−ヒドロキシフェニルエチルアミノ)(4−ヒドロキシフェニルエチルアミノ)トリアジン誘導体、(4−ヒドロキシフェニルエチルアミノ)(フェニルアミノ)トリアジン誘導体、(4−ヒドロキシ−1−ナフチルアミノ)(3−ヒドロキシフェニルアミノ)トリアジン誘導体、ミメティックレッド、ミメティックオレンジ、ミメティックイエロー、ミメティックグリーン、ミメティックブルー、TG19318、ポリペプチド類、ペプチドデンドリマー類、プロテインA部分構造、プロテインA模倣構造、プロテインG部分構造、プロテインG模倣構造、レクチン、糖誘導体等が挙げられる。 Examples of the low molecular weight ligand that binds to the target substance via a non-covalent bond include 3-thia-6-pyridylhexyl vinyl sulfone, 3-thia-6-arylhexyl vinyl sulfone, and 3-oxa-6-pyridylhexyl vinyl. Sulfone, 3-oxa-6-arylhexyl vinyl sulfone, 3-aza-6-pyridylhexyl vinyl sulfone, 3-aza-6-arylhexyl vinyl sulfone, pyridyl oligoethylene glycol vinyl sulfone, aryl oligoethylene glycol vinyl sulfone, 3-hydroxyphenylethylamino) (4-hydroxyphenylethylamino) triazine derivative, (4-hydroxyphenylethylamino) (phenylamino) triazine derivative, (4-hydroxy-1-naphthylamino) (3-hydroxy Nenylamino) triazine derivatives, mimetic red, mimetic orange, mimetic yellow, mimetic green, mimetic blue, TG19318, polypeptides, peptide dendrimers, protein A partial structure, protein A mimetic structure, protein G partial structure, Examples include protein G mimetic structures, lectins, sugar derivatives and the like.
共有結合を介して標的物質と結合する低分子リガンドとしては、アスパラギン残基上の糖鎖と共有結合するフェニルボロン酸や、ロドプシンと共有結合するレチナール等が例示される。 Examples of the low molecular weight ligand that binds to a target substance via a covalent bond include phenylboronic acid that covalently binds to a sugar chain on an asparagine residue, retinal that covalently binds to rhodopsin, and the like.
本実施形態に係る複合刺激応答性親和力制御型高分子10は、標的物質との結合機構が異なる複数種のリガンドを有することを特徴とするが、ここでは、2種のリガンドをそれぞれ1つ有するデュアルリガンド型を例として説明を続ける。高分子鎖11に結合した第1のリガンド12と第2のリガンド13は、標的物質に対して異なった結合機構で結合する能力を有するものを採用することが望ましい。一般に、タンパク質に代表される生体分子は、一義的に決まった高次構造を有し、分子内の特定の部位が特定のリガンドと特異的に結合することが知られている。標的物質が有する結合部位とリガンドとの間の結合機構は、化学的な結合である共有結合、非共有結合である物理的な水素結合、イオン結合、ファンデル・ワールス力による結合、疎水性結合等からなる。本実施形態における第1のリガンド12と標的物質間、第2のリガンド13と標的物質間のそれぞれの結合は、その主たる結合機構が異なることを特徴とする。なお、主たる結合機構の組み合わせは特に制限されないが、少なくとも一つの結合機構は共有結合を主要因とする結合であることが望ましい。これは、共有結合が非共有結合と比較して結合エネルギーが大きく、標的物質と強固に結合する能力を有するためである。
The composite stimulus-responsive
第1のリガンドもしくは第2のリガンドのうち少なくとも一方は、高分子鎖11のコンフォメーション変化を誘起する刺激とは別の種類の刺激により、標的物質との結合力が変化することを特徴とする。例えば、温度刺激によりコンフォメーション変化が誘起される温度応答性高分子を高分子鎖11として適用した場合、第1のリガンドもしくは第2のリガンドのうち少なくとも一方は、温度以外の刺激、例えば化学物質、塩濃度やpH等により標的物質との結合状態が変化するものを適用することが望ましい。このように複合刺激応答性親和力制御型高分子10を複数の刺激に応答するマルチレスポンス型とすることで、強固に結合した標的物質を、温和な刺激を複合的に作用させるにより効率的に脱離させることが可能となる。
At least one of the first ligand and the second ligand is characterized in that the binding force to the target substance is changed by a stimulus different from the stimulus that induces a conformational change of the
標的物質として免疫グロブリン(IgG)を対象とした場合を例に、リガンドと標的物質の結合部位の組み合わせについてさらに詳述する。IgGはFab部位とFc部位からなることが知られている。ここで、改変タンパクリガンドであるプロテインAは、IgGのFc部位のCH2−CH3領域に物理的相互作用による非共有結合によって結合することが知られている。そのため、プロテインAの構造を模倣したトリアジン誘導体系低分子リガンドも、この領域と非共有結合により結合する。また、IgGのCH2領域のN297サイトに存在するアスパラギン残基に結合した糖鎖は、エステル結合、すなわち化学的結合によりリガンドと結合を形成することができる。ここで、アスパラギン残基上の糖鎖と結合する好適なリガンドとしてフェニルボロン酸等のボロン酸を例示できる。フェニルボロン酸は、糖鎖とボロン酸エステル結合を形成するだけでなく、その結合は、系にジオールを有する化合物、例えばグルコース等の糖類を置換物質として添加することで解離させることができる。
The combination of the binding site of the ligand and the target substance will be described in further detail, taking as an example the case where immunoglobulin (IgG) is the target substance. IgG is known to consist of a Fab site and an Fc site. Here, it is known that protein A, which is a modified protein ligand, binds to the C H 2 -
このように、温度応答性の高分子鎖11に、第1のリガンド12としてプロテインA模倣構造を有するトリアジン誘導体系低分子リガンドを、第2のリガンド13としてアスパラギン残基に結合した糖鎖とエステル結合を形成するようなフェニルボロン酸基を結合したデュアルリガンド型の複合刺激応答性親和力制御型高分子10は、高分子鎖のコンフォメーションを変化させる温度刺激と、第2のリガンド13と標的物質であるIgGとの化学結合を切断する置換物質の添加に応答し、IgGとの結合力が変化するマルチレスポンス特性を示すことになる。
As described above, a temperature-
図1に模式的に示すように、第1のリガンド12及び第2のリガンド13は、高分子鎖11に化学結合により結合している。ここで、第1のリガンド12と第2のリガンド13は、標的物質と結合する際に、それぞれのリガンドが選択的に結合する標的物質の結合部位の配置と相対するように、複合刺激応答性親和力制御型高分子10の分子構造を設計することが望ましい。すなわち、標的物質と結合した状態において、高分子鎖11における第1のリガンド12と第2のリガンド13間の距離が、標的物質における結合部位間の距離と同等となるように、高分子鎖11の分子量や高分子鎖11に対する各リガンドの配置を調整すると良い。例えば先に示したように、第1のリガンドとしてトリアジン誘導体系低分子を、第2のリガンドとしてフェニルボロン酸基を用いた場合、それぞれのリガンドが結合するIgGの結合部位が特定される。そこで、IgGの立体構造解析データに基づき、両結合部位と両リガンドが安定的に相対して会合するように、高分子鎖11上にトリアジン誘導体系低分子とフェニルボロン酸基を配置することが望ましい。このような分子構造を採用することにより、標的物質と複合刺激応答性親和力制御型高分子10とが第1のリガンド12及び第2のリガンド13を介して結合した際の自由エネルギーが小さくなり、標的物質との強固な結合が可能となる。なお、水溶液中における高分子鎖のコンフォメーションはコイル状のコンフォメーションをとっており、リガンド間の距離は必ずしも高分子鎖が伸びた状態における値とはならない。複合刺激応答性親和力制御型高分子10の分子構造を設計する際にはこの点に留意することが必要である。
As schematically shown in FIG. 1, the
複合刺激応答性親和力制御型高分子10は、担体20に対して結合可能な固定部14を有することが望ましい。固定部14の化学構造は、担体20の材質や固定機構に応じて最適なものを適宜選択することができる。例えば、担体20がガラスに代表される無機物質の場合にはアルコキシシラン基や水酸基を、金等の金属の場合にはチオール基を用いることができる。また、担体20が有機物の場合には、化学的に活性化した担体表面と共有結合を形成する官能基を用いることができる。例えば、固定部14をアミノ基とした場合、担体表面を活性化してカルボン酸基を導入し、カルボジイミドを介して結合することが可能である。また、チオール−エン反応を用いたクリック結合等も用いることができる。なお、図1に示した複合刺激応答性親和力制御型高分子10では、固定部14が高分子鎖11の末端に存在するよう図示されているが、固定部14の位置はこれに限るものではない。固定部14が高分子鎖11の端部ではなく、中間部に存在していても良い。また、高分子鎖11にリンカや第2の高分子鎖等を介して間接的に結合した、いわゆるスター状の構造であっても何ら問題はない。この際、第2の高分子鎖は刺激応答性である必要はない。
The composite stimulus-responsive
複合刺激応答性親和力制御型高分子10は適当な重合方法により合成すれば良いが、標的物質の構造に対応するように、可能な限り主鎖の分子量分布が小さく、かつリガンドや固定部の数・配置が一義的に決まった高分子が得られる精密重合法を適用することが望ましい。精密重合によると構造が一義的に決まった機能性高分子の合成が可能であり、特にリビング重合を用いると、高分子主鎖の分子量分布が小さくできるだけではなく、幅広い機能性基の導入と機能基の位置制御までもが可能である。例えば高分子鎖11をPNIPAMとした場合、リビング重合法の一種である原子移動ラジカル重合法(Atom Transfer Radical Polymerization法)を用いることで分子量分布が非常に小さい単分散ポリマーを得ることができる。また、重合反応開始剤や反応性リビングポリマー末端等を適宜活用することでリガンドや固定部を一義的に導入することができる。なお、温度応答性高分子の場合、主鎖の分子量分布が小さくすると温度変化に伴うコンフォメーション転移がよりシャープに発現するという利点もある。このような挙動は、温度刺激により標的物質の吸脱着を行う際に、吸着と脱離の制御が明確となるため好適である。そのため、高分子鎖11の数平均分子量Mnに対する重量平均分子量Mwの比は、1.01以上1.40以下、好ましくは1.01以上1.30以下、特に1.01以上1.20以下であることが望ましい。
The composite stimulus-responsive
次に、図2を適宜参照し、複合刺激応答性親和力制御型高分子10を担体20に固定化した吸着材を用いて標的物質を捕捉、結合、脱離するプロセスについて、引き続きデュアルリガンド型の複合刺激応答性親和力制御型高分子10を適用する場合を例に説明する。以後の説明では、複合刺激応答性親和力制御型高分子10は、温度刺激に応じてコンフォメーションが変化する高分子鎖11、標的物質30(抗体)の第1の吸着部位31と物理結合する第1のリガンド12、並びに標的物質30の第2の吸着部位32と化学的共有結合により結合し置換物質43の添加により化学結合を切断可能な第2のリガンド13から構成されるものとする。なお、本実施形態は本発明における標的物質の吸脱着プロセスの特徴を明瞭にするために好適な事例として例示するものであり、本発明による複合刺激応答性親和力制御型高分子10の構成を限定するものではない。
Next, referring to FIG. 2 as appropriate, the process of capturing, binding, and desorbing the target substance using the adsorbent in which the composite stimulus responsive
まず、水系溶液中に溶解している標的物質30を、複合刺激応答性親和力制御型高分子10を用いて担体20の表面に捕捉・吸着するプロセスについて説明する。捕捉プロセスは、温度応答性を有する高分子鎖11が水和することで広がった、すなわちコイル状のコンフォメーションを有する温度条件下で実施する。例えば高分子鎖11がLCST型の相図を有する場合には、標的物質の捕捉は臨界溶液温度以下で実施する。高分子鎖11が水和し広がったコンフォメーションであるコイル状態においては、主鎖は熱揺らぎにより分子運動し、その自由度が大きい。そのため、複合刺激応答性親和力制御型高分子10が有するリガンドは、複合刺激応答性親和力制御型高分子10近傍に存在する標的物質30の吸着部位と容易に結合を形成し、もって標的物質30が担体20表面に捕捉される。なお、複合刺激応答性親和力制御型高分子10が単独で水溶液中に溶解しているバルク状態と、担体表面に固定化され水溶液接している状態では臨界溶液温度に差が生じることがある。これは担体表面近傍においては局所的にpHや塩濃度がバルクとは異なるためである。捕捉時の温度の設定にはその点に留意する必要がある。
First, a process for capturing and adsorbing the
標的物質30が複合刺激応答性親和力制御型高分子10に捕捉された状態では、標的物質30が有する第1の吸着部位31が第1のリガンド12と、第2の吸着部位32が第2のリガンド12と選択的に結合した状態にある。すなわち、標的物質30は、複合刺激応答性親和力制御型高分子10と2種類の異なった機構に由来する結合を介して捕捉されており、両者間の結合が強固であるだけでなく、単一の機構による結合と比較して周囲の環境の変化に対してより安定な捕捉が実現できる。なお、結合状態における高分子鎖11のコンフォメーションは、標的物質30との結合により束縛され、そのコンフォメーションエネルギーは、一般的に、捕捉前の状態より高くなる。より強固な結合を実現するためには結合時のコンフォメーションエネルギーをなるべく小さくすることが望ましい。そのためには、標的物質30と結合した状態で高分子鎖11がなるべくリラックスしたコンフォメーションを維持できるように第1のリガンド12と第2のリガンド13を高分子鎖11上に配置した分子設計とすることが重要である。
In a state where the
標的物質30は、系に刺激を付与することにより、リガンドと結合部位間の結合を解離させ、担体20の表面から脱離することができる。本実施形態では、この際に複数種の刺激を併用することで強固な固定を温和な刺激で解離させることを特徴とする。まず、第1の刺激は主鎖のコンフォメーションを変化させる作用を有する刺激を用いる。すなわち、高分子鎖11が温度応答性を有する場合には、第1の刺激として温度変化を作用させることが好適である。臨界溶液温度を跨いで温度を変化させると、高分子鎖11のコンフォメーションは、水和し広がったコイル状態から、脱水和し凝集したグロビュール状態に転移する。この際、第1のリガンドと第2のリガンド間に張力が作用し、各リガンドと標的物質の吸着部位との間の結合を解離するよう作用する。さらに、共有結合で強固に結合している第2のリガンドと第2の吸着部位との結合を解離する作用を有する物質を添加する。この第2の刺激による結合の切断により、高分子鎖11のコンフォメーション変化が一段と促進され、最終的に標的物質30が複合刺激応答性親和力制御型高分子10から解離することで担体20の表面から離脱する。
The
第2の刺激は系に置換物質43を添加することで付与することができる。例えば、第2のリガンドと第2の吸着部位とがエステル結合を形成するようにリガンドを設計した場合には、置換物質43の添加によるエステル交換反応を利用することができる。上述したフェニルボロン酸等のボロン酸をリガンドとして活用した場合には、ジオールを有する化学物質を置換物質43として用いると、フェニルボロン基と結合部位との結合を置換することができる。特に、ジオールを有する化学物資として糖類を用いることは、標的物質に対する影響が極小である点において優れた方法である。
The second stimulus can be applied by adding a
なお、高分子鎖11が温度応答性を有することを特徴とするものであっても、主鎖の水和状態は温度だけでなく、pHや塩濃度等にも影響を受けることがある。そのため、第1の刺激としてpHや塩濃度等、水和状態に変化を及ぼすものを用いることもできる。さらに、温度刺激を適用する場合においても、pHや塩濃度等の値を適宜調整することで、臨界溶液温度を適当な値に調整することも可能である。標的物質が安定に存在する温度範囲が限定されている場合においては、このような方法で捕捉・吸着プロセスと脱離プロセスを実施する温度を調整することが望ましい。
Even if the
本発明による複合刺激応答性親和力制御型高分子10をアフィニティークロマトグラフィーによる標的物質の精製に用いるには、図3に模式的に示すように、複合刺激応答性親和力制御型高分子10を、溶液に対して不溶な材質からなる担体20に固定化し吸着材50とすることが望ましい。担体20としては、複合刺激応答性親和力制御型高分子10を化学的に結合するよう表面を活性化できること、非特異的吸着がないこと、また、物理的・化学的に安定であることが望ましい。このような性質を有する材質としては、ポリスチレンやアガロース等の有機材料や、シリカゲル、多孔性ガラス等の無機材料が知られており、目的に応じて適宜適用すれば良い。また、担体の形状としては容器内に高密度で充填できるような形状、すなわちビーズ状であることが望ましい。さらに、標的物質との結合機会を向上させるためには、担体の表面積は大きいほど望ましい。そのためには、担体は、標的物質が侵入可能なサイズの微細孔を有する多孔質であることが望ましい。
In order to use the composite stimulus responsive
図4は、吸着材50を充填した精製カラム60を示す。精製カラム60は、容器に多数の吸着材50を充填して構成される。
FIG. 4 shows a
図5を適宜参照し、本発明に係る吸着材を充填した精製カラム60を用いて溶液中の標的物質を精製する方法について、引き続き高分子鎖11が温度応答性を有する、デュアルリガンド型の複合刺激応答性親和力制御型高分子10を適用する場合を例として、以下に説明する。本実施形態による標的物質の精製方法は、精製カラム60中の吸着材に標的物質を吸着させる工程、精製カラム内を洗浄し不純物を除去する工程、精製カラムから標的物質を複数の刺激を併用して脱離させ、回収する工程を含むことを特徴とする。
Referring to FIG. 5 as appropriate, with respect to a method for purifying a target substance in a solution using a
まず、吸着工程においては、標的物質30と不純物71とが混在した溶液70を、吸着材50を充填した精製カラム60に導入する。この際、精製カラム60内の温度は、吸着材50の表面に固定した複合刺激応答性親和力制御型高分子10が標的物質30を捕捉する温度、すなわち、高分子鎖11が水和し広がったコンフォメーションであるコイル状態となる温度に設定する。複合刺激応答性親和力制御型高分子10が有する高分子鎖11がLCST型の特性を有する場合には、臨界溶液温度以下の温度に設定すると良い。なお、臨界溶液温度は、溶液の塩濃度やpH等の化学的組成に影響を受けて変化する場合が多い。そのため、設定温度は溶液の化学組成の変化に対応できるよう、幅を持たせることが望ましい。複合刺激応答性親和力制御型高分子10は標的物質30を特異的に吸着する性質を有するため、溶液70中に混在する不純物71の多くは精製カラム60内を通過し排出される。しかしながら、一部の不純物は精製カラム内に残留する可能性がある。この現象は不純物濃度が高い場合等において特に顕著に発現する。
First, in the adsorption step, the
精製カラム60内に残留した不純物71を除去するため、吸着工程の次に、洗浄工程を実施することが望ましい。なお、精製カラム60内に残留した不純物71量が少ない場合は、本工程は省略することができる。洗浄工程では、吸着工程において標的物質30を吸着した精製カラム60内に洗浄液72を通液し、精製カラム内の空隙に残留している溶液70に含まれる不純物71や、吸着材50に非特異吸着している不純物71を洗浄除去する。洗浄液72としては、水を溶媒とした緩衝液を用いることが好ましい。しかしながら、標的物質を劣化させない溶液であれば特に制限されるものではなく、水以外の溶媒を含んでいても構わない。洗浄工程は、複合刺激応答性親和力制御型高分子10が標的物質30を捕捉維持できる温度下、すなわち高分子鎖11が水和し広がったコンフォメーションであるコイル状態となる温度下で実施する。本発明によるマルチリガンド型の複合刺激応答性親和力制御型高分子10は標的物質30と強固に結合する。そのため、精製カラム60内から不純物71を除去するのに十分な量の洗浄液72を通液した後でも標的物質30は吸着材50表面に結合した状態で維持される。
In order to remove the
脱離工程においては精製カラム60に複数の刺激を与え、精製カラム60内の吸着材50表面に結合した標的物質30を脱離・溶出させて回収する。まず、脱離工程においては、温度応答性の高分子鎖11のコンフォメーション変化を誘起する第1の刺激を付与する。すなわち系の温度を、高分子鎖11が水和し広がったコンフォメーションであるコイル状態となる温度から、高分子鎖11が脱水和することで凝集しグロビュール状態となる温度へと変化させる。高分子鎖11がLCST型の温度応答性を有する場合、吸着と洗浄工程時には臨界溶液温度以下に設定していた温度を、臨界溶液温度以上の温度に加温すれば良い。なお、高分子鎖11が温度応答性を有することを特徴とするものであっても、主鎖の水和状態は温度だけでなく、pHや塩濃度等にも影響を受けることがある。そのため、第1の刺激としてpHや塩濃度等、水和状態に変化を及ぼすものを用いることもできる。第1の刺激(温度刺激)により、第1のリガンドと第2のリガンドの2点で標的物質と結合している複合刺激応答性親和力制御型高分子10の高分子鎖11に凝集力が働き、結合点間には張力が作用する。この張力が、リガンドと吸着部位との間の結合、特に結合力が比較的小さい物理的結合を解離させるよう作用する。
In the desorption step, a plurality of stimuli are given to the
さらに、リガンドと標的物質の吸着部位との結合力を変化させる第2の刺激を付与する。例えば先に示したように、IgGを標的物質とし、第1のリガンドとしてトリアジン誘導体系低分子を、第2のリガンドとしてフェニルボロン酸基を用いた場合には、第2の刺激としてジオールを有する化合物を置換物質として含有する脱離液73を精製カラム60内に通液すれば良い。
Further, a second stimulus is applied to change the binding force between the ligand and the target substance adsorption site. For example, as described above, when IgG is a target substance, a triazine derivative low molecule is used as the first ligand, and a phenylboronic acid group is used as the second ligand, diol is included as the second stimulus. What is necessary is just to let the detachment |
以上の複合刺激により、吸着材50表面に固定されていた標的物質30を温度や化学物質等のマイルドな刺激のみで効率的に脱離液73に溶解させ回収することができる。なお、本方法において、第1の刺激と第2の刺激を付与する順番に特に制限はない。どちらかを先に付与しても良いし、両方を一度に作用させることも可能である。
By the above composite stimulation, the
吸着材50を用いた精製プロセスは、例えば低いpHで分解や凝集体生成が発生する標的物質の精製に適用することでその特徴を活かすことができる。また、脱離した標的物質が中性に近いpH領域の緩衝液に溶解した状態で得られるため、精製後の中和工程を必要としないのも利点である。なお、回収された溶液には、脱離液73に含まれる置換物質43が残存する場合があるが、置換物質43としてグルコース等の糖類を適用することで影響を軽微にできる。
The characteristics of the purification process using the adsorbent 50 can be utilized by applying it to the purification of a target substance that decomposes or generates aggregates at a low pH, for example. Further, since the desorbed target substance is obtained in a state of being dissolved in a buffer solution in a pH range close to neutrality, it is also advantageous that a neutralization step after purification is not required. In addition, although the substituted
以下、実施例を示して本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。 EXAMPLES Hereinafter, although an Example is shown and this invention is demonstrated further in detail, this invention is not limited to these Examples.
温度応答性を有する高分子鎖11としてLCST型の温度応答性を有するPNIPAMに、第1のリガンドとしてトリアジン誘導体系プロテインA模倣分子22/8(以後PAM2と称す)を1つ、第2のリガンドとしてフェニルボロン酸を1つ結合させた複合刺激応答性親和力制御型高分子10を用い、標的物質としてヒトIgG(ガンマグロブリン筋注)の精製に適用した例について、比較例とともに、以下詳述する。
PNIPAM having LCST type temperature responsiveness as
<複合刺激応答性親和力制御型高分子の合成>
図6に示すスキームにより、高分子鎖11としてLCST型の温度応答性を有するPNIPAMに、第1のリガンドとしてトリアジン誘導体系プロテインA模倣分子22/8(以後PAM2と称す)を1つ、第2のリガンドとしてフェニルボロン酸を1つ結合させた、単分散の複合刺激応答性親和力制御型高分子(図6の「Polymer5」)を合成した。また、比較対象として、同一の分子量を有するPNIPAMに、リガンドとしてPAM2のみ、もしくはフェニルボロン酸のみを有する複合刺激応答性親和力制御型高分子を合成した。
<Synthesis of complex stimulus-responsive affinity control polymer>
According to the scheme shown in FIG. 6, PNIPAM having LCST type temperature responsiveness as the
PAM2とフェニルボロン酸基をPNIPAM主鎖上に導入しつつPNIPAMを精密に合成するための分子設計を以下に示す。
・PAM2のトリアジンに結合した塩素は一級アミンと反応可能である。そこで、アミンをPNIPAMの明確な位置(末端)に配置し、PAM2を導入する。
・フェニルボロン酸は対応するビニルモノマーである4−ビニルフェニルボロン酸(BASt)が知られている。ただし、ボロン酸は重合制御に悪影響を及ぼすので、ピナコールで保護したモノマー(B(pin)St)を重合する。重合後脱保護してボロン酸に変換する。
・PNIPAMは、NIPAMの原子移動ラジカル重合(ATRP、制御ラジカル重合の一つ)で合成する。
A molecular design for precisely synthesizing PNIPAM while introducing PAM2 and a phenylboronic acid group onto the PNIPAM main chain is shown below.
-Chlorine bound to triazine of PAM2 can react with primary amines. Therefore, an amine is placed at a clear position (terminal) of PNIPAM, and PAM2 is introduced.
-As the phenylboronic acid, 4-vinylphenylboronic acid (BASt), which is a corresponding vinyl monomer, is known. However, since boronic acid adversely affects polymerization control, a monomer (B (pin) St) protected with pinacol is polymerized. After polymerization, it is deprotected and converted to boronic acid.
PNIPAM is synthesized by NIPAM atom transfer radical polymerization (ATRP, one of controlled radical polymerization).
具体的には、アミンを保護したATRP開始剤を設計し、NIPAMのATRPを行った。ある程度NIPAMの重合を行った後、その末端からB(pin)Stを(共)重合した。そのポリマーに対し、ボロン酸の脱保護、アミンの保護基の脱保護、アミンへのPAM反応を行い、PAM2を片末端、フェニルボロン酸を片末端に有するPNIPMAを得た。なお、PAM2は開始剤を通じて導入するので、開始剤効率が100%であり、導入反応が定量的であれば全てのポリマー鎖に一ユニット導入される。一方、フェニルボロン酸はモノマーで導入するので統計的に導入される。 Specifically, an ATRP initiator protected with an amine was designed and ATIP of NIPAM was performed. After NIPAM was polymerized to some extent, B (pin) St was (co) polymerized from the end. The polymer was subjected to deprotection of boronic acid, deprotection of the protecting group of amine, and PAM reaction to the amine to obtain PNIPMA having PAM2 at one end and phenylboronic acid at one end. Since PAM2 is introduced through an initiator, if the initiator efficiency is 100% and the introduction reaction is quantitative, one unit is introduced into all polymer chains. On the other hand, since phenylboronic acid is introduced as a monomer, it is statistically introduced.
ここで、ボロン酸の脱保護、アミンの保護基の脱保護、アミンへのPAM2反応を行う順番が重要となる。条件を種々検討した結果、(1)アミンの保護基の脱保護、(2)アミンへのPAM2反応、(3)ボロン酸の脱保護の順番に行うことで目的のポリマーが得られることが判明した。また、図6の合成スキームでは、Polymer5(PAM2とフェニルボロン酸を末端に有するもの)が目的の複合刺激応答性親和力制御型高分子であるが、途中で生成するPolymer1(全て保護されたもの)、Polymer3(アミンを末端に有するもの)、Polymer4(PAM2を末端に有するもの)や、Polymer2(フェニルボロン酸を末端に有するもの)を比較サンプルとして使用した。
Here, the order in which the deprotection of the boronic acid, the deprotection of the protecting group of the amine, and the PAM2 reaction to the amine are performed becomes important. As a result of various examinations of the conditions, it was found that the target polymer was obtained by performing (1) deprotection of the protecting group of amine, (2) PAM2 reaction with amine, and (3) deprotection of boronic acid. did. In the synthesis scheme of FIG. 6, Polymer 5 (PAM2 and phenylboronic acid at the terminal) is the target composite stimulus-responsive affinity controlled polymer, but
以下、各合成ステップについて詳述する。
開始剤1の合成
アルゴン雰囲気下で、tert−ブチル(2−アミノエチル)カルバメート(984μL、6.25mmol)とTHF20mlをフラスコに加え、−78℃で攪拌しながらEt3N(0.91ml、6.6mmol)を加えた。その後、2−クロロプロパノイルクロライド(0.653ml、6.6mmol)を10分ほどかけて滴下し、室温に戻して18時間攪拌した。沈殿物を濾過によって除去し、減圧留去によって溶媒をエバポレーションした。得られた白色固体をメタノール10mlで溶かし、飽和Na2CO3300mlに滴下したところ、白色沈殿が生成した。沈殿物を濾過して溶媒を除去し、得られた固体をメタノールで溶解させた。不溶物を濾過によって除去した。溶媒を除去して終夜乾燥させたところ、白色固体として、670mgの開始剤1が得られた。構造は1H NMRで帰属した。
Hereinafter, each synthesis step will be described in detail.
Synthesis of
B(pin)Stの合成
200mlフラスコに粉末状モレキュラーシーブス4Aを1g入れ、減圧しながらブラスターで加熱し、モレキュラーシーブスを活性化した。室温に戻してAr置換した後、脱気した塩化メチレン50mlを加えた。Ar雰囲気下で、BASt(3.01g、20.3mmol)とピナコール(2.53g、21.4mmol)を加え、18時間攪拌させた。沈殿物をセライト濾過で除去し、溶媒を除去したところ、無色透明の高粘度の液体として、3.7gのB(pin)Stが得られた。構造は1H NMRで帰属した。
Synthesis of B (pin) St 1 g of powdered molecular sieves 4A was placed in a 200 ml flask and heated with a blaster under reduced pressure to activate the molecular sieves. After returning to room temperature and replacing with Ar, 50 ml of degassed methylene chloride was added. Under an Ar atmosphere, BASt (3.01 g, 20.3 mmol) and pinacol (2.53 g, 21.4 mmol) were added and allowed to stir for 18 hours. When the precipitate was removed by Celite filtration and the solvent was removed, 3.7 g of B (pin) St was obtained as a colorless transparent high-viscosity liquid. The structure was assigned by 1 H NMR.
NIPAMとB(pin)Stの共重合ポリマー(Polymer1)の合成
操作はアルゴン雰囲気下で行った。シュレンク管AにNIPAM(4.500g、 4.0×10−2mol)とCuCl(39.36mg、4.0×10−4mol)をとり、撹拌子を入れた後、三方コックを装着した。ここに溶媒として2-プロパノール7.5ml、重合率を測定するための内部標準としてテトラリンを0.12ml、触媒の配位子であるMe6TREN(0.107ml、4.0×10−4mol)を加え、20分以上撹拌させて溶液を調製した。別のシュレンク管Bには開始剤1(100.3mg、4.0×10−4mol、NIPAMモノマーに対して1/100当量)をとり、撹拌子を入れて、三方コックを装着した後に溶媒の2-プロパノール3.78mlを加え、良く撹拌させて開始剤溶液を調製した。この溶液全てをシリンジでシュレンク管Aに添加し、重合溶液を調製した。この時点で、内部標準(テトラリン)に対するNIPAM量を1H NMRで評価した。
The synthetic operation of NIPAM and B (pin) St copolymer (Polymer 1) was performed in an argon atmosphere. NIPAM (4.500 g, 4.0 × 10 −2 mol) and CuCl (39.36 mg, 4.0 × 10 −4 mol) were taken into Schlenk tube A, a stir bar was added, and a three-way cock was attached. . Here, 7.5 ml of 2-propanol as a solvent, 0.12 ml of tetralin as an internal standard for measuring the polymerization rate, Me 6 TREN (0.107 ml, 4.0 × 10 −4 mol) as a catalyst ligand ) And stirred for 20 minutes or more to prepare a solution. In another Schlenk tube B, initiator 1 (100.3 mg, 4.0 × 10 −4 mol, 1/100 equivalent with respect to NIPAM monomer) was taken, a stirrer was placed, a three-way cock was attached, and a solvent was added. 2.78 ml of 2-propanol was added and stirred well to prepare an initiator solution. All of this solution was added to Schlenk tube A with a syringe to prepare a polymerization solution. At this point, the amount of NIPAM relative to the internal standard (tetralin) was evaluated by 1 H NMR.
この溶液を25℃で1時間撹拌させ、一部の重合溶液について1H NMRを測定し、テトラリンのピークを基準として残存NIPAMの量を評価した。重合前の値と比較することで、NIPAMの重合率(転化率)を算出すると43%であった。100当量の条件で重合しているので、生成高分子鎖一本あたり平均的に43ユニットのNIPAMが重合したと考えられる。 This solution was allowed to stir at 25 ° C. for 1 hour, and 1 H NMR was measured for a part of the polymerization solution, and the amount of residual NIPAM was evaluated based on the tetralin peak. By comparing with the value before polymerization, the polymerization rate (conversion rate) of NIPAM was calculated to be 43%. Since polymerization is performed under conditions of 100 equivalents, it is considered that 43 units of NIPAM are averaged per one polymer chain produced.
上の重合が1時間経過したところで、脱気したB(pin)St(461mg、2.0×10−3mol、開始剤の5当量)を添加した。B(pin)Stを添加してから1時間後、シュレンク管Bの三方コックをとり、空気に触れさせることで触媒を失活させ、重合反応を止めた。1H NMRからNIPAMとB(pin)Stの転化率を算出すると、それぞれ50%、42%であった。平均的に43ユニットのNIPAMが重合したセグメントの後に、平均的に7ユニットのNIPAMと平均的に2ユニットのB(pin)Stがランダム共重合したセグメントが結合したポリマーが生成したと考えられる。 When the above polymerization had passed for 1 hour, degassed B (pin) St (461 mg, 2.0 × 10 −3 mol, 5 equivalents of initiator) was added. One hour after the addition of B (pin) St, the three-way cock of the Schlenk tube B was taken and exposed to air to deactivate the catalyst, and the polymerization reaction was stopped. When the conversion rates of NIPAM and B (pin) St were calculated from 1 H NMR, they were 50% and 42%, respectively. It is considered that a polymer in which an average of 43 units of NIPAM was polymerized and an average of 7 units of NIPAM and an average of 2 units of B (pin) St were bonded together was formed.
生成ポリマーを精製するために、溶媒を減圧留去し、残存物をエタノールで再び溶解させた。ここに、金属吸着剤であるキョーワード2000を加えて撹拌、遠心分離することで触媒を除去した。その後、エタノールで透析することによって未反応のモノマーを除去した。透析後、溶媒を減圧留去し、1,4−ジオキサンに溶かし、凍結乾燥させた。DMFを溶離液とするGPCで生成ポリマーを解析すると、PMMA換算で、Mn=10,500、Mw=15,000、Mw/Mn=1.45のポリマーが1.30g得られた。ここで得られたポリマーをPolymer1として、以下の変換反応に供使した。
In order to purify the produced polymer, the solvent was distilled off under reduced pressure, and the residue was redissolved with ethanol. The catalyst was removed by adding
Polymer1のBoc基脱保護反応(末端のアミン保護基の脱保護)
50mlナスフラスコに撹拌子とPolymer1(200mg、2.0×10−5 mol)、CH2Cl24.2mlを加え、三方コックを装着し、良く撹拌した。フラスコを氷浴に浸し、5分ほどかけてTFA4.2mlを滴下した。その後、室温に戻して5時間撹拌した。蒸留水0.42mlを加えて、さらに24時間撹拌させた。溶媒を除去した後、析出した白色固体を再びTHFに溶かし、THFで透析した。溶媒を除去後、1,4−ジオキサンに溶かし、凍結乾燥させた。白色の固体(Polymer3)が107mg得られた。1H NMRとHPLCによって反応が進行したことを確認した。
A stirrer, Polymer 1 (200 mg, 2.0 × 10 −5 mol), and 4.2 ml of CH 2 Cl 2 were added to a 50 ml eggplant flask, and a three-way cock was attached and stirred well. The flask was immersed in an ice bath, and 4.2 ml of TFA was added dropwise over about 5 minutes. Then, it returned to room temperature and stirred for 5 hours. Distilled water (0.42 ml) was added, and the mixture was further stirred for 24 hours. After removing the solvent, the precipitated white solid was dissolved again in THF and dialyzed against THF. After removing the solvent, it was dissolved in 1,4-dioxane and lyophilized. 107 mg of a white solid (Polymer 3) was obtained. It was confirmed that the reaction proceeded by 1 H NMR and HPLC.
Polymer3の末端アミンへのPAM2導入反応
50mlの2口ナスフラスコの片方の口に三方コックを取り付け、撹拌子を入れ、Polymer3(250mg、2.5×10−5mol)、PAM2(47.5mg、1.25×10−4mol)をとり、1,4−ジオキサン8mlを加えて溶解させた。もう一方の口にも三方コックを取り付け、フラスコ内をAr雰囲気下にした。Et3N160μlを加え、100℃のオイルバスで21時間撹拌させた。放冷させた後、溶媒を除去し、析出した茶色の固体を再びエタノールで溶解させた。エタノール中で透析した。透析後、溶媒を除去し、1,4−ジオキサンに溶かし、凍結乾燥させた。薄茶色の固体(Polymer4)が220mg得られた。1H NMRとHPLCによって反応が進行したことを確認した。
PAM2 introduction reaction to terminal amine of Polymer3 A three-way cock was attached to one mouth of a 50 ml two-neck eggplant flask, a stirrer was placed, Polymer3 (250 mg, 2.5 × 10 −5 mol), PAM2 (47.5 mg, 1.25 × 10 −4 mol) and 8 ml of 1,4-dioxane was added and dissolved. A three-way cock was also attached to the other mouth, and the inside of the flask was placed in an Ar atmosphere. Et 3 N (160 μl) was added, and the mixture was stirred in an oil bath at 100 ° C. for 21 hours. After allowing to cool, the solvent was removed, and the precipitated brown solid was dissolved again with ethanol. Dialyzed in ethanol. After dialysis, the solvent was removed, dissolved in 1,4-dioxane, and lyophilized. 220 mg of a light brown solid (Polymer 4) was obtained. It was confirmed that the reaction proceeded by 1 H NMR and HPLC.
Polymer4のピナコール脱保護反応(ボロン酸部位の脱保護)
50mlナスフラスコにPolymer4(190mg、1.9×10−5mol)、NaIO4(92.0mg、4.3×10−4mol)をとり、THF8ml、H2O2.67mlを加えて30分撹拌させた。1N HClaqを0.067ml加えて、室温で17時間撹拌させた。溶媒を除去し、析出した赤色の固体を再びエタノールで溶かし、エタノールで透析した。溶媒を除去後、1,4−ジオキサンに溶かし、凍結乾燥させた。ピンク色の固体(Polymer5)が133mg得られた。
Polymer 50 (190 mg, 1.9 × 10 −5 mol) and NaIO 4 (92.0 mg, 4.3 × 10 −4 mol) were taken in a 50 ml eggplant flask, and 8 ml of THF and 2.67 ml of H 2 O were added and stirred for 30 minutes. I let you. 0.067 ml of 1N HClaq was added and allowed to stir at room temperature for 17 hours. The solvent was removed, and the precipitated red solid was dissolved again in ethanol and dialyzed against ethanol. After removing the solvent, it was dissolved in 1,4-dioxane and lyophilized. 133 mg of a pink solid (Polymer 5) was obtained.
Polymer1のピナコール脱保護反応(ボロン酸部位の脱保護)
50mlナスフラスコにPolymer1(200mg、2.0×10−5mol)、NaIO4(96.2mg、4.5×10−4mol)をとり、THF8ml、H2O2.67mlを加えて30分撹拌させた。1N HClaqを0.067ml加えて、室温で17時間撹拌させた。沈殿物を濾過で除去し、ろ液をTHF/H2O=1/1(v/v)で透析した。溶媒を除去後、1,4−ジオキサンに溶かし、凍結乾燥させると、白色の固体(Polymer2)が150mg得られた。1H NMRとHPLCによって反応の進行を確認した。
Polymer 1 (200 mg, 2.0 × 10 −5 mol) and NaIO 4 (96.2 mg, 4.5 × 10 −4 mol) were placed in a 50 ml eggplant flask, and 8 ml of THF and 2.67 ml of H 2 O were added and stirred for 30 minutes. I let you. 0.067 ml of 1N HClaq was added and allowed to stir at room temperature for 17 hours. The precipitate was removed by filtration, and the filtrate was dialyzed against THF / H 2 O = 1/1 (v / v). After removing the solvent, it was dissolved in 1,4-dioxane and freeze-dried to obtain 150 mg of a white solid (Polymer 2). Progress of the reaction was confirmed by 1 H NMR and HPLC.
以上の方法によりPNIPAMの平均的に重合度が43ユニットの一連の複合刺激応答性親和力制御型高分子、すなわち、Polymer1(リガンドをすべて保護)、Polymer2(リガンドとしてフェニルボロン酸を有す)、Polymer4(リガンドとしてPAM2を有す)及びPolymer5(リガンドとしてフェニルボロン酸とPAM2を有す)を得た。さらに、上記と同様の合成スキームに従い、PNIPAMの平均的に重合度が76ユニット並びに150ユニットの一連の複合刺激応答性親和力制御型高分子を合成した。 By the above method, a series of complex stimuli responsive affinity controlled polymers having an average degree of polymerization of 43 units of PNIPAM, namely Polymer 1 (protects all ligands), Polymer 2 (has phenylboronic acid as a ligand), Polymer 4 (With PAM2 as ligand) and Polymer5 (with phenylboronic acid and PAM2 as ligand) were obtained. Further, according to the same synthesis scheme as described above, a series of complex stimulus-responsive affinity controlled polymers having an average degree of polymerization of 76 units and 150 units of PNIPAM were synthesized.
<複合刺激応答性親和力制御型高分子のLCST評価>
合成した一連の複合刺激応答性親和力制御型高分子のLCST(下限臨界溶解温度)を調べた。溶媒は5mMのPBS水溶液(pH7.4)を用い、ポリマーを0.1wt%で溶解させてフィルターを通したものをサンプルとした。670nmの波長光にセットしたUV/Vis分光光度計を用い、1℃/分で昇温/降温して透過度を測定した。初期温度10℃ではいずれのポリマー溶液においても透過率が100〜90%の状態であったが、温度を上昇させたところ、約30℃において透過率が0%に急激に低下することが確認され、合成した一連のポリマーがLCST型の相図を有することが確認された。一般的にPNIPAMのLCSTは37℃付近であることが知られているが、今回のポリマーはいずれも30℃付近にLCSTを示した。これは、ボロン酸モノマーや開始剤等、PNIPAM主鎖に疎水性基が導入されたためと考察された。
<LCST evaluation of complex stimulus responsive affinity control polymer>
The LCST (lower critical solution temperature) of the synthesized series of complex stimulus responsive affinity controlled polymers was investigated. A 5 mM PBS aqueous solution (pH 7.4) was used as a solvent, and a polymer was dissolved at 0.1 wt% and passed through a filter. Using a UV / Vis spectrophotometer set at a wavelength of 670 nm, the transmittance was measured by raising / lowering the temperature at 1 ° C./min. At an initial temperature of 10 ° C., the transmittance was 100 to 90% in any polymer solution, but when the temperature was raised, it was confirmed that the transmittance suddenly decreased to 0% at about 30 ° C. It was confirmed that a series of synthesized polymers had an LCST type phase diagram. Generally, it is known that the LCST of PNIPAM is around 37 ° C., but all of the polymers exhibited LCST around 30 ° C. This was considered because a hydrophobic group was introduced into the PNIPAM main chain such as a boronic acid monomer and an initiator.
<SPR法によるIgGとの結合定数評価>
合成した一連の複合刺激応答性親和力制御型高分子と、金薄膜表面固定した抗体との吸着・脱離挙動を表面プラズモン共鳴法(SPR法)で解析した。SPR法では、ガラス−(金薄膜)−溶液界面におけるレーザの全反射条件下で溶液界面に生じるエバネッセント波が金薄膜表面の自由電子を強制振動させる現象を用いる。自由電子が強制振動する条件下では、自由電子の振動に要するエネルギーがエバネッセント波から吸収されるため、レーザの反射率が減少する。レーザの反射率の変化量は金薄膜表面における分子の吸着量に比例することが知られているため、レーザの反射率の変化量を測定することにより、表面に吸着した複合刺激応答性親和力制御型高分子の量を測定することができる。
<Evaluation of binding constant with IgG by SPR method>
The adsorption / desorption behavior of the synthesized series of complex stimulus-responsive affinity controlled polymers and the antibody immobilized on the gold thin film was analyzed by the surface plasmon resonance method (SPR method). The SPR method uses a phenomenon in which evanescent waves generated at the solution interface under the condition of total reflection of the laser at the glass- (gold thin film) -solution interface forcibly vibrate free electrons on the gold thin film surface. Under conditions in which free electrons vibrate, the energy required for free electron vibration is absorbed from the evanescent wave, and the reflectivity of the laser decreases. Since the amount of change in laser reflectivity is known to be proportional to the amount of molecules adsorbed on the gold thin film surface, by measuring the amount of laser reflectivity change, the composite stimulus responsive affinity control adsorbed on the surface The amount of mold polymer can be measured.
IgG固定金表面の製作
チオール分子が金薄膜表面で自己組織化する現象を用いて金薄膜表面を表面修飾した。まず、ドライエッチャーを用いて、SPR測定用の金薄膜(ガラス基板上に形成:膜厚50nm)の表面の有機物を除去した。その後、アルキル鎖末端にポリエチレングリコールを介して、水酸基もしくはカルボキシル基を有するチオール分子が溶解したエタノール溶液中に金薄膜を一晩浸し、金薄膜表面に末端が水酸基とカルボキシル基を有するアルキルチオール分子からなる混合自己組織化膜を作製した。その後、自己組織化膜をエタノール及び純水で洗浄した。自己組織化膜の表面には、抗体の非特異吸着抑制に効果のあるポリエチレングリコール鎖が露出するように設計した。また、カルボキシル基が自己組織化膜の表面に露出するよう設計し、アミド結合による抗体の固定化を可能とした。
Production of IgG-fixed gold surface The surface of the gold thin film was modified using the phenomenon that thiol molecules self-assemble on the gold thin film surface. First, the organic substance on the surface of the gold thin film for SPR measurement (formed on a glass substrate:
次に自己組織化膜の表面に以下の手順で抗体を固定化した。まず、1−エチル−3−(3−ジメチルアミノプロピル)カルボジイミド(EDC)の1wt%水溶液(pH=5.8)に自己組織化膜を浸漬し、37℃で2時間放置して自己組織化膜表面のカルボキシル基をアミノ基に対して反応活性化した。リン酸緩衝液(pH=5.8)で表面を洗浄後、抗体のリン酸緩衝溶液(0.1wt%、pH=5.8)に浸漬して37℃で2時間放置した。その後、未反応のカルボキシル基をエタノールアミンでブロッキングし、リン酸緩衝溶液(pH=5.8)で表面を洗浄して、ヒトIgGが固定化された表面を得た。 Next, the antibody was immobilized on the surface of the self-assembled film by the following procedure. First, the self-assembled film was immersed in a 1 wt% aqueous solution (pH = 5.8) of 1-ethyl-3- (3-dimethylaminopropyl) carbodiimide (EDC) and left at 37 ° C. for 2 hours to self-assemble. The carboxyl group on the surface of the membrane was activated for reaction with amino groups. The surface was washed with a phosphate buffer (pH = 5.8), immersed in a phosphate buffer solution (0.1 wt%, pH = 5.8) of the antibody, and allowed to stand at 37 ° C. for 2 hours. Thereafter, unreacted carboxyl groups were blocked with ethanolamine, and the surface was washed with a phosphate buffer solution (pH = 5.8) to obtain a surface on which human IgG was immobilized.
SPR測定
ヒトIgGを固定化した金薄膜表面に所定濃度(10〜50μM)の複合刺激応答性親和力制御型高分子溶液を連続的に作用させて複合刺激応答性親和力制御型高分子の吸着量の時間変化を測定した。所定時間(t1)経過後、複合刺激応答性親和力制御型高分子溶液の代わりに緩衝溶液を連続的に作用させて、複合刺激応答性親和力制御型高分子の脱離量の時間変化を測定した。このように測定した吸着・脱離曲線を理論解析して、複合刺激応答性親和力制御型高分子の吸着速度定数と脱離速度定数を定量した。吸着・脱離曲線の測定には、市販のSPR測定装置を用い、評価試料の溶解性が担保された温度条件、すなわちpH8.3においてLCSTより十分に低温である15℃で測定した。
SPR measurement The amount of adsorbed complex stimulus-responsive affinity-controlling polymer by continuously acting a complex stimulus-responsive affinity control-type polymer solution of a predetermined concentration (10 to 50 μM) on the surface of a gold thin film on which human IgG is immobilized. The time change was measured. After a lapse of a predetermined time (t 1 ), a buffer solution is continuously applied instead of the complex stimulus responsive affinity control polymer solution, and the temporal change in the amount of the complex stimulus responsive affinity control polymer released is measured. did. The adsorption / desorption curves thus measured were theoretically analyzed to quantify the adsorption rate constant and desorption rate constant of the complex stimulus-responsive affinity controlled polymer. For the measurement of the adsorption / desorption curve, a commercially available SPR measurement device was used, and the measurement was performed at a temperature condition where the solubility of the evaluation sample was ensured, that is, at 15 ° C., which was sufficiently lower than the LCST at pH 8.3.
リガンド(L)と抗体(A)の吸着平衡は、(1)式のように記述できる。また、抗体の吸着速度は、(2)式のように記述できる。なお、(2)式中のka、kdは、それぞれ(1)式の吸着速度定数、脱離速度定数である。 The adsorption equilibrium between the ligand (L) and the antibody (A) can be described by the formula (1). In addition, the adsorption rate of the antibody can be described as in equation (2). Note that k a and k d in the formula (2) are the adsorption rate constant and the desorption rate constant in the formula (1), respectively.
SPR測定においてレーザ入射角を一定とし、時間tにおけるレーザ反射率の変化量をR(t)、抗体全てにポリマーが吸着したときのレーザ反射率の変化量をRmaxとすると、(2)式の[LA]と[A]は、[LA]=R(t)、[A]=Rmax− R(t)と置き換えることができる((3)式)。なお、測定中に複合刺激応答性親和力制御型高分子溶液の濃度(C)は変化しないため、[L]は一定値Cである。 In SPR measurement, assuming that the laser incident angle is constant, the change amount of the laser reflectivity at time t is R (t), and the change amount of the laser reflectivity when the polymer is adsorbed to all the antibodies is R max , Equation (2) [LA] and [A] can be replaced by [LA] = R (t) and [A] = R max −R (t) (equation (3)). In addition, since the density | concentration (C) of a composite stimulus responsive affinity control type | mold polymer solution does not change during a measurement, [L] is the fixed value C.
ここで、R(0)=0であることを考慮すると、(3)式から(4)式を導くことができる。 Here, considering that R (0) = 0, equation (4) can be derived from equation (3).
一方、吸着後に緩衝溶液を作用させて、ポリマーを脱離させた際の脱離速度は(5)式のように記述できる。 On the other hand, the desorption rate when the buffer is allowed to act after the adsorption to desorb the polymer can be described as the equation (5).
時間t1秒後のレーザ反射率の変化量をR1とすると(R(t1)=R1)、(5)式から(6)式を導くことができる。 When the amount of change in laser reflectivity after time t 1 second is R 1 (R (t 1 ) = R 1 ), equation (6) can be derived from equation (5).
実験により得られたポリマーの吸着・脱離曲線を(4)式と(6)式を用いてフィッティングし、ka、kd、及びRmaxを求めた。また、kdとkaの比で表される解離定数Kd=kd/kaを算出した。Kd値は複合刺激応答性親和力制御型高分子とヒトIgGの結合能が高いほど小さくなる。このKd値を抗体吸着能の尺度とし、複合刺激応答性親和力制御型高分子とヒトIgGの結合能力を比較した。 The adsorption / desorption curve of the polymer obtained by the experiment was fitted using the equations (4) and (6), and k a , k d , and R max were obtained. Moreover, to calculate the dissociation constant K d = k d / k a, which is expressed by the ratio of k d and k a. The K d value decreases as the binding ability between the complex stimulus-responsive affinity control polymer and human IgG increases. Using this K d value as a measure of the antibody adsorption capacity, the binding ability of the complex stimuli-responsive affinity controlled polymer and human IgG was compared.
吸着挙動評価
図7に、試料としてPNIPAMの平均的に重合度が43ユニットのPolymer5(リガンドとしてフェニルボロン酸とPAM2を有す)のヒトIgG固定基板に対する吸着・脱離曲線を示す。測定は濃度Cを変化させ複数回実施し、得られた曲線を(4)式と(6)式を用いてフィッティングし会合定数Kdを決定した。また同様に、PNIPAMの平均的に重合度が43ユニットのPolymer1(リガンドをすべて保護)、Polymer2(リガンドとしてフェニルボロン酸を有す)、Polymer4(リガンドとしてPAM2を有す)についても吸着・脱離曲線から会合定数Kdを決定した。さらに、同様の方法で、76ユニット及び150ユニットの一連の複合刺激応答性親和力制御型高分子のヒトIgG固定基板に対する解離定数Kdを決定した。
Adsorption behavior evaluation FIG. 7 shows an adsorption / desorption curve of Polymer5 (having phenylboronic acid and PAM2 as ligands) having an average degree of polymerization of 43 units of PNIPAM as a sample on a human IgG fixed substrate. The measurement was carried out a plurality of times while changing the concentration C, and the obtained curve was fitted using the equations (4) and (6) to determine the association constant Kd . Similarly, adsorption and desorption of PNIPAM with an average polymerization degree of 43 units of Polymer 1 (protecting all ligands), Polymer 2 (having phenylboronic acid as a ligand), and Polymer 4 (having
図8に、PNIPAMの平均的に重合度が43ユニット、76ユニット並びに150ユニットの一連の複合刺激応答性親和力制御型高分子の、温度15℃、pH8.3の条件下におけるヒトIgG固定基板に対する解離定数Kdを示す。まず、すべての重合度において、リガンドを保護した複合刺激応答性親和力制御型高分子(Polymer1)のKdはほぼ一定で、次に述べるリガンドを有する複合刺激応答性親和力制御型高分子よりも大きな値を示した。これは、Polymer1がヒトIgGを固定化した表面に対して吸着力が非常に弱いことを示している。
FIG. 8 shows a series of complex stimulus-responsive affinity controlled polymers of PNIPAM having an average degree of polymerization of 43 units, 76 units, and 150 units on a human IgG-immobilized substrate at a temperature of 15 ° C. and a pH of 8.3. The dissociation constant Kd is shown. Large Firstly, in all polymerization degree, with a K d is substantially constant composite stimulus responsive affinity control type polymer with a protected ligand (Polymer1), than the composite stimulus responsive affinity control type polymer having a ligand to be described below The value is shown. This indicates that
次に、フェニルボロン酸もしくはPAM2をリガンドとして有する複合刺激応答性親和力制御型高分子、すなわちPolymer2及びPolymer4のヒトIgG固定化表面に対する吸着挙動について考察する。Polymer2及びPolymer4のKdはPolymer1と比較して小さな値を示し、ヒトIgG表面に対する吸着力が大きいことが判明した。これは、分子設計通りに複合刺激応答性親和力制御型高分子が有するリガンドがIgGと特異的に結合したためであると考えられる。また、フェニルボロン酸を有するPolymer2のKdは、PAM2を有するPolymer4のKdよりも小さいことが判明した。これは、フェニルボロン酸はIgGに対して化学的相互作用であるエステル結合で吸着するのに対して、PAM2は物理的相互作用で吸着するためであると考察される。
Next, the adsorption behavior of the complex stimulus-responsive affinity-controlling polymer having phenylboronic acid or PAM2 as a ligand, that is, Polymer2 and Polymer4, to the human IgG-immobilized surface will be considered. The K d of
次に、フェニルボロン酸及びPAM2両方のリガンドを有する複合刺激応答性親和力制御型高分子(Polymer5)のヒトIgG固定化表面に対する吸着挙動について考察する。まず、PNIPAMの重合度が43ユニットのPolymer5を試料として得られたKdは、PAM2のみを有するPolymer4を用いて得られたKdとほぼ同程度の値となった。また、PNIPAMの重合度が76ユニットのPolymer5を試料として得られたKdは、PAM2のみを有するPolymer4と比較してKdが顕著に減少し、フェニルボロン酸のみを有するPolymer2のKdと同程度の値となった。43ユニット及び76ユニットについては、Polymer5の明確な優位性は観測されなかったが、Polymer5のヒトIgGに対する吸着量は大きく、十分な結合力を有していることが分かった。一方、重合度が150ユニットのPolymer5では、フェニルボロン酸もしくはPAM2のみを有するPolymer2やPolymer4と比較してKdが顕著に減少した。これは、重合度が150ユニットのPolymer5はフェニルボロン酸もしくはPAM2のみを有する同重合度のPolymer2やPolymer4と比較してヒトIgGに対する吸着量が大きいことを示しており、複数種のリガンドを有する効果が明確に認められた結果である。
Next, the adsorption behavior of the complex stimulus-responsive affinity controlled polymer (Polymer 5) having both phenylboronic acid and PAM2 ligands on the surface immobilized with human IgG will be discussed. First, K d in which the degree of polymerization is obtained the Polymer5 of 43 units as a sample of PNIPAM became almost the same value as the K d obtained with Polymer4 having only PAM2. Also, K d the degree of polymerization is obtained the Polymer5 of 76 units as a sample of PNIPAM is, K d is significantly reduced as compared to Polymer4 having only PAM2, same as the K d for Polymer2 having only phenylboronic acid The value was about. For 43 units and 76 units, no clear superiority of Polymer5 was observed, but it was found that the adsorption amount of Polymer5 to human IgG was large and had sufficient binding power. On the other hand,
以上得られた結果より、フェニルボロン酸とPAM2両方のリガンドを有するPolymer5は、いずれもヒトIgGに対して十分な結合力を有することが明らかとなった。また、ヒトIgGに吸着する挙動はPNIPAMの重合度、すなわち、フェニルボロン酸基とPAM2基間の距離にも影響を受けることが判明した。フェニルボロン酸とPAM2はヒトIgGのFc部位に存在する特定の吸着部位とそれぞれ特異的に結合する。このことから、複合刺激応答性親和力制御型高分子が有するフェニルボロン酸とPAM2間にはヒトIgGの吸着部位と立体的に相対できるよう十分な距離を持って離散的に配置されることが好ましいと考えられる。重合度43ユニット並びに76ユニットのPolymer5の吸着力が同重合度のPolymer2と同等の値にとどまったのは、フェニルボロン酸とPAM2間の距離が短く、より結合力の強いフェニルボロン酸とIgG上のフェニルボロン酸吸着部位が結合した状態で、PAM2がその結合部位に届きにくい場合があるためであると考えられる。以上の結果より、複数のリガンドを、標的物質の相互作用部位と立体的に相対できるよう離散的に配置することで、標的物質に対する吸着量をより向上させることができることが示された。
From the results obtained above, it was revealed that
吸着特性に対する温度並びにグルコースの影響
ヒトIgG固定化表面に対する、フェニルボロン酸基及びPAM2両方を有する複合刺激応答性親和力制御型高分子の吸着特性の、温度変化並びにグルコース添加による影響をSPR法により評価した。SPR測定にはPNIPAMの重合度が43ユニットと150ユニットのPolymer5を用い、上記した方法と同様な手法を用いてヒトIgG固定化表面に対するPolymer5の解離定数Kdを測定した。測定は標的物質であるヒトIgGに対してよりマイルドなpH条件であるpH7.4下で実施した。図9に結果を示す。
Effect of Temperature and Glucose on Adsorption Properties Evaluation of the effect of temperature change and addition of glucose on the adsorption properties of a complex stimulus-responsive affinity control polymer having both phenylboronic acid groups and PAM2 on human IgG immobilized surface by SPR method did. For SPR measurement, Polymer5 having a polymerization degree of PNIPAM of 43 units and 150 units was used, and the dissociation constant Kd of Polymer5 on the surface immobilized with human IgG was measured using the same method as described above. The measurement was performed under pH 7.4, which is a milder pH condition with respect to the target substance, human IgG. FIG. 9 shows the result.
まず、温度の影響について調査した結果を述べる。測定は、Polymer5をpH7.4の緩衝溶液に溶解したサンプルを用いて、PNIPAMのLCST以下である20℃と、LCST以上である37℃で実施した。重合度が43ユニット、150ユニットのPolymer5とも、温度をLCST以下の20℃からLCST以上の37℃に変化させることで、解離定数Kdが約2桁増大し、ヒトIgG表面に対する吸着能が大幅に低下することが判明した。これは、LCST以上の温度ではPolymer5の疎水性が増大し高分子鎖が凝集することで、リガンドの配置や配向の自由度が減少したためであると考えられる。
First, the results of investigation on the influence of temperature will be described. The measurement was carried out at 20 ° C. below LCST of PNIPAM and 37 ° C. above LCST using a sample in which
次に、Polymer5を溶解した緩衝溶液にグルコースを濃度1.0Mで添加したサンプルを用いて、温度20℃において同様方法で測定を実施した。その結果、グルコースを添加することで、添加無のサンプルと比較して、解離定数Kdが約2桁増大し、ヒトIgG表面に対する吸着能が大幅に低下することが判明した。これは、Polymer5が有するフェニルボロン酸基とグルコースがエステル結合を形成し、ヒトIgGが有する結合部位であるアスパラギン残基上の糖鎖との結合能力が喪失したためであると考えられる。
Next, the measurement was carried out in the same manner at a temperature of 20 ° C. using a sample in which glucose was added at a concentration of 1.0 M to a buffer solution in which
以上の結果より、フェニルボロン酸基及びPAM2両方を有する複合刺激応答性親和力制御型高分子とヒトIgGとの結合は温度並びにグルコースにより制御できることが示された。 From the above results, it was shown that the binding between the complex stimuli-responsive affinity control polymer having both phenylboronic acid group and PAM2 and human IgG can be controlled by temperature and glucose.
<ビーズ状吸着材の固定>
次に、複合刺激応答性親和力制御型高分子を担体としてポリマービーズに固定し吸着材を製造した。ポリマービーズは以下の方法で製造した。
<Fixation of bead-shaped adsorbent>
Next, an adsorbent was produced by immobilizing the composite stimulus-responsive affinity control polymer on a polymer bead as a carrier. The polymer beads were produced by the following method.
複合刺激応答性親和力制御型高分子の化学構造
複合刺激応答性親和力制御型高分子の担体への固定化を実現するため、上記したSPR法による評価で性能が実証されたフェニルボロン酸並びにPAM2両方を有するPNIPAMの重合度が150ユニットのPolymer5をベースに、化学構造を一部変更した。具体的には図6に示した重合開始剤1を、ジアミン誘導体ベースのものから、アミノ基2つとカルボキシル基1つを有するリシン誘導体をベースとしたものに変更し、両アミノ基に対する保護基を使い分けることにより、1つのアミンにはPAM2を、もう一方のアミンに対しては担体への結合に用いる官能基を導入した。NIPAMの重合は上記した方法に準じてATRP法により実施し、Polymer5Aを得た。
Chemical structure of complex stimulus-responsive affinity control polymer Both phenylboronic acid and PAM2 whose performance was demonstrated by the above-mentioned evaluation by the SPR method in order to realize immobilization of the complex stimulus-responsive affinity control polymer on the carrier Based on
ビーズ表面への固定化
得られた複合刺激応答性親和力制御型高分子Polymer5Aを市販の平均粒径90μmのアガロースビーズであるセファロースビーズ表面に以下の方法で固定した。まず、pH7.4、20mMのPBS緩衝液にPolymer5Aを溶解し1wt%とした溶液(2.0mL)を、予め1mM希塩酸にて洗浄しておいたNHS−活性化セファロース4FF(1.0mL)に加え、振盪しながら室温で一晩反応させた。得られたビーズは脱イオン水にて洗浄した。Polymer5Aのビーズへの固定化量は、反応液の残渣及び洗液中の残量を逆相HPLCカラムにて分析し、未反応のPolymer5A吸着材料の量を定量することで決定した。また、レファレンスとして、NHS−活性化セファロース4FFのNHSエステルを1MのNaOH水溶液にて失活させたビーズも調製した。
Immobilization on Bead Surface The obtained composite stimulus-responsive affinity controlled polymer Polymer 5A was immobilized on the surface of Sepharose beads, which are commercially available agarose beads having an average particle diameter of 90 μm, by the following method. First, a solution (2.0 mL) in which Polymer 5A was dissolved in a pH 7.4, 20 mM PBS buffer to 1 wt% was added to NHS-activated Sepharose 4FF (1.0 mL) that had been washed with 1 mM dilute hydrochloric acid in advance. In addition, the reaction was allowed to proceed overnight at room temperature with shaking. The resulting beads were washed with deionized water. The amount of the Polymer 5A immobilized on the beads was determined by analyzing the residue of the reaction solution and the remaining amount in the washing solution using a reverse phase HPLC column and quantifying the amount of the unreacted Polymer 5A adsorbing material. As a reference, beads in which NHS ester of NHS-activated Sepharose 4FF was deactivated with 1M NaOH aqueous solution were also prepared.
<ビーズ状吸着材充填カラムへのIgGの吸着と溶出>
上記方法で製造したPolymer5Aを表面に固定化したビーズ状吸着材を1段階目流速0.2mL/分、2段階目流速1.2mL/分にてトリコーン5/50カラムに充填した。
<Adsorption and elution of IgG on bead-shaped adsorbent packed column>
The bead-shaped adsorbent on which Polymer 5A produced by the above method was immobilized was packed in a
Polymer5Aを固定化したビーズ状吸着材を充填したカラムを用い、温度20℃、pH7.4の条件において、ヒトIgGの保持時間を評価した。測定にはpH7.4、5mMのPBS緩衝液を溶出液として用い、通液は流速0.5mL/分(線流速約150cm/h、接触時間約2分)にて実施した。インジェクトするヒトIgG溶液は0.1wt%溶液、0.5mLとした。カラムより流出する溶液の吸光度を測定することで、カラムより溶出するヒトIgG量の時間変化を計測した。その結果、Polymer5Aを固定化したビーズ状吸着材はレファレンスと比較してピーク面積が小さくヒトIgG吸着能を有していることが判明した。 The retention time of human IgG was evaluated under the conditions of a temperature of 20 ° C. and a pH of 7.4 using a column packed with a bead-shaped adsorbent on which Polymer 5A was immobilized. For the measurement, pH 7.4, 5 mM PBS buffer solution was used as an eluent, and the solution was passed at a flow rate of 0.5 mL / min (linear flow rate of about 150 cm / h, contact time of about 2 minutes). The human IgG solution to be injected was 0.1 wt% solution, 0.5 mL. By measuring the absorbance of the solution flowing out from the column, the time change of the amount of human IgG eluted from the column was measured. As a result, it was found that the bead-shaped adsorbent on which Polymer5A was immobilized had a smaller peak area than that of the reference and had human IgG adsorption ability.
次に、ヒトIgGをビーズ状吸着材に吸着させたアガロースカラムに温度20℃においてpH7.4、5mMのPBS緩衝溶液を通液することでカラムを洗浄した後、温度を37℃に変化させ、濃度1.0Mとなるようにグルコースを溶解した緩衝溶液を通液した。溶出したIgG量を定量したところ、85%のヒトIgGを回収することができた。 Next, the column is washed by passing a pH 7.4, 5 mM PBS buffer solution at 20 ° C. through an agarose column in which human IgG is adsorbed on a bead-shaped adsorbent, and then the temperature is changed to 37 ° C. A buffer solution in which glucose was dissolved was passed through to a concentration of 1.0M. When the amount of eluted IgG was quantified, 85% of human IgG could be recovered.
以上の結果より、温度刺激に応答しコンフォメーションが変化するPNIPAM主鎖にPAM2とフェニルボロン酸を有する複合刺激応答性親和力制御型高分子を表面に固定化した吸着材を用いることにより、ヒトIgGに対して非侵襲である温和な温度と糖による刺激で効率良くヒトIgGを精製できることが判明した。 From the above results, by using an adsorbent in which a composite stimulus-responsive affinity-controlling polymer having PAM2 and phenylboronic acid is immobilized on the surface of a PNIPAM main chain whose conformation changes in response to temperature stimulation, human IgG is used. It was found that human IgG can be purified efficiently by mild temperature that is non-invasive and stimulation by sugar.
以上、本発明の実施の形態を詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。 The embodiment of the present invention has been described in detail above, but the specific configuration is not limited to this embodiment, and even if there is a design change or the like without departing from the gist of the present invention, It is included in the present invention.
10 複合刺激応答性親和力制御型高分子
11 高分子鎖
12 第1のリガンド
13 第2のリガンド
14 固定部
20 担体
30 標的物質
31 第1の吸着部位
32 第2の吸着部位
43 置換物質
50 吸着材
60 精製カラム
70 溶液
71 不純物
72 洗浄液
73 脱離液
DESCRIPTION OF
Claims (18)
第1の刺激に応答しコンフォメーションが変化する高分子鎖と、前記高分子鎖に結合した複数種のリガンドとを有し、
前記複数種のリガンドのうちの少なくとも一種が、第2の刺激により前記標的物質との結合力が変化する、
前記複合刺激応答性親和力制御型高分子。 A complex stimulus-responsive affinity controlled polymer capable of adsorbing and desorbing a target substance,
A polymer chain whose conformation changes in response to a first stimulus, and a plurality of types of ligands bound to the polymer chain,
At least one of the plurality of types of ligands changes the binding force with the target substance by a second stimulus,
The composite stimulus responsive affinity control polymer.
結合機構の一つが共有結合である、
請求項1に記載の複合刺激応答性親和力制御型高分子。 Multiple types of ligands bind to target substances through different binding mechanisms,
One of the coupling mechanisms is a covalent bond,
The composite stimulus-responsive affinity-controlling polymer according to claim 1.
第1の刺激を与えて高分子鎖のコンフォメーションを変化させ、第2の刺激を与えてリガンドと前記標的物質との結合力を変化させることにより前記標的物質を脱離させる脱離工程と
を有する、標的物質の精製方法。 An adsorption step of passing the solution containing the target substance and impurities through a column packed with the adsorbent according to claim 15, and binding the target substance to the adsorbent;
A desorption step of desorbing the target substance by applying a first stimulus to change the conformation of the polymer chain and applying a second stimulus to change the binding force between the ligand and the target substance; A method for purifying a target substance.
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|---|---|---|---|---|
| JP2020022941A (en) * | 2018-08-08 | 2020-02-13 | 日立化成株式会社 | Adsorbent and method for purifying target substance using the same |
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