Введение в высокопроизводительные ионообменные хроматографические среды

Ионообменная хроматография, как наиболее классический метод разделения в области разделения и очистки биомакромолекул, в настоящее время занимает значительную долю рынка. Основной механизм разделения белков с помощью ионообменной хроматографии заключается в том, что белки разделяются посредством взаимодействия их зарядов с суммарным зарядом на поверхности носителя.

В последние годы биофармацевтическая промышленность стремительно развивается, что обуславливает высокий спрос на производство лекарственных препаратов. Это обуславливает необходимость в средах для очистки с высокой динамической связывающей способностью для производства высокочистых лекарственных препаратов, отвечающих требованиям рынка. Поэтому конечной целью исследований в области ионообменной хроматографии является разработка ионообменных хроматографических сред с высокой динамической связывающей способностью и селективностью. Крупнейшие мировые производители ионообменных хроматографических сред сосредоточены в первую очередь на разработке новых высокоёмкостных ионообменных хроматографических сред.

Факторы, влияющие на динамическую связывающую способность ионообменной хроматографии

На динамическую связывающую способность ионообменной хроматографии влияет множество факторов. Помимо pH подвижной фазы, ионной силы и скорости потока, к ним относятся плотность лигандов в среде, длина спейсерных групп между лигандами и базовой матрицей, а также способ соединения. При разделении и очистке биомакромолекул доступность поверхностных зарядов этих крупных молекул ограничена из-за их большого объема. Поэтому более длинные спейсерные группы более предпочтительны, поскольку они усиливают взаимодействие между ионными функциональными группами на поверхности среды и заряженными функциональными группами биомакромолекул.

В традиционных хроматографических средах используются линейные спейсеры. Эти линейные спейсеры могут запутываться в биомакромолекулах во время разделения, что приводит к низкой эффективности колонки. Дендритные макромолекулы с их идеальной трёхмерной древовидной структурой эффективно решают проблемы, связанные с ограниченной площадью поверхности микросферы для прививки функциональных групп и стерическими препятствиями, возникающими в процессе прививки. Это позволяет достичь высокой динамической связывающей способности.

Матрица ионообменной хроматографической среды

Матрица ионообменных хроматографических сред включает в себя, главным образом, полисахаридные материалы, такие как агароза и декстран, а также полимеры, такие как полистирол и полиакрилат. Преимуществами полисахаридных матриц являются их чрезвычайно высокая гидрофильность, низкая неспецифическая адсорбция белков и наличие на поверхности множества активируемых гидроксильных групп.

В настоящее время в ионообменных хроматографических средах Welch Materials в качестве основного компонента используется агароза. В их число входит высокоёмкостная ионообменная среда Q/SP Tanrose XL на основе агарозы, основные параметры которой приведены в таблице ниже. Адсорбционная способность сильного анионита Q Tanrose XL по белку БСА достигает 130 мг/мл, а адсорбционная способность сильного катионита SP Tanrose XL по лизоциму ещё выше и достигает 160 мг/мл.

В этом продукте используется 6% агарозная матрица с декстраном в качестве выступающих элементов. Образующийся привитой слой декстрана обеспечивает трёхмерное адсорбционное пространство, облегчая адсорбцию белка. Одновременно привитой декстран улучшает заряженную среду на поверхности агарозных микросфер, снижая неспецифическую адсорбцию. Наличие декстранового слоя способствует массопереносу посредством таких эффектов, как электростатическое взаимодействие.

Ионные функциональные группы связываются с декстраном, увеличивая плотность функциональных групп и снижая пространственные помехи между связанными биомолекулами. Это значительно увеличивает связывающую способность, обеспечивая возможность обработки образцов в условиях высокой скорости потока. Подходит для первичного захвата и умеренной очистки биомолекул различного масштаба.