chemicallytechFine Chemical TechnologiesТонкие химические технологии2410-65932686-7575MIREA – Russian Technological University (RTU MIREA).10.32362/2410-6593-2021-16-1-76-87chemicallytech-1688Research ArticleANALYTICAL METHODS IN CHEMISTRY AND CHEMICAL TECHNOLOGYАНАЛИТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ В ХИМИИ И ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИComparing the original and biosimilar biotherapeutics of the monoclonal antibody eculizumab by intact mass measurement and middle-up mass spectrometry analysisСравнение оригинального и биоаналогичного препаратов моноклонального антитела экулизумаб методами масс-спектрометрии интактного белка и «с середины вверх»https://orcid.org/0000-0002-5541-5575ДегтеревМ. Б.DegterevM. B.

Дегтерев Максим Борисович, научный сотрудник лаборатории физико-химических методов

601125, Владимирская обл., Петушинский район, пос. Вольгинский, ул. Владимирская, д. 14

Maksim B. Degterev, Research Scientist, Physico-Chemical Methods Laboratory

14, Vladimirskaya ul., Volginskiy, Vladimir oblast, 601125

degterev@ibcgenerium.ruhttps://orcid.org/0000-0002-6532-7835ШукуровР. Р.ShukurovR. R.

Шукуров Рахим Рахманкулыевич, начальник отдела аналитических методов

601125, Владимирская обл., Петушинский район, пос. Вольгинский, ул. Владимирская, д. 14

Rakhim R. Shukurov, Head of the Analytical Methods Department

14, Vladimirskaya ul., Volginskiy, Vladimir oblast, 601125

shukurov@ibcgenerium.ruМеждународный биотехнологический центр «Генериум»РоссияInternational Biotechnology Center GeneriumRussian Federation2021180320211617687Copyright © Degterev M.B., Shukurov R.R., 20212021Дегтерев М.Б., Шукуров Р.Р.Degterev M.B., Shukurov R.R.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.finechem-mirea.ru/jour/article/view/1688Objectives

Objectives. In this biosimilar research, we compare the monoclonal antibody eculizumab obtained from different drugs [original Soliris® (Alexion Pharmaceuticals) and candidate Elizaria® (Generium)] by intact mass measurement and middle-up mass spectrometry analysis to enhance the role of mass spectrometry methods in biopharmaceutical development processes.

Methods

Methods. The intact mass measurement is performed using a high-resolution ESI-MS. The middle-up analysis is performed by reversed-phase high-performance liquid chromatography with ESI-MS detection, subsequent IdeS treatment of antibodies, and disulfide bond reduction.

Results

Results. We have shown some small differences between the original and candidate drugs in the minor glycans level. Man5 glycan is only found in the original Soliris, and G0 is only found in the Elizaria. Glycation sites are also found in the light chain and Fd subunits of the original Soliris. The glycation level does not exceed 4.4%. The non-clipped C-end lysine level and G0F glycan levels are slightly lower in the original Soliris. All registered differences are not crucial for eculizumab’s quality and do not affect its effectiveness and preclinical safety. Generally, the results show a high level of similarity between the original and candidate drugs.

Conclusions

Conclusions. The comparative mass spectrometry analysis of eculizumab in the original Soliris and Elizaria allows us to estimate their high degree of similarity by molecular masses and major modification profiles.

Цели

Цели. В целях исследования биоаналогичности, а также внедрения масс-спектрометрии в процессы биофармацевтической разработки было необходимо провести сравнительное масс-спектрометрическое исследование моноклонального антитела экулизумаб из оригинального лекарственного препарата «Солирис»® и кандидатного «Элизария»® производства АО «ГЕНЕРИУМ» методами измерения молекулярных масс интактных молекул (intact mass measurement) и их субъединиц (middle-up).

Методы

Методы. Измерение масс интактных белков и оценку долей их модификаций проводили при помощи инфузионной масс-спектрометрии высокого разрешения с электрораспылительной ионизацией. Измерение молекулярных масс субъединиц и оценку долей их модификаций проводили методом обращенно-фазовой ВЭЖХ, совмещенной с масс-спектрометрией высокого разрешения с электрораспылительной ионизацией после предварительного расщепления антител ферментом IdeS и разрыва дисульфидных связей.

Результаты

Результаты. Нами был зарегистрирован ряд небольших отличий в содержании некоторых минорных гликанов: олигосахарид Man5 был обнаружен только в белке оригинального препарата, а G0 – только в кандидатном белке; в субъединицах LC и Fd оригинального белка были зарегистрированы сайты гликирования с содержанием данной модификации не выше 4.4%. Также доли неотщепленного С-концевого лизина и гликана G0F в оригинальном белке были несколько ниже, чем в кандидатном. Однако зарегистрированные отличия не являлись критическими параметрами качества экулизумаба и не влияли на активность молекул и их безопасность в доклинических испытаниях, и, в целом, сравниваемые молекулы продемонстрировали высокое сходство.

Выводы

Выводы. Сравнительный хромато-масс-спектрометрический анализ экулизумаба из оригинального и кандидатного препаратов позволил установить высокую степень сопоставимости сравниваемых молекул по молекулярным массам и по профилям мажорных модификаций. 

экулизумабмасс-спектрометрияпосттрансляционные модификациибиоаналогичностьгликозилированиеВЭЖХ-МСintact mass measurementmiddle-upEculizumabmass spectrometryposttranslational modificationsbiosimilar drugsglycosylationhigh-performance liquid chromatography-mass spectrometryintact mass measurementmiddle-up analysismonoclonal antibodyАвторы статьи благодарят С. Тарана, ведущего эксперта Отдела аналитических методов, и М. Смолова, начальника Лаборатории физико-химических методов «МБЦ «Генериум», за помощь в подготовке текста статьи.The authors thank S. Taran, Lead Expert of the Department of Analytical Methods, and M. Smolov, Head of the Laboratory of Physicochemical Methods of IBC Generium, for their help with preparing the manuscript.ReferencesDillon T.M., Bondarenko P.V., Rehder D.S., Pipes G.D., Kleemann G.R., Ricci M.S. Optimization of a reversed-phase high-performance liquid chromatography/mass spectrometry method for characterizing recombinant antibody heterogeneity and stability. J. Chromatogr. A. 2006;1120(1–2):112-120. https://doi.org/10.1016/j.chroma.2006.01.016Dillon T.M., Bondarenko P.V., Rehder D.S., Pipes G.D., Kleemann G.R., Ricci M.S. Optimization of a reversed-phase high-performance liquid chromatography/mass spectrometry method for characterizing recombinant antibody heterogeneity and stability. J. Chromatogr. A. 2006;1120(1–2):112-120. https://doi.org/10.1016/j.chroma.2006.01.016Ren D., Pipes G., Xiao G., Kleemann G.R., Bondarenko P.V., Treuheit M.J., Gadgil H.S. Reversed-phase liquid chromatography–mass spectrometry of site-specific chemical modifications in intact immunoglobulin molecules and their fragments. J. Chromatogr. A. 2008;1179(2):198–204. https://doi.org/10.1016/j.chroma.2007.11.088Ren D., Pipes G., Xiao G., Kleemann G.R., Bondarenko P.V., Treuheit M.J., Gadgil H.S. Reversed-phase liquid chromatography–mass spectrometry of site-specific chemical modifications in intact immunoglobulin molecules and their fragments. J. Chromatogr. A. 2008;1179(2):198–204. https://doi.org/10.1016/j.chroma.2007.11.088Sawyer W.S., Srikumar N., Carver J., Chu P.Y., Shen A., Xu A., Williams A.J., Spiess C., Wu C., Liu Y., Tran J.C. High-throughput antibody screening from complex matrices using intact protein electrospray mass spectrometry. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2020;117(18):9851–9856. https://doi.org/10.1073/pnas.1917383117Sawyer W.S., Srikumar N., Carver J., Chu P.Y., Shen A., Xu A., Williams A.J., Spiess C., Wu C., Liu Y., Tran J.C. High-throughput antibody screening from complex matrices using intact protein electrospray mass spectrometry. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2020;117(18):9851–9856. https://doi.org/10.1073/pnas.1917383117Haberger M., Leiss M., Heidenreich A-K., Pester O., Hafenmair G., Hook M., Bonnington L., Wegele H., Haindl M., Reusch D., Bulau P. Rapid characterization of biotherapeutic proteins by size-exclusion chromatography coupled to native mass spectrometry. MAbs. 2015;8(2):331–33. https://doi.org/10.1080/19420862.2015.1122150Haberger M., Leiss M., Heidenreich A-K., Pester O., Hafenmair G., Hook M., Bonnington L., Wegele H., Haindl M., Reusch D., Bulau P. Rapid characterization of biotherapeutic proteins by size-exclusion chromatography coupled to native mass spectrometry. MAbs. 2015;8(2):331–33. https://doi.org/10.1080/19420862.2015.1122150Leney A.C., Heck A.J. Native Mass Spectrometry: What is in the Name? J. Am. Soc. Mass Spectrom. 2017;28(1):5–13. https://doi.org/10.1007/s13361-016-1545-3Leney A.C., Heck A.J. Native Mass Spectrometry: What is in the Name? J. Am. Soc. Mass Spectrom. 2017;28(1):5–13. https://doi.org/10.1007/s13361-016-1545-3Wehofsky M., Hoffmann R. Automated deconvolution and deisotoping of electrospray mass spectra. J. Mass Spectrom. 2002;37(2):223–229. https://doi.org/10.1002/jms.278Wehofsky M., Hoffmann R. Automated deconvolution and deisotoping of electrospray mass spectra. J. Mass Spectrom. 2002;37(2):223–229. https://doi.org/10.1002/jms.278Lu J., Trnka M.J., Roh S.H., et al. Improved Peak Detection and Deconvolution of Native Electrospray Mass Spectra from Large Protein Complexes. J. Am. Soc. Mass Spectrom. 2015;26(12):21412151. https://doi.org/10.1007/s13361-015-1235-6Lu J., Trnka M.J., Roh S.H., et al. Improved Peak Detection and Deconvolution of Native Electrospray Mass Spectra from Large Protein Complexes. J. Am. Soc. Mass Spectrom. 2015;26(12):21412151. https://doi.org/10.1007/s13361-015-1235-6Wohlschlager T., Scheffler K., Forstenlehner I.C. et al. Native mass spectrometry combined with enzymatic dissection unravels glycoform heterogeneity of biopharmaceuticals. Nat. Commun. 2018;9:1713. https://doi.org/10.1038/s41467-018-04061-7Wohlschlager T., Scheffler K., Forstenlehner I.C. et al. Native mass spectrometry combined with enzymatic dissection unravels glycoform heterogeneity of biopharmaceuticals. Nat. Commun. 2018;9:1713. https://doi.org/10.1038/s41467-018-04061-7Lermyte F., Tsybin Y.O., O’Connor P.B., Loo J.A. Top or Middle? Up or Down? Toward a Standard Lexicon for Protein Top-Down and Allied Mass Spectrometry Approaches. J. Am. Soc. Mass Spectrom. 2019;30(7):1149-1157. https://doi.org/10.1007/s13361-019-02201-xLermyte F., Tsybin Y.O., O’Connor P.B., Loo J.A. Top or Middle? Up or Down? Toward a Standard Lexicon for Protein Top-Down and Allied Mass Spectrometry Approaches. J. Am. Soc. Mass Spectrom. 2019;30(7):1149-1157. https://doi.org/10.1007/s13361-019-02201-xMarty M.T., Baldwin A.J., Marklund E.G., Hochberg G.R.A., Benesch J.L.P., Robinson C.V. Bayesian deconvolution of mass and ion mobility spectra: from binary interactions to polydisperse ensembles. Anal. Chem. 2015;87(8):4370–4376. https://doi.org/10.1021/acs.analchem.5b00140Marty M.T., Baldwin A.J., Marklund E.G., Hochberg G.R.A., Benesch J.L.P., Robinson C.V. Bayesian deconvolution of mass and ion mobility spectra: from binary interactions to polydisperse ensembles. Anal. Chem. 2015;87(8):4370–4376. https://doi.org/10.1021/acs.analchem.5b00140Tsong Y., Dong X., Shen M. Development of statistical methods for analytical similarity assessment. J. Biopharm. Stat. 2017;27(2):197–205. https://doi.org/10.1080/10543406.2016.1272606Tsong Y., Dong X., Shen M. Development of statistical methods for analytical similarity assessment. J. Biopharm. Stat. 2017;27(2):197–205. https://doi.org/10.1080/10543406.2016.1272606Chow S.-C. Challenging issues in assessing analytical similarity in biosimilar studies. Biosimilars. 2015;5:33–39. https://doi.org/10.2147/BS.S84141Chow S.-C. Challenging issues in assessing analytical similarity in biosimilar studies. Biosimilars. 2015;5:33–39. https://doi.org/10.2147/BS.S84141Raju T.S., Jordan R.E. Galactosylation variations in marketed therapeutic antibodies. MAbs. 2012;4(3):385–391. https://doi.org/10.4161/mabs.19868Raju T.S., Jordan R.E. Galactosylation variations in marketed therapeutic antibodies. MAbs. 2012;4(3):385–391. https://doi.org/10.4161/mabs.19868Bruce A., Hunter J., Malanson H.F. Recombinant glycosylated eculizumab and eculizumab variants: US Patent US20170073399A1. Priority 11.09.2015.Bruce A., Hunter J., Malanson H.F. Recombinant glycosylated eculizumab and eculizumab variants: US Patent US20170073399A1. Priority 11.09.2015.Reusch D., Tejada M.L. Fc glycans of therapeutic antibodies as critical quality attributes. Glycobiology. 2015;25(12):1325–1334. https://doi.org/10.1093/glycob/cwv065Reusch D., Tejada M.L. Fc glycans of therapeutic antibodies as critical quality attributes. Glycobiology. 2015;25(12):1325–1334. https://doi.org/10.1093/glycob/cwv065

The authors declare that there are no conflicts of interest present.