基于微孔过滤板的蛋白吸附高通量筛选方法

褚文宁，林东强，姚善泾



基于微孔过滤板的蛋白吸附高通量筛选方法

褚文宁，林东强，姚善泾

（浙江大学化学工程与生物工程学院，生物质化工教育部重点实验室，浙江杭州 310027）

针对色谱分离过程优化，建立了基于微孔过滤板的蛋白吸附高通量筛选方法，用于介质初筛、吸附性能考察、吸附等温线和吸附动力学测定、吸附和洗脱条件优化等。首先优化了96孔过滤板的操作参数，以2种离子交换介质和2种混合模式介质为典型代表，采用微孔过滤板方法考察了不同介质和液相条件下牛血清白蛋白的吸附，得到结合载量分布图，确定了合适的蛋白吸附和解吸条件。进一步测定了4种介质在特定吸附条件下的吸附等温线和吸附动力学曲线，获得吸附相关参数。最后，采用微孔过滤板进行了洗脱条件优化，并与填充柱色谱分离进行比较，验证了方法的可靠性。结果表明，基于微孔过滤板的蛋白吸附高通量筛选是切实可行的，可以快速筛选色谱介质和液相，优化蛋白分离条件，具有资源消耗小、实验通量大、研发周期短、适用性广、稳定性高的特点，是蛋白色谱分离过程优化的一种新方法。

高通量筛选；微孔过滤板；色谱分离；吸附；蛋白分离

引 言

目前生物制品的质量要求不断提高，研发难度和成本不断增加[1]。鉴于生物对象的特殊性和复杂性，制备过程的优化通常比较繁杂，涉及因素很多，往往难以系统优化，寻求高效、简便、快速的过程开发方法成为当前的研究热点[2]。引入高通量过程开发（high-throughput process development, HTPD）理念，提高过程通量，可以达到事半功倍的效果，已应用于菌种筛选[3-5]、培养过程优化[6-8]和下游纯化工艺开发[9-12]。应用于色谱分离的HTPD主要采用DoE、演化算法或数学模型等设计手段，利用手动或者自动系统进行高通量实验，基于数据分析评价实验结果，优化分离条件[13-14]。Rege等[15]应用HTPD进行重组-淀粉酶色谱分离的介质筛选和条件优化，直接转化到较大规模的蛋白纯化。Nfor等[16]采用HTPD评价4种混合模式介质和6种蛋白的吸附等温线，为蛋白分离纯化提供指导。Bergander等[17]采用HTPD研究多克隆人IgG和亲和介质MabSelect SuRe间的吸附动力学和动态结合载量。结果表明，引入HTPD有效减少了试剂用量，增大了过程通量，提高了研发效率，达到快速确定色谱分离工艺的目的。

HTPD应用于色谱过程开发主要有3种模式，微孔过滤板、微量移液色谱柱和微升填充柱，具体见图1。不同模式在操作方法和使用范围等方面有较大差别，微孔过滤板的介质量为2～50ml，灵活性高，便于改变介质种类和添加量；微量移液色谱柱的介质量为5～320ml，微升填充柱的介质量为50～200ml，一般只能使用预装柱。微孔过滤板属于分批加样操作，实验通量大，可手动操作，适合大量条件的筛选；微量移液色谱柱和微升填充柱类似于固定床操作，一般采用自动加液系统，适合考察上样量和洗脱条件，优化色谱分离[18]。相比较而言，微孔过滤板模式最为通用，适用范围广，且无需自动加液平台，关键是必须合理设计流程，优化各项参数，尽量减少微量操作造成的误差，才能达到常规色谱分离一致的结果。

离子交换色谱是应用最广泛的色谱分离方法，而混合模式色谱是近年来迅速发展的新型蛋白分离技术[19-26]。本文将基于微孔过滤板法，以牛血清白蛋白（bovine serum albumin，BSA）为模型蛋白，2种离子交换介质（Q Sepharose FF和SP Sepharose FF）和2种混合模式介质（Capto adhere和Capto MMC）为典型代表，探讨HTPD用于色谱分离过程开发的全过程，包括介质初步筛选、吸附性能考察、吸附等温线和吸附动力学测定、柱吸附和洗脱条件优化，优化实验条件，确定评价方式，建立一套快速优化色谱分离过程的方法，为蛋白色谱分离工艺的开发提供新方法。

1 材料和方法

1.1 主要材料与仪器

色谱介质：Q Sepharose FF、SP Sepharose FF、Capto adhere和Capto MMC，购自GE Healthcare公司，配基结构见图2。牛血清白蛋白（等电点4.7，分子量66700）：生工生物工程有限责任公司；MultiScreen HTS BV型96孔过滤板和MSVMHTS00真空多联装置：默克密理博公司；恒温振荡仪：赛默飞世尔科技公司；AKTA explorer 100色谱分离系统和Tricorn 5/50色谱柱（内径5 mm，柱长50 mm）：GE Healthcare公司；OneDrop OD-1000+分光光度计：南京五义科技有限公司；其他试剂均为市售分析纯。

1.2 微孔过滤板HTPD流程

微孔过滤板HTPD系统主要由96孔过滤板、恒温振荡仪、真空多联装置、微量分光光度计或酶标仪构成（图3）。一般流程如下：

（1）配制介质悬液（体积比1∶10），充分混合，通过移液器定量添加到96孔过滤板中，真空抽滤去除溶液，去离子水和平衡缓冲液（200ml）冲洗多次；

（2）添加样品（200ml）到96孔过滤板，封板膜密封孔板顶部和底部，盖上过滤板盖，置于恒温振荡仪孵育，控制温度，保证样品充分混合；

（3）达到吸附平衡后，移去板盖，将96孔过滤板放置到真空多联装置中，采用真空抽滤方式转移板内液体，收集到96孔板中；

（4）采用微量分光光度计或酶标仪测定各收集孔内溶液的吸光值，得到蛋白浓度，依据吸附前后的物料平衡计算每个孔板的蛋白吸附量；

（5）添加清洗液，按照步骤（2）～步骤（4）重复操作，测定清洗蛋白量；

（6）添加洗脱液，同样按照步骤（2）～步骤（4）重复操作，测定洗脱蛋白量；

（7）添加平衡缓冲液进行再平衡后，可重复进行蛋白吸附性能考察。

1.2.1 吸附/解吸条件筛选 在相同蛋白浓度和介质加入量条件下，考察不同介质在不同液相条件下的蛋白吸附量，从而确定合适的介质和吸附/解吸条件。配制不同pH和盐浓度的BSA溶液，包括8个pH水平，每个pH包含12种不同NaCl浓度；添加介质和200ml蛋白溶液到96孔过滤板，25 ℃、1500 r·min−1金属浴恒温振荡3 h；吸附平衡后，收集溶液，280 nm波长测定蛋白浓度，计算介质的蛋白吸附量，绘出不同pH和盐浓度条件的结合载量分布图。

1.2.2 静态吸附平衡实验 在特定液相条件下，考察介质在不同蛋白浓度下的吸附量，得到吸附等温线。选择合适缓冲液配制0.5、1、2、4、6、8、10 mg·ml−1的BSA溶液。添加200ml到96孔过滤板，恒温振荡达到吸附平衡，计算介质的蛋白吸附量，以溶液的平衡蛋白浓度为横坐标，介质的蛋白吸附量为纵坐标，得到吸附等温线，并用Langmuir方程拟合吸附等温线，方程如下

式中，*为介质的平衡吸附量；*为平衡时液相的蛋白浓度；m为饱和吸附容量；d为解离常数。

1.2.3 吸附动力学实验 在特定液相和蛋白浓度下，考察介质在不同时刻的蛋白吸附量，得到吸附动力学曲线，了解蛋白的吸附动力学过程。其他实验条件不变，缓冲液配制5 mg·ml−1的BSA溶液，通过改变介质的恒温孵育时间得到不同吸附时间的蛋白吸附量，吸附时间长的介质先添加蛋白样品，吸附时间短的介质后添加，控制吸附时间分别为1、2、4、6、8、10、12、14、16、18、20、30、40、50和60 min。以吸附时间为横坐标，蛋白吸附量为纵坐标，得到吸附动力学曲线，采用孔扩散模型拟合得到有效扩散系数e。

1.2.4 洗脱条件优化 模拟色谱柱内的蛋白吸附和洗脱过程，考察不同洗脱条件对蛋白解吸的影响，优化蛋白洗脱条件。在相同的介质量下，加入200 μl相同浓度的BSA溶液，保持介质的上样量一致，恒温振荡，真空抽滤收集未结合的蛋白溶液；模拟色谱柱pH阶跃洗脱过程，添加不同pH的洗脱溶液，恒温振荡10 min，收集蛋白洗脱液，测定并计算相应条件下的蛋白洗脱收率。

1.2.5 柱色谱分离实验 穿透曲线：取1 ml介质填充于Tricorn 5/50色谱柱，高度约5 cm，样品为BSA溶液，上样浓度5 mg·ml−1,流速0.5 ml·min−1。UV检测器检测穿透液中蛋白浓度，绘制蛋白穿透曲线，考察不同液相条件下10%蛋白穿透的动态结合载量（DBC10%）。

色谱分离：取1 ml介质填充于Tricorn 5/50色谱柱，高度约5 cm，样品为BSA溶液，上样浓度5 mg·ml−1，流速0.5 ml·min−1。色谱分离过程包括平衡、上样、冲洗、洗脱，最后以1 mol·L−1NaCl+1 mol·L−1NaOH溶液进行原位清洗再生。考察不同上样和洗脱条件下蛋白的洗脱收率，验证HTPD确定的分离条件。

2 结果与讨论

色谱分离过程优化通常包括介质初筛、吸附性能考察、吸附等温线和吸附动力学测定、柱吸附和洗脱条件优化等，基于微孔过滤板的HTPD可以用于上述的全过程。

（1）介质筛选，微孔过滤板适用于筛选众多的色谱介质，如96孔板可以同时考察96种介质，并保持其他条件完全相同，克服传统方法逐一考察和评价的缺点；

（2）吸附性能考察，可以在一个过滤板中考察不同液相条件的蛋白吸附量，确定吸附和解吸条件，相比传统方法介质和蛋白样品用量显著减少，过程一致性提高；

（3）吸附等温线和吸附动力学测定，可以在特定液相条件下系统考察介质的静态吸附平衡和吸附动力学性质，为后续色谱分离提供指导；

（4）洗脱条件优化，保持吸附条件一致，可以在一个过滤板中考察介质在不同液相条件下的洗脱效果，确定合适的洗脱条件，提高分离效率。

2.1 基于微孔过滤板的HTPD基本参数优化

为了减少微量操作带来的实验误差，优化了微孔过滤板法HTPD的基本操作参数，系统考察了液固相比、恒温振荡转速和孵育时间的影响。在液相体积（200 μl）不变的条件下，比较了液固体积比为10、15、20、30、40时的蛋白吸附等温线，发现液固相比为15时数据波动小，重现性好，确定最佳相比15，相应的介质体积14 μl。考察了恒温振荡转速对介质吸附等温线的影响，发现影响显著，当转速大于1100 r·min−1时，吸附数据稳定可靠，为了尽可能消除混合不良造成的影响，选定恒温振荡转速为1500 r·min−1。进一步考察了恒温孵育时间的影响，发现大于3 h时吸附完全达到平衡，因此后续实验采用孵育时间3 h。

2.2 介质筛选和吸附性能初步评价

选择两种典型的离子交换介质Q Sepharose FF和SP Sepharose FF，以及两种新型混合模式介质Capto adhere和Capto MMC作为代表，在8个pH水平（4～9）和12种盐浓度（0～0.4 mol·L−1NaCl）条件下，比较BSA的吸附效果。以pH为横坐标，盐浓度为纵坐标，得到不同介质的蛋白结合载量分布，结果如图4所示。根据结合载量分布图，可以系统分析不同液相条件的影响，比较不同介质的差异，从而筛选合适的介质和吸附条件。结果表明，两种具有季铵基团的阴离子交换型介质Q Sepharose FF和Capto adhere的吸附趋势基本一致，在低盐、高pH（pH 9.0）或BSA等电点附近（pH 5.5），具有较高的吸附容量（大于80 mg·ml−1）。相比较而言，随盐浓度增大，离子交换介质Q Sepharose FF的吸附容量急剧下降，而混合模式介质Capto adhere表现出一定的耐盐特性，特别是高pH条件下。例如，在pH 9.0和400 mmol·L−1NaCl条件下，Capto adhere仍具有39.3 mg·ml−1吸附容量，而Q Sepharose FF仅为3.5 mg·ml−1。两种阳离子交换型介质SP Sepharose FF和Capto MMC的趋势也基本一致，在低pH下吸附容量较高，而高pH下显著下降。相比较而言，混合模式介质Capto MMC对pH的敏感程度较低，且具有较好的耐盐吸附性，在较宽pH（3.0～5.0）和盐浓度（0～400 mmol·L−1NaCl）范围内吸附容量保持在80 mg·ml−1左右，变化很小。

实验结果与离子交换介质和混合模式介质的基本特征一致，对于阴离子交换型介质Q Sepharose FF和Capto adhere，当pH大于BSA等电点，蛋白带有负电荷，与介质配基产生强的静电相互作用，因此碱性条件促进蛋白吸附；对于阳离子交换型介质SP Sepharose FF和Capto MMC，当pH小于BSA等电点，蛋白带有正电荷，因此酸性条件下的静电相互作用促进BSA吸附；两种混合模式介质Capto adhere和Capto MMC，除了离子交换基团外，还带有苯环等疏水作用基团，因此高盐浓度下静电作用被屏蔽但疏水相互作用得到加强，体现出一定的耐盐吸附特性。对于Q Sepharose FF和Capto adhere，在BSA等电点附近，吸附容量也较高，可能是蛋白表面电荷分布的不均匀性和弱疏水作用引起[27]，两种介质可通过弱静电吸引和疏水相互作用吸附BSA。

2.3 吸附等温线

基于上述不同介质的吸附条件筛选，进一步利用微孔过滤板，考察特定吸附条件下的吸附等温线。介质和蛋白溶液量保持不变，每种介质考察8个蛋白浓度的平衡吸附量，平行测定两组，因此96孔板一次可以得到6组不同介质和条件的吸附等温线。分别考察了Q Sepharose FF和Capto adhere在两个 pH（8.5和5.5）、SP Sepharose FF和Capto MMC在pH 4.0时的吸附等温线，Langmuir吸附等温式拟合，结果见图5。可以发现，4种介质的吸附等温线均符合Langmuir等温式，在所选定的条件下，均有较高的饱和吸附容量m和较低的解离常数d，说明吸附性能良好。Liu等[28]采用传统方法测定了pH 8.0下Q Sepharose FF对BSA的饱和吸附量m为137 mg·ml−1±5 mg·ml−1，与本文结果152 mg·ml−1（pH 8.5）较接近。相比其他介质，SP Sepharose FF对BSA的吸附量较高，m达到226.2 mg·ml−1, Yang[29]采用传统方法测定的m值为194.7 mg·ml−1，与本文结果也较接近。结果表明，基于微孔过滤板的蛋白吸附等温线测定是切实可行的，具有通量大、物耗小、时间短的HTPD优势。

2.4 吸附动力学

利用微孔过滤板考察了特定吸附条件下的吸附动力学曲线。介质、样品体积和液相条件保持不变，每种介质考察16个时间点的蛋白吸附率，96孔板一次可以得到6组不同介质和液相条件的吸附动力学曲线，采用孔扩散模型拟合得到有效孔扩散系数e。对于Q Sepharose FF和Capto adhere两种介质，在pH 8.5时的e值分别为5.0×10−12和2.5×10−12 m2·s−1，pH 5.5时分别为2.05×10−11和3.2×10−12 m2·s−1。SP Sepharose FF和Capto MMC在pH 4.0时的孔扩散系数e分别为1.09×10−11和5.6×10−12 m2·s−1。进一步比较了1 ml离心管和50 ml烧杯内测定的吸附动力学曲线，发现基本一致，表明微孔过滤板的方法是可靠的。Liu等[28]在200 ml的三口圆底烧瓶中测定Q Sepharose FF吸附BSA的吸附动力学曲线（pH 8.0），得到e值约为6×10−12 m2·s−1，和本文微孔过滤板测得e值相一致。Yang等[30]在250 ml的三口圆底烧瓶中测定了SP Sepharose FF吸附BSA的吸附动力学曲线（pH 4.5），拟合得到e值为7.27×10−12 m2·s−1，也和本文结果基本一致。

2.5 吸附和洗脱优化

基于前文所确定的吸附和解吸条件，进一步利用微孔过滤板，考察不同洗脱条件下的洗脱效果，优化蛋白分离过程。保持介质、样品体积和蛋白吸附条件保持不变，每种介质考察16种不同的洗脱条件（pH和盐浓度），96孔板一次可以得到6组不同介质和洗脱条件的结果。结果表明，在加盐（0.4 mol·L−1NaCl）条件下，不同pH条件下Q Sepharose FF的蛋白洗脱收率均大于90%；不加盐且pH小于4.0时，降低pH同样可以得到较好的洗脱效果。由于Capto adhere的耐盐吸附特性，在加盐条件下的洗脱效果较差，仅当pH小于4.0时洗脱收率达到80%；不加盐且pH小于4.0时，洗脱收率大于90%。对于两种阳离子交换型介质，Capto MMC在加盐且pH大于6.0时，洗脱收率大于85%；不加盐且pH大于9.0时具有类似的洗脱效果。SP Sepharose FF在加盐且pH大于5.0时，洗脱收率大于90%；不加盐且pH大于6.5时，蛋白的洗脱收率大于85%。

图6给出了SP Sepharose FF介质的典型结果，并比较了常规1 ml填充柱的蛋白吸附和分离效果。结果表明，上样条件为pH 4.0，上样量77.5 mg·ml−1，洗脱条件为pH 7.0，微孔过滤板和常规填充柱的蛋白收率分别为90.0%和96.3%，二者保持一致。其他介质的结果类似，表明基于微孔过滤板的HTPD可以应用于色谱分离过程的优化。本文用的是纯蛋白，若对于实际料液，采用以上类似过程可以考察不同洗脱条件的蛋白纯度，从而确定合适的分离条件，达到高纯度和高收率的要求。

2.6 基于微孔过滤板的HTPD优势和不足分析

与传统层析分离过程优化相比，微孔过滤板法的优势体现在：①资源消耗减小，对于单一介质和蛋白，介质总需要量小于1 ml，蛋白量小于1 g；②实验通量增大，可以平行筛选多种色谱介质，系统性评价液相条件的影响，一次96孔板就可以考察96个不同的条件，为快速确定最佳条件提供参考；③研发周期缩短，一般过程优化的周期小于一周；④适用性广，可以进行介质筛选、吸附性能考察，吸附等温线和吸附动力学测定、吸附和洗脱条件优化等，涵盖色谱分离优化的全过程；⑤自动化程度和稳定性提高，进一步整合液体工作站，可以提高自动化处理能力，增大过程通量，同时减少人为操作影响，提高数据的稳定性和结果的重复性。

由于是微量操作，也存在一些不足，主要体现在以下几个方面：①介质和溶液用量少，操作误差的可能性增大，实验中需要特别注意，并通过优化操作参数加以避免，还可以利用自动化液体工作站减小批次间差异；②实验通量大，样品多，分析检测耗时显得更加明显，采用或开发一些快速、自动的检测方法很重要，可以显著提高工作效率；③由于微孔板中介质量少，难以直接考察动态结合载量，可以利用吸附等温线和吸附动力学数据，通过数学模型间计算获得。以上几点不足，需要在实际应用中加以注意。

3 结 论

针对蛋白色谱分离，建立了基于微孔过滤板的HTPD方法，应用于介质初筛、吸附性能考察、吸附等温线和吸附动力学测定、吸附和洗脱条件优化等过程。优化了96孔过滤板的操作参数，以阴离子交换型介质（Q Sepharose FF和Capto adhere）和阳离子交换型介质（SP Sepharose FF和Capto MMC）为典型对象，采用微孔过滤板考察了BSA的吸附和解吸条件。不同介质表现出不同的特征，整体而言与离子交换介质和混合模式介质的性质相符。分析结合载量分布图，发现阴离子交换型介质在BSA等电点附近（pH 5.5）和高pH（8.5）低盐条件下有较高的吸附量，低pH（4.0）有助于蛋白解吸，而阳离子交换型介质在低pH（4.0）条件下有较高的吸附量，中性pH（7.0）有利于蛋白解吸，不过Capto MMC需要在高pH（9.0）高盐条件下实现有效洗脱。基于介质吸附条件的初筛，进一步采用96孔过滤板测定了BSA的吸附等温线和吸附动力学曲线，得到了吸附平衡参数和有效孔扩散常数，结果与常规方法保持一致。最后，采用96孔过滤板优化了洗脱条件，得到合适的蛋白分离条件，结果与1 ml填充柱的分离效果一致。结果表明，基于微孔过滤板法的HTPD方法，可以快速、高效地筛选色谱介质和液相，优化蛋白分离条件，具有资源消耗小、实验通量大、研发周期短、适用性广、数据稳定性高的特点，后续将用于药用蛋白的分离过程研发。

References

[1] COGDILL R P, DRENNEN J K. Risk-based Quality by Design (QbD): a Taguchi perspective on the assessment of product quality, and the quantitative linkage of drug product parameters and clinical performance[J]. Journal of Pharmaceutical Innovation, 2008, 3(1): 23-29.

[2] SANAIE N, CECCHINI D, PIERACCI J. Applying high-throughput methods to develop a purification process for a highly glycosylated protein[J]. Biotechnology Journal, 2012, 7(10): 1242-1255.

[3] HEALTH C, KISS R. Cell culture process development: advances in process engineering[J]. Biotechnology Progress, 2007, 23(1): 46-51.

[4] 何玉财, 周琼, 林春昕, 等. 一种腈水解酶的高通量筛选方法[J]. 高校化学工程学报, 2012, 26(5): 853-857. HE Y C, ZHOU Q, LIN C X,. One high-throughput screening strategy for nitrile-hydrolyzing enzymes[J]. Journal of Chemical Engineering of Chinese Universities, 2012, 26(5): 853-857.

[5] ZHU Q, FAN A, WANG Y S,. Novel sensitive high-throughput screening strategy for nitrilase-producing strains[J]. Applied and Environmental Microbiology, 2007, 73(19): 6053-6057.

[6] DANIELS C, RODRIGUEZ J, LIM E,. An integrated robotic system for high-throughput process development of cell and virus culture conditions: application to biosafety level 2 live virus vaccines[J]. Engineering in Life Sciences, 2016, 16(2): 202-209.

[7] STROBEL R. High throughput cultivation of animal cells using shaken microplate techniques[M]// BOWDEN D, BRACEY M. Animal Cell Technology: From Target to Market. Netherlands: Springer, 2001: 307-312.

[8] 李晓璐, 范里, 赵亮, 等. 基于单纯型设计和部件搜索方法的CHO细胞无血清培养基的高通量优化[J]. 高校化学工程学报, 2014, 28(4): 777-783. LI X L, FAN L, ZHAO L,. High through-put screening and optimization of serum-free media development for CHO Cells using simplex lattice and elements dialogue design methods[J]. Journal of Chemical Engineering of Chinese Universities, 2014, 28(4): 777-783.

[9] WIENDAHAL M, OELMEIRE S A, DIEMER F,. High-throughput screening-based selection and scale-up of aqueous two-phase systems for pDNA purification[J]. Journal of Separation Science, 2012, 35(22): 3197-3207.

[10] COFFMAN J L, CABANNE C, KELLEY B D. High-throughput screening of chromatographic separations (Ⅰ): Method development and column modeling[J]. Biotechnology and Bioengineering, 2008, 100(4): 605-618.

[11] WELSH J P, PETROFF M G, ROWICKI P,. A practical strategy for using miniature chromatography columns in a standardized high-throughput workflow for purification development of monoclonal antibodies[J]. Biotechnology Progress, 2014, 30(3): 626-635.

[12] TREIER K, HANSEN S, RICHTER C,. High-throughput methods for miniaturization and automation of monoclonal antibody purification processes[J]. Biotechnology Progress, 2012, 28(3): 723-732.

[13] DIEDERICH P, HOFFMANN M, HUBBUCH J. High-throughput process development of purification alternatives for the protein avidin[J]. Biotechnology Progress, 2015, 31(4): 957-973.

[14] LACKI K M. High-throughput process development of chromatography steps: advantages and limitations of different formats used[J]. Biotechnology Journal, 2012, 7(10): 1192-1202.

[15] REGE K, PEPSIN M, FALCON B,. High-throughput process development for recombinant protein purification[J]. Biotechnology and Bioengineering, 2006, 93(4): 618-630.

[16] NFOR B K, NOVERRAZ M, CHIAMKURTHI S. High-throughput isotherm determination and thermodynamic modeling of protein adsorption on mixed mode adsorbents[J]. Journal of Chromatography A, 2010, 1217(44): 6829-6850.

[17] BERGANDER T, NILSSON-VAELIMAA K, OBERG K,. High-throughput process development: determination of dynamic binding capacity using microtiter filter plates filled with chromatography resin[J]. Biotechnoly Progress, 2008, 24(3): 632-639.

[18] CHHRTRE S, TITCHERNER-HOOKER N J. Review: microscale methods for high-throughput chromatography development in the pharmaceutical industry[J]. Journal of Chemical Technology & Biotechnology, 2009, 84(7):927-940.

[19] 姚善泾, 高栋, 林东强. 一种新的生物分离方法——混合模式吸附层析[J]. 化工学报, 2007, 58(9): 2169-2177. YAO S J, GAO D, LIN D Q. Novel technology in bioseparation process — mixed-mode chromatography[J]. Journal of Chemical Industry and Engineering (China), 2007, 58(9): 2169-2177.

[20] 庄甜甜, 夏海峰, 林东强, 等. 混合模式吸附层析从猪血浆中分离免疫球蛋白研究[J]. 化工学报, 2010, 61(2): 336-341. ZHUANG T T, XIA H F, LIN D Q,. Separation of immunoglobulin from porcine plasma with mixed-mode adsorption chromatography[J]. CIESC Journal, 2010, 61(2): 336-341.

[21] 陈振明, 林东强, 姚善泾. 新型混合模式层析介质制备及用于牛初乳免疫球蛋白分离[J]. 化工学报, 2012, 63(8): 2453-2459. CHEN Z M, LIN D Q, YAO S J. New mixed-mode absorbent and its application for search of bovine colostrum immunoglobulin[J]. CIESC Journal, 2012, 63(8): 2453-2459.

[22] 童红飞, 林东强, 姚善泾. 疏水性电荷诱导层析纯化免疫球蛋白IgY[J]. 化工学报, 2011, 62(6): 1574-1580. TONG H F, LIN D Q, YAO S J. Separation and purification of immunoglobulin IgY with hydrophobic charge induction chromatography[J]. CIESC Journal, 2011, 62(6): 1574-1580.

[23] 李菁, 林东强, 童红飞, 等. 疏水性电荷诱导层析分离抗HER2单克隆抗体研究[J]. 化工学报, 2014, 65(10): 3931-3937. LI J, LIN D Q, TONG H F,. Separation and purification of anti-HER2 monoclonal antibody with hydrophobic charge-induction chromatography[J]. CIESC Journal, 2014, 65(10): 3931-3937.

[24] ZHANG Q L, ZHUANG T T, TONG H F,. Experimental and in silico studies on three hydrophobic charge-induction adsorbents for porcine immunoglobulin purification[J]. Chinese Journal of Chemical Engineering, 2016, 24(1): 151-157.

[25] ZHAO G, DONG X Y, SUN Y. Ligands for mixed-mode protein chromatography: principles, characteristics and design[J]. Journal of Biotechnology, 2009, 144(1): 3-11.

[26] YANG Y, GENG X. Mixed-mode chromatography and its applications to biopolymers[J]. Journal of Chromatography A, 2011, 1218(49): 8813-8825.

[27] LIN F Y, CHEN C S, CHEN W Y,. Microcalorimetric studies of the interaction mechanisms between proteins and Q-Sepharose at pH near the isoelectric point (p) — effects of NaCl concentration, pH value, and temperature[J]. Journal of Chromatography A, 2001, 912(2): 281-289.

[28] LIU N, YU L L, SUN Y. Protein adsorption to poly(ethylenimine)-modified Sepharose FF (Ⅳ): Dynamic adsorption and elution behaviors[J]. Journal of Chromatography A, 2014, 1362: 218-224.

[29] YANG K. Dynamic binary protein adsorption in ion-exchange media depicted with a parallel diffusion model derived from Maxwell-Stefan theory[J]. Chemical Engineering Science, 2016, 139: 163-172.

[30] YANG K, SHI Q H, SUN Y. Modeling and simulation of protein uptake in cation exchanger visualized by confocal laser scanning microscopy[J]. Journal of Chromatography A, 2006, 1136(1): 19-28.

High-throughput screening methods for protein adsorption evaluation with microtiter filter plate

CHU Wenning, LIN Dongqiang, YAO Shanjing

(Key Laboratory of Biomass Chemical Engineering of Ministry of Education, College of Chemical and Biological Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310027, Zhejiang, China)

Aiming at the process optimization of chromatographic separation, the high-throughput screening methods of protein adsorption with microtiter filter plate were established for initial resin screening, adsorption properties evaluation, adsorption isotherms and adsorption kinetics measurement, and adsorption and elution conditions optimization. Firstly, the operation parameters of 96-well filter plate were optimized, and with two ion exchangers and two mixed-mode resins as the model, the bovine serum albumin adsorption was investigated with different resins and liquid conditions by means of microtiter filer plate. The binding capacity maps were obtained and the appropriate adsorption-desorption conditions were determined. Further, the microtiter filter plate was applied to measure the adsorption isotherms and adsorption kinetics with four resins at specific adsorption conditions, and the adsorption parameters were obtained. Finally, the elution conditions were optimized using microtiter filter plate. The microscale results were comparable to that with packed-bed separation, indicating that the methods developed in the present work were practicable. The results demonstrated that the high-throughput process development of protein adsorption with microtiter filer plate was feasible and can be used to fast screen the best reins and liquid conditions. New methods showed the advantages of low resource consumption, large experimental fluxes, short developing period, wide application and high stability, which would be one new method for development of the protein separation process.

high-throughput screening ; microtiter filer plate; chromatography; adsorption; protein separation

10.11949/j.issn.0438-1157.20161789

TQ 028.8

A

0438—1157（2017）06—2399—08

林东强。

褚文宁（1990—），男，博士研究生。

国家自然科学基金项目（21476198，21576233）；国际科技合作专项项目（2015DFG42070）。

2016-12-22收到初稿，2017-02-16收到修改稿。

2016-12-22.

Prof. LIN Dongqiang, lindq@zju.edu.cn

supported by the National Natural Science Foundation of China (21476198, 21576233) and the International Science & Technology Cooperation Program of China (2015DFG42070).