蛋白質(zhì)結(jié)晶過程的模擬優(yōu)化和實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、大分子生物藥以晶體形式作為給藥的方式具有藥物穩(wěn)定性高,藥物有效成分濃度高以及容易實(shí)現(xiàn)藥物的可控性釋放等許多優(yōu)點(diǎn)。然而,截至2004年的150多種生物藥中,以晶體為其主要的生產(chǎn)和銷售形態(tài)的藥物只有胰島素。造成這種情況的主要技術(shù)原因是因?yàn)榈鞍踪|(zhì)結(jié)晶和小分子結(jié)晶相比具有更為復(fù)雜的結(jié)晶環(huán)境和影響因素,大規(guī)模生產(chǎn)蛋白質(zhì)晶體在方法和技術(shù)上還很不成熟。相對于傳統(tǒng)的蛋白質(zhì)結(jié)晶中實(shí)驗(yàn)研究以及模擬研究所針對的單晶體尺度,本論文主要在過程尺度上對蛋白質(zhì)結(jié)晶過

2、程中晶體群體的生長行為進(jìn)行了系統(tǒng)的模型化和實(shí)驗(yàn)研究。
　　 蛋白質(zhì)晶體的形狀以及產(chǎn)品的粒度分布是衡量結(jié)晶產(chǎn)品質(zhì)量的主要指標(biāo),但是目前對蛋白質(zhì)結(jié)晶的群體粒數(shù)衡算模型的研究還非常少,而且只能模擬粒度分布,不能模擬形狀分布,因?yàn)槟Ｐ椭械木w尺寸被簡單的定義為該晶體的體積當(dāng)量直徑。本論文提出了一個(gè)適用于蛋白質(zhì)結(jié)晶過程的基于晶體形狀結(jié)構(gòu)的群體粒數(shù)衡算模型。在該模型中,蛋白質(zhì)晶體的形狀被定量描述為每個(gè)晶面到晶體幾何中心的距離,由此提出了基于

3、蛋白質(zhì)晶形的多維粒度分布,即形狀分布的概念。
　　 論文以溶菌酶結(jié)晶過程為例,對溶菌酶晶體結(jié)晶的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)行為進(jìn)行了分析和研究,應(yīng)用非線性回歸的方法,確定了四方系溶菌酶的結(jié)晶動(dòng)力學(xué)方程參數(shù)。結(jié)合本論文提出的基于晶體形狀結(jié)構(gòu)的群體粒數(shù)衡算模型,質(zhì)量衡算方程以及能量方程建立了溶菌酶冷卻結(jié)晶過程模型。利用該模型可以描述不同操作條件下晶體群體的形狀分布和粒度分布隨時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化,即在過程系統(tǒng)尺度上蛋白質(zhì)結(jié)晶過程的晶體生長行為。

4、>　　 利用提出的溶菌酶冷卻結(jié)晶過程模型,論文模擬研究了雞蛋清溶菌酶冷卻結(jié)晶過程中的冷卻速率,晶種負(fù)荷以及晶種的尺寸對結(jié)晶過程的影響,,尤其是對產(chǎn)品晶體的形狀和粒度分布以及過飽和度的影響。模擬研究發(fā)現(xiàn),結(jié)果表明:低晶種負(fù)荷(0.001)生產(chǎn)的溶菌酶晶體顆粒較大而且長寬比較小;較低的冷卻速率(0.7℃/day)下溶菌酶晶體生長很慢;較高的冷卻速率(高于2.0℃/day)會(huì)產(chǎn)生較大的晶體顆粒和較小的長寬比。論文還提出了適于二維晶種負(fù)荷預(yù)估

5、的模型,用于估算蛋白質(zhì)結(jié)晶過程所需添加的晶種負(fù)荷量。
　　 應(yīng)用基于晶型結(jié)構(gòu)的群體粒數(shù)衡算模型可以研究和控制不同晶面的生長,以達(dá)到所期望的晶體外形和尺寸,因此本論文進(jìn)一步對溶菌酶結(jié)晶過程中的產(chǎn)品晶體形狀分布和粒度分布進(jìn)行了優(yōu)化研究。對于期望的產(chǎn)品晶體的形狀和尺寸分布,通過調(diào)節(jié)操作參數(shù),可以優(yōu)化得到最優(yōu)的冷卻溫度曲線和過飽和度曲線。模擬晶體群體的生長行為是一個(gè)極為復(fù)雜,非線性很強(qiáng)的過程,而且模擬計(jì)算非常耗時(shí),本文利用遺傳算法對群體

6、粒數(shù)模型進(jìn)行優(yōu)化,證明是有效的。通過調(diào)節(jié)結(jié)晶器夾套中冷卻劑的流量實(shí)現(xiàn)了冷卻溫度曲線和過飽和度曲線的跟蹤控制,從而使控制晶體產(chǎn)品形狀分布和尺寸分布成為可能。
　　 由于溫度條件易于操作控制,重復(fù)性好,因此被廣泛應(yīng)用于小分子工業(yè)結(jié)晶。然而,目前還缺乏對連續(xù)降溫冷卻法進(jìn)行蛋白質(zhì)結(jié)晶的系統(tǒng)研究。本論文通過多槽微孔板并行結(jié)晶實(shí)驗(yàn)(24槽坐滴式微結(jié)晶器)找到了適合研究溶菌酶冷卻結(jié)晶的適宜的初始條件,包括適宜的溶菌酶溶液初始濃度,沉淀劑濃度以