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2023 Fiscal Year Research-status Report

Studies for early prediction of physical degradation of therapeutic proteins

Research Project

Project/Area Number 21K06503
Research InstitutionNagahama Institute of Bio-Science and Technology

Principal Investigator

今村 比呂志  長浜バイオ大学, バイオサイエンス学部, 助教 (40552485)

Project Period (FY) 2021-04-01 – 2025-03-31
Keywords蛋白質医薬品 / 物理劣化 / 凝集 / 変性 / 抗体
Outline of Annual Research Achievements

蛋白質医薬品は蛋白質を主成分とする医薬品であり、その特異性の高さと重大な疾患に有効なことから今後ますます利用されることが期待される。一方、蛋白質であることから低分子医薬にはない変性と凝集の問題を抱えている。変性と凝集は、化学組成を変える化学劣化と区別され、物理劣化と呼ばれる。蛋白質医薬品の物理劣化は薬効の低下を招くだけでなく、免疫応答を引き起こす可能性もある。物理劣化しにくい蛋白質分子や条件を限られた時間、資源の中で十分に検討することは容易ではない。本研究では、短期の実験データから、凝集の数理モデルに従って、長期で起こる変性・凝集を予測(=“早期診断”)する手法を開発することを目標とする。具体的には、(a)蛋白質の変性・凝集のし易さを長期保管試験せずに短時間でアッセイする方法の開発、(b)アッセイ系で観測される変性・凝集のモデリング、を実施する。
蛋白質の凝集は、「(i) 変性を伴う凝集」と「(ii) 変性を伴わない凝集」がある。2023年度は「(i) 変性を伴う凝集」の”早期診断”法として、凝集体になる前の初期過程(変性構造)を明らかにした。小角散乱法を用いて酸性溶液中の抗体を測定したところ、天然構造とは異なる特徴的なKratkyシグナルがギニエ領域以降に見られた。その由来を理論解析したところ、変性の際、天然構造に特徴的なFcとFab領域間の長距離の相関が失われていることがわかった。
「(ii) 変性を伴わない凝集」について、ミオグロビンをモデルとして小角X線散乱データに見られる構造因子と分子間相互作用の関係の解析を進めた。また、抗体医薬品の溶解性のスクリーニングに用いられているポリエチレングリコール沈殿アッセイの溶解性パラメータの物理化学的起源を検討した。従来考慮されている高分子と蛋白質間の排除体積効果に加え、蛋白質間相互作用が沈殿耐性をもたらしていることを明らかにした。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

「(a)蛋白質の変性・凝集のし易さを長期保管試験せずに短時間でアッセイする方法の開発」は「(i) 変性を伴う凝集」と「(ii) 変性を伴わない凝集」いずれについても実験データの取得と解析と再現性の確認が進み、計画通り進んだ。「(b)アッセイ系で観測される変性・凝集のモデリング」は「(i) 変性を伴う凝集」と「(ii) 変性を伴わない凝集」いずれについてもモデル式による実験データの再現および、物理パラメータの解析が進んだ。

Strategy for Future Research Activity

「(a)蛋白質の変性・凝集のし易さを長期保管試験せずに短時間でアッセイする方法の開発」については、変性剤濃度変調法における変性剤(酸およびグアニジン塩酸塩)の効果について成果の公表を進める。「(b)アッセイ系で観測される変性・凝集のモデリング」については、分子間相互作用と凝集の関係式を用いた実験データの解析法について成果の公表を進める。また、適宜再現性などの検討を進める。

Causes of Carryover

研究成果の報告のための英文校正、投稿費として次年度に使用することが必要となったため。

  • Research Products

    (26 results)

All 2024 2023 Other

All Journal Article (9 results) (of which Peer Reviewed: 8 results,  Open Access: 6 results) Presentation (11 results) (of which Invited: 3 results) Book (1 results) Remarks (5 results)

  • [Journal Article] Energy Transfer on Cytoskeleton of Red Blood Cell Ghosts and their Efficiency Control by KCl Concentration‐induced Cell Shrinkage2024

    • Author(s)
      Hiroe Haruka、Kawamoto Masashi、Imamura Hiroshi、Koshiyama Tomomi
    • Journal Title

      Chemistry - A European Journal

      Volume: 30 Pages: e202303749

    • DOI

      10.1002/chem.202303749

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Mechanistic Modeling of Amyloid Oligomer and Protofibril Formation in Bovine Insulin2024

    • Author(s)
      Yuzu Keisuke、Imamura Hiroshi、Nozaki Takuro、Fujii Yuki、Badawy Shaymaa Mohamed Mohamed、Morishima Ken、Okuda Aya、Inoue Rintaro、Sugiyama Masaaki、Chatani Eri
    • Journal Title

      Journal of Molecular Biology

      Volume: 436 Pages: 168461~168461

    • DOI

      10.1016/j.jmb.2024.168461

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] タンパク質の電荷を実感する学生実験の一工夫:リゾチームのイオン交換クロマトグラフィーと中村効果2024

    • Author(s)
      今村 比呂志、神村 麻友、川瀬 雅也
    • Journal Title

      生物工学会誌

      Volume: 102 Pages: 67~75

    • DOI

      10.34565/seibutsukogaku.102.2_67

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Phone2SAS: 3D scanning by smartphone aids the realization of small-angle scattering2023

    • Author(s)
      Imamura Hiroshi
    • Journal Title

      Biophysics and Physicobiology

      Volume: 20 Pages: e200021

    • DOI

      10.2142/biophysico.bppb-v20.0021

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Cue to Acid-Induced Long-Range Conformational Changes in an Antibody Preceding Aggregation: The Structural Origins of the Subpeaks in Kratky Plots of Small-Angle X-ray Scattering2023

    • Author(s)
      Imamura Hiroshi、Honda Shinya
    • Journal Title

      International Journal of Molecular Sciences

      Volume: 24 Pages: 12042~12042

    • DOI

      10.3390/ijms241512042

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Getting Smaller by Denaturation: Acid-Induced Compaction of Antibodies2023

    • Author(s)
      Imamura Hiroshi、Ooishi Ayako、Honda Shinya
    • Journal Title

      The Journal of Physical Chemistry Letters

      Volume: 14 Pages: 3898~3906

    • DOI

      10.1021/acs.jpclett.3c00258

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Expression and characterization of C-terminal truncated mutants of γ-glutamyltranspeptidase II (PaGGTII) from Pseudomonas aeruginosa PAO12023

    • Author(s)
      Wang Xinjia、Hatta Seiji、Matsui Daisuke、Imamura Hiroshi、Wakayama Mamoru
    • Journal Title

      Protein Expression and Purification

      Volume: 210 Pages: 106321~106321

    • DOI

      10.1016/j.pep.2023.106321

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Molecular mechanism of the common and opposing cosolvent effects of fluorinated alcohol and urea on a coiled coil protein2023

    • Author(s)
      Nakata Noa、Okamoto Ryuichi、Sumi Tomonari、Koga Kenichiro、Morita Takeshi、Imamura Hiroshi
    • Journal Title

      Protein Science

      Volume: 32 Pages: e4763

    • DOI

      10.1002/pro.4763

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Mechanistic modeling of amyloid oligomer and protofibril formation2023

    • Author(s)
      Yuzu Keisuke、Imamura Hiroshi、Nozaki Takuro、Fujii Yuki、Mohamed Badawy Shaymaa Mohamed、Morishima Ken、Okuda Aya、Inoue Rintaro、Sugiyama Masaaki、Chatani Eri
    • Journal Title

      bioRxiv

      Volume: - Pages: -

    • DOI

      10.1101/2023.09.02.556028

    • Open Access
  • [Presentation] 変性して小さくなる蛋白質の発見: SEC-SAXS法による抗体の変性構造の解析2024

    • Author(s)
      今村比呂志
    • Organizer
      PF研究会「物質・生命研究における小角散乱法の展開:現状と展望のための討論会」
  • [Presentation] 抗体の分子内凝集~変性して小さくなるタンパク質の発見2023

    • Author(s)
      今村比呂志, 大石郁子, 本田真也
    • Organizer
      第23回日本蛋白質科学会年会
  • [Presentation] ウシ由来インスリンのアミロイド核形成に見られるオリゴマーおよびプロトフィブリル形成機構2023

    • Author(s)
      柚佳祐, 今村比呂志, 野崎拓郎, 藤井悠生, 守島健, 奥田綾, 井上倫太郎, 杉山正明, 茶谷絵理
    • Organizer
      第23回日本蛋白質科学会年会
  • [Presentation] 疎水性及び親水性物質水溶液に共通する欠乏構造2023

    • Author(s)
      澁田諭, 今村比呂志, 澁田宏太, 十代健
    • Organizer
      第17回日本分子科学討論会
  • [Presentation] Antibody can be Smaller by Denaturation2023

    • Author(s)
      Imamura Hiroshi、Ooishi Ayako、Honda Shinya
    • Organizer
      International Congress on Pure and Applied Chemistry (ICPAC Bali 2023)
    • Invited
  • [Presentation] Water-mediated Interactions Destabilize Proteins2023

    • Author(s)
      Sumi Tomonari、Imamura Hiroshi
    • Organizer
      International Congress on Pure and Applied Chemistry (ICPAC Bali 2023)
    • Invited
  • [Presentation] 抗体の変性によるコンパクト化と理想的球状化2023

    • Author(s)
      今村比呂志, 大石郁子, 本田真也
    • Organizer
      第61回日本生物物理学会年会
  • [Presentation] Myoglobin evolution in Paleozoic era2023

    • Author(s)
      Y. Isogai, A. Tsuneshige, M. Mori, M. Yoshida, H. Imamura, T. Shirai
    • Organizer
      第61回日本生物物理学会年会
  • [Presentation] ウシ由来インスリンのアミロイドオリゴマーおよびプロトフィブリル形成のモデリング2023

    • Author(s)
      柚佳祐, 今村比呂志, 野崎拓郎, 藤井悠生, 守島健, 奥田綾, 井上倫太郎, 杉山正明, 茶谷絵理
    • Organizer
      第61回日本生物物理学会年会
  • [Presentation] バイオ医薬品タンパク質の変性と凝集問題2023

    • Author(s)
      今村比呂志
    • Organizer
      高分子学会 高分子計算機科学研究会
    • Invited
  • [Presentation] 抗体の不思議な構造変化:酸性溶液中では天然構造よりも小さくコンパクトな球状構造になる2023

    • Author(s)
      今村比呂志, 大石郁子, 本田真也
    • Organizer
      第2回日本抗体学会
  • [Book] タンパク質の構造解析手法とIn silicoスクリーニングへの応用事例2023

    • Author(s)
      墨智成、今村比呂志
    • Total Pages
      530
    • Publisher
      技術情報協会
    • ISBN
      9784861049712
  • [Remarks] Phone2SASプログラム: 3Dスキャンデータから小角散乱を計算する

    • URL

      https://doi.org/10.34600/data.biophysico.22778660

  • [Remarks] 蛋白質の変性を熱力学的にみると

    • URL

      https://www.biophys.jp/highschool/B-17.html

  • [Remarks] タンパク質が変性して小さくなることを発見

    • URL

      https://www.nagahama-i-bio.ac.jp/?p=45271

  • [Remarks] Modulation of protein stability

    • URL

      https://www.eurekalert.org/news-releases/1005242

  • [Remarks] 抗体医薬品の劣化の初期過程を解明

    • URL

      https://www.nagahama-i-bio.ac.jp/?p=47454

URL: 

Published: 2024-12-25  

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