蛋白质分离采用膜层析.docx

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蛋白质分离采用膜层析

蛋白质分离采用膜层析：

机遇与挑战

抽象

使用合成孔和微孔膜作为层析介质填充床色谱的一些相关的问题，是可以克服的。

本文综述了目前的发展状况，在该地区的膜蛋白质的色谱分离。

膜色谱的运输现象简要讨论，并在这方面所做的工作进行检讨。

它已被用于蛋白质的分离，以及与不同的应用程序，各种分离化学评论。

膜色谱技术所面临的挑战，突出显示，并的范围为今后的工作进行了讨论。

关键词：

评论;膜色谱;固定相，LC

1、介绍

色谱法是迄今为止最广泛使用的用于高分辨率的蛋白质分离和分析技术。

传统上，这些过程被进行使用填料床，其中有几个主要的限制。

填充床的压降普遍偏高，往往会增加在一个过程中，由于床合并（介质变形引起的）的综合影响，造成的胶体物质积累的列致盲。

与常规的色谱生化分离过程，特别是那些采用软色谱介质，另一种主要的限制是依赖于颗粒内扩散的溶质分子的结合位点（参照图1）这样的介质的孔隙内的运输。

这增加了处理时间，因为运输的大分子通过扩散是缓慢的，尤其是当它被阻碍。

因此，回收液量（洗脱所需的）也增加。

沟流，即形成流路由于开裂的填充床，是一个大问题。

这会导致短路物质流，导致病床使用率不佳。

其他问题包括从使用传统的多分散介质所产生的径向和轴向扩散限制。

其中的一些因素的运输现象是复杂的事实，使填充床层析过程中难以规模的扩大。

图1溶质运移填充床色谱和膜色谱。

填充床色谱法的一些设计上的限制已被克服，通过使用新开发的单分散性的，无孔的，刚性的色谱介质（例如，参考文献[1]和[2]）。

然而，这些媒体通常是昂贵的和溶质的结合能力大大降低自结合现在可以只发生在外部表面。

此外，与这些材料中，高压降的问题依然存在。

是一种完全不同的方法来克服的局限性，与填充床使用化学合成的微孔或大孔膜层析介质（如文献[3][4][5][6]）。

其结合位点的溶质运输在膜色谱过程中发生主要通过对流（参照图1），从而减少了处理时间，而且回收液量。

的结合效率一般是独立的进料流率，在很宽的范围内，也可以使用，因此非常高的流动速率。

的压力损失也显着低于与填充床。

另一个主要优点是膜吸附填料床规模相比相对容易。

然而，这种潜力还没有得到充分的利用尚未在生物工艺行业。

膜色谱法特别适合于较大的蛋白质（即Mŗ>250000）。

这样的蛋白质很少进入孔隙中存在的微粒色谱介质的外部可用的表面积，这样的介质上的唯一的绑定。

因此，对于较大的蛋白质，可用于绑定的表面积与膜显着更大。

较小的蛋白质的结合能力的膜吸附在一般低于传统的基于凝胶的媒体，但明显高于单分散性的，无孔的，硬介质。

膜色谱设备一般都是大量生产更容易，更便宜。

这使得有可能有​​一次性膜吸附器。

这些设备可以使用，直至维持理想的性能（即液压通透性，结合能力，选择性和分辨能力）。

一旦他们停止正常运作这些设备可以更换。

消除这种类型的灵活性的要求，以便进行清洁设备重新生效。

利用不同的化学分离的蛋白质在膜色谱。

已发现一些已在使用中的膜分离过程的其他类型的（例如微滤）膜是适合作为色谱介质。

然而，在大多数情况下，这些可用的膜已被修改，以使它们更适合用作膜吸附器。

也已经开发新型合成膜。

填充床色谱分离，膜色谱具有一定的相似之处，另一种方法是基于巨石列上使用。

这些列被用棒状的多孔结构，通过对流流动相可以发生。

整料列的主要优点是膜色谱相似。

然而，不同的膜材料的结构和形态方面巨石。

虽然膜顾名思义就是横向尺寸远远超过了纵向尺寸的障碍，相反可能是真实的巨石。

巨石或许更类似于比膜填充床色谱柱。

在这篇评论文章中，膜色谱的发展在该地区的当前状态进行了讨论。

发表的文献中的蛋白质膜色谱领域的审查（例如膜层析潜在的局限性还强调，这项技术更广泛地接受，在很大程度上取决于找到解决这些限制。

2。

膜层析运输现象

膜色谱法的优点在于对流物质运输的主导地位。

然而，显而易见的，从图。

1，扩散输运不完全缺席。

单独对流的优势不一定能保证效率。

对流不合适的类型可以是一个严重的缺点。

流量分配色谱和确实大多数类型的分离过程中的一个主要问题。

设计合理的膜层析工艺和设备是可能的，只有当涉及的运输现象，正确理解。

但是，它可能是值得一提的是，在许多的层析过程中，特别是那些依赖亲和型的相互作用，结合动力学进行限制。

在这些方法中，在传输现象的改善是可能导致过程的效率显着改善。

一般来说，膜吸附器的三种类型的用于对蛋白质生物分离：

平片，中空纤维和径向流。

单平板很少被采用。

更多的时候，一些平板堆被安置于膜组件。

除了​​提供更多的吸附剂体积，膜堆栈的使用具有下面讨论的某些其他好处。

的中空纤维膜具有一个管状的几何形状通常范围从0.25到2.5毫米的直径与管。

中空纤维膜吸附通常由几百纤维管壳式换热器型配置中的一个模块内盆栽的捆绑。

径向流吸附器的制备是通过螺旋缠绕的平片膜的多孔圆筒形芯图图2总结了相对于使用三种主要类型的膜吸附器（基于在这篇文章中评论的论文）。

平板膜是迄今为止最为广泛。

尽管有利的，其他类型的基于膜的技术（如微滤，超滤和透析），中空纤维，也许不太好，适合于膜色谱。

解释这种情况的原因是在未来一段。

大多数使用的中空纤维上的报告是从研究团队积极从事中空纤维膜在发展的不同用途。

径向流装置的使用也没有，尽管一些这种类型的吸附器是可在市场上已发表​​的文献中广泛报道，如表1所示的市售的膜吸附。

事实上，有相对较少的厂家生产的膜吸附表示新奇的技术。

图2，膜吸附器类型（几何）。

图选项

表1中。

市售的膜吸附器

产品名称

膜材料/类型

组态

生产厂家

SartobindMA5，

强化企稳纤维素，

平板，准备

赛多利斯

MA15和MA100

强阳离子交换（S型），

使用吸附

强阴离子交换（Q型），

弱阳离子交换（C型），

弱阴离子交换（D型）

SartobindMA120

强化企稳纤维素，

平板，

赛多利斯

MA550，MA600X5

强阳离子交换（S型），

光盘

和MA5500X10

强阴离子交换（Q型），

弱阳离子交换（C型），

弱阴离子交换（D型）

Sartobind因子

强化企稳纤维素，

径向流

赛多利斯

两个家庭

强阳离子交换（S型），

盒式磁带

强阴离子交换（Q型），

弱阳离子交换（C型），

弱阴离子交换（D型）

SartobindC5F，

强化企稳纤维素，

平板

赛多利斯

C15X和C100X

弱阳离子交换

Vivapure

强与弱，

平板，

VIVASCIENCE

阴，阳离子交换

离心

Q野马

亲水性聚醚砜，

径向流

鲍尔

阴离子交换

胶囊和

盒式磁带

在平片膜吸附器中，该液体通常是引入垂直于膜表面（参照图3）。

在中空纤维膜的液体最初平行于膜表面流动（参照图3）。

然后将液体逐渐朝向和静水压力差，由于通过毛孔。

使用的中空纤维结构的主要优点是高的膜表面积与体积之比，它提供了。

使用中空纤维的另一个优点是减少由于横流的孔隙入口附近的颗粒堆积。

在中空纤维中的液体流动模式的观察表明，这种类型的吸附器不能用于脉冲色谱法依赖于样品注射的形式的脉冲，其持续时间与总的处理时间相比是微不足道的。

即使在绑定和洗脱模式，突破有望扩大，导致吸附利用率较差。

图中所示的径向流动装置的液体流动模式。

3。

图流在膜吸附。

图选项

径向流吸附自称是适合大规模应用。

然而，在这些装置中的流动分布预期是相当具有挑战性。

膜的面积也增加，在径向向外的方向。

这势必引入的复杂性，导致在其流量通过膜表面的液体流速度下降。

的径向流吸附器显然是不适合脉冲色谱法。

它很可能是更适合使用的绑定和洗脱下来模式。

然而，结合和洗脱过程可能是困难的建模和预测。

尽管这种感知的缺点，径向流吸附流行的行业用户。

赛多利斯和Pall公司如几个成功的产品已经商品化。

在这些产品的设计，已投入相当大的努力，成提高流量分布。

一些研究人员认为占有优势径向流装置的膜堆放远大于缺点产生的气流分布。

一旦进入进料膜，它流过的孔，一般均认为相对于膜表面的取向正常。

通过膜的总体的液体流动发生在一个正常的方向。

然而，由于大多数微孔膜中孔隙的曲折性，本地化流未必总是如此。

液体流动制度通常是层。

主要是对流运输的蛋白质分子内圆柱孔的轴向径向输运，而主要是扩散。

轴向运输可能会受到泰勒分散。

然而，这种效果被期待要小。

一些研究者已研究膜色谱中的传输现象（例如，参考文献[5]，[21]，[48]，[49]，[55]，[58]，[82]，[108]和[109]）。

大多数的这些文件作为模型系统的基础上的平片膜。

处理与运输现象膜色谱最早的论文之一是内裤和库拉[5]。

数学公式被提出和解决一个理想化的膜吸附的基础上成堆的平板来预测突破和洗脱曲线。

动态吸附和洗脱研究使用的酶甲酸脱氢酶和丙酮酸脱羧酶的数学公式所预测的趋势进行了实验验证。

孙先生及策尔[48]提出了一个数学模型，该模型考虑到对流，扩散和吸附等温线符合Langmuir型了。

这种模式也是基于一个平板式膜吸附。

在本文中，它被预测，用很薄的膜的流率的上限可以由配体-蛋白质关联动力学限制。

被推荐一些薄膜使用堆栈来克服这个限制。

还强调了膜的孔隙度和厚度的变化所带来的局限性。

这个数学模型的大众运输的影响进行了探讨（单克隆抗体）使用的实验研究[49]在随后的纸张。

Tennikova和斯威克[21]研究了膜色谱法（平板）的大众运输的现象主要是基于操作参数。

大众交通影响流程效率的运行参数（如肤浅的速度，孔径，膜的厚度，蛋白质扩散）所观察到的影响进行了讨论。

他们报告说，检查系统的处理效率，并不限定于流率。

这被认为是由于增强扩散蛋白质运输，由于流速增加（即增加传质系数）。

据报道，近四年幅度高于其各自的解决方案扩散订单毛孔内的蛋白质的扩散系数。

刘和油炸讨论根据溶菌酶的吸附在平板亲和膜系统的一个模型系统[82]。

在重要的细节，传质的影响进行了讨论。

的径向和轴向扩散和孔径分布和膜厚度的变化的影响的重要性进行了审议。

增加的细孔径分布和膜厚度的变化显着地拓宽了穿透曲线。

有人建议，用大量的膜堆“平均化”流动分散会增加清晰度的突破曲线，因此增加的结合效率。

Roper和莱特富[109]，在他们的评论文章中，定性地讨论了不同类型的膜吸附器的传质现象。

最近，Sarfert策尔[55]，杨等人[58]和特赫达等人[108]讨论在设计膜吸附传质的影响。

3。

化学分离回顾

早期的评论文章往往集中大量运用在膜色谱（如文献化学分离[17]，[30]，[32]和[65]）。

这些措施包括离子交换（IEX），亲和力疏水相互作用（HI）和反相（RP）为基础的分离（参见图4）。

使用的离子交换和亲和相互作用得到越来越广泛的报道。

已经有显着减少工作疏水相互作用和基于反相蛋白质膜色谱。

图4，相对使用不同的化学分离，膜色谱。

图选项

文献回顾的基础上，亲和分离似乎构成单一最大的细分市场。

这可能是由于与不同的配体，可以相对容易地附着到膜。

事实上，亲和相互作用被广泛应用于从不分青红皂白地使用术语“亲和膜”一些研究人员表示所有类型的膜具有约束力的性质是显而易见的。

用于亲和膜色谱的配位体大致可分为四种类型：

1。

免疫亲和配体;

2。

A或G蛋白;

3。

低分子量的质量的配体;

4。

其它配位体。

表2中列出了不同的免疫亲和配体的用途。

免疫亲和层析依赖于利用生物特异抗原抗体识别和结合。

使用抗体作为配位体可能是更加普遍。

然而，在理论上的抗原可能同样也可以使用作为配位体朝它特定的纯化抗体。

使用多克隆抗体和单克隆抗体免疫亲和配体的报道。

然而，预期的结合效率和选择性显着更高的单克隆抗体。

附件所涉及的化学抗体膜主要从开发活动抑制细胞膜上的酶和其他聚合物表面。

同时开展这些附件护理程序必须注意，以确保结合的抗体保持其生物特异性的抗原结合能力。

表2中。

基于免疫亲和配体的膜色谱

配体

膜

目标蛋白/秒

吸附

楼盘。

几何

抗IgE抗体

再生纤维素

IgE抗体

平板

[77]

抗牛血清白蛋白抗体

再生纤维素

BSA

中空纤维

[26]

人IgG

GMA-EDMA

G蛋白

平板

[23]

单克隆抗体

酰肼

白细胞介素-2受体

中空纤维

[73]

单克隆抗体

酰肼

白细胞介素-2

中空纤维

[74]

BSA单克隆抗

再生纤维素

BSA

平板

[85]

抗体

反HSAP抗体

纤维素

人血清淀粉样蛋白P（HSAP）

平板

[78]

反RINFα2A

酰肼

重组干扰素-α2A

中空纤维

[73]

单克隆抗体

（α2ARINF）

IgG抗体

（GMA-EDMA）共聚

重组蛋白G

平板

[25]

IgG抗体

微孔膜

人低密度脂蛋白

平板

[69]

IgG抗体

微孔膜

人低密度脂蛋白

平板

[57]

表选项

蛋白A，蛋白G是通过抗体的Fc区特异性结合免疫球蛋白G（IgG）的物质。

是不是这种类型的识别和结合抗原抗体结合的一个例子，因此列为一个单独的类别。

表3列出了各种用途的蛋白质A和G蛋白膜色谱。

抗体附件，附件中涉及的化学蛋白质A和G膜主要从开发酶固定。

表3。

蛋白A和G亲和膜色谱

配体

膜

目标

吸附

楼盘。

蛋白质/s的

几何

蛋白A

羟乙基纤维素处理

IgG抗体

中空纤维

[31]

混合聚醚砜

和聚环氧乙烷

蛋白A/G

基于甲基丙烯酸甲酯的

IgG抗体

平板

[34]

共聚物

重组蛋白G

再生纤维素

IgG抗体

平板

[53]

蛋白A

基于尼龙

人IgG

平板

[70]

蛋白A

聚（醚型聚氨酯-脲）

人IgG

平板

[86]

蛋白A

复合膜

人IgG

中空纤维

[3]

重组蛋白A

聚醚砜

人IgG

中空纤维

[27]

重组蛋白A

聚砜

人IgG

中空纤维

[28]

重组蛋白A

复合纤​​维素膜

人IgG

径向流

[87]

重组蛋白A/G

聚己内酰胺

人IgG

平板

[29]

蛋白A

环氧

鼠单克隆

平板

[88]

抗体（IgG）

G蛋白

基于尼龙

人IgG

平板

[103]

蛋白A

聚（偏氟乙烯）

人IgG

平板

[100]

蛋白A

聚（GMAEDMA）

人IgG

平板

[64]

重组蛋白G

的ImmobilonAV

人IgG

平板

[59]

子类

表选项

表4列出了各种低分子量的质量（LMM）配体的报告的用途。

合成染料是最广泛使用的LMM的配位体。

这主要是遗留下来的早期发展领域的填充床亲和层析。

其他LMM的配位体包括氨基酸，糖类和底物类似物。

表5中列出了其它类型的配位体，包括肽，聚合物物质和固定化金属离子。

不同的成膜材料（如甲壳素）具有内在的亲和力不同的蛋白质结合能力。

表4。

低分子质量的配体亲和膜色谱法

配体

膜

目标蛋白/秒

吸附

楼盘。

几何

染料F3-GA

基于尼龙

BSA

平板

[5]

活性黄HE-4R

基于尼龙

丙酮酸脱羧酶

平板

[5]

普施安红HE-3R

基于尼龙

甲酸脱氢酶

平板

[5]

染料CibacronBlue3GA

纤维素

溶菌酶

平板

[82]

麦芽糖

纤维素

伴刀豆球蛋白A

平板

[18]

苯丙氨酸

基于聚乙烯

IgG抗体

中空纤维

[35]

色氨酸

基于聚乙烯

IgG抗体

中空纤维

[36]

组氨酸

Polyethylenevinyl

人IgG

中空纤维

[89]

酒精

染料F3-GA

基于尼龙

腺苷酸激酶

平板

[4]

染料F3-GA

改性纤维素

碱性磷酸酶

平板

[76]

染料F3-GA

丙烯酸共聚物

BSA

管状的

[71]

染料F3-GA

聚（羟乙基

牛过氧化氢酶

平板

[90]

甲基丙烯酸甲酯）

染料F3-GA

sartobind蓝2

酵母的葡萄糖-6-磷酸

平板

[6]

磷酸盐脱氢酶

染料F3-GA

支持壳聚糖

人血清白蛋白的

平板

[11]

对Aminomethylbenzoyl

聚（甲基缩水

碳酸酐酶

平板

[61]

磺胺

丙烯酸酯）的基础

天门冬氨酸

再生纤维素

天冬氨酸

平板

[105]

对氨基苯甲

壳聚糖膜

胰蛋白酶

平板

[14]

染料F3-GA

壳聚糖膜

人血清白蛋白的

平板

[15]

染料F3-GA

基于尼龙

丙氨酸脱氢酶

平板

[102]

普施安蓝MX-R

改性聚乙烯

肌酸磷酸激酶

中空纤维

[99]

表选项

表5中。

其他类型的亲和膜色谱法

配体

膜

目标蛋白/秒

吸附

楼盘。

几何

肽配体

Pentadecapeptide

GMA-EDMA

IgG抗体

平板

[24]

十六肽

GMA-EDMA

IgG抗体

平板

[24]

此聚合物配位体

基于甲壳素

大孔甲壳素膜

溶菌酶

平板

[12]

胶原

环氧

联蛋白

平板

[62]

胰蛋白酶

改性聚砜

大豆胰蛋白酶抑制剂

平板

[75]

基于甲壳素

大孔甲壳素膜

麦胚凝集素

平板

[16]

大豆胰蛋白酶抑制剂

改性聚乙烯

胰蛋白酶

中空纤维

[46]

嗜硫配体

单克隆抗体

螺旋缠绕

[8]

固定化金属离子配体

铜2+

SartobindIDA膜

细胞色素Ç，溶菌酶

平板

[67]

和胰凝乳蛋白酶

铜2+

玻璃膜

细胞色素Ç，溶菌酶，

管状的

[91]

胰凝乳蛋白酶ấ的

和核糖核酸酶A

铜2+

基于尼龙

溶菌酶，卵清蛋白和

平板

[92]

刀豆蛋白A

表选项

离子交换膜指用于膜色谱介质的另一个主要部分。

大量用于微孔膜已知有离子交换性能。

在许多应用中，这被认为是一个主要的缺点。

然而，这个属性被证明是潜在有用的进行色谱分离。

一些这些膜进行了修改，以提高他们的离子交换容量。

介绍了不同的带电基团，如磺酸（S），磺丙基（SP），二乙基氨基乙基（DEAE），季铵（Q），以获得高的蛋白结合膜。

表6列出了各种报告所使用的离子交换膜色谱用于蛋白质的分离。

在市售的色谱膜，离子交换膜构成的最大部分。

表6。

离子交换膜色谱

类型

膜

目标蛋白/秒

吸附

楼盘。

几何

阳离子交换

sartobindS（磺酸型）

血红蛋白，溶菌酶

径向流

[81]

阴离子交换

DEA含有GMA-EDMA

肌红蛋白，伴清蛋白，

平板

[21]

共聚物

卵清蛋白和大豆

胰蛋白酶抑制剂

阳离子交换

sartobindS（磺酸型）

溶菌酶，卵清蛋白

平板

[83]

阴离子交换

sartobindQ（季铵型）

牛血清白蛋白，IgM抗体

平板

[83]

阳离子交换

sartobindS（磺酸型）

血浆蛋白

平板

[9]

阴离子交换

sartobindQ（季铵型）

血浆蛋白

平板

[9]

阳离子交换

sartobindS（磺酸型）

单克隆抗体（IgG）

平板

[84]

阴离子交换

sartobindQ（季铵型）

单克隆抗体（IgG）

平板

[84]

阴离子交换

大孔壳聚糖膜

细胞色素Ç，溶菌酶，

平板

[13]

卵清蛋白，人血清白蛋白，

大豆胰蛋白酶抑制剂

阳离子交换

S型纤维素膜

BSA

平板

[55]

阳离子交换

sartobindS（磺酸型）

溶菌酶，胰凝乳蛋白酶原

平板

[66]

A和大豆胰蛋白酶抑制剂

阴离子交换

SartobindQ（季

溶菌酶，胰凝乳蛋白酶原

平板

[66]

铵型）

A和大豆胰蛋白酶抑制剂

阴离子交换

快速磁盘Q膜

人肿瘤坏死因子

平板

[63]

阳离子交换

SP聚乙烯

溶菌酶

中空纤维

[37]

阳离子交换

sartobindS（磺酸型）

鼠单克隆抗体（IgG）

平板

[88]

阳离子/阴离子

SartobindS和QSartobind

鼠单克隆抗体（IgG）

平板

[93]

阴离子交换

DEAEMemSep100

卵清蛋白和肌红蛋白

平板

[94]

阴离子交换

DEAEMemSep的

磷酸二酯酶

平板

[95]

阳离子/阴离子

和Q纤维素膜

乳清蛋白

平板

[52]

阳离子/阴离子

和Q纤维素膜

乳清蛋白

平板

[54]

阴离子交换

聚（甲基丙烯酸缩水甘油酯）

卵清蛋白，伴清蛋白，

平板

[40]

肌红蛋白，大豆

胰蛋白酶抑制剂

阳离子交换

sartobindS（磺酸型）

溶菌酶，牛血清白蛋白

平板

[10]

阳离子/阴离子

S，DEA和EA呈现膜

BSA

中空纤维

[42]

阳离子/阴离子

S，DEA和EA呈现膜

BSA

中空纤维

[43]

阳离子/阴离子

S和DEA呈递共聚物

牛奶中的蛋白质

平板

[68]

和纤维素膜

阳离子/阴离子

DEAE和SPZetaprep100的

人血白蛋白

径向流

[96]

阳离子交换

SPMemSep1010

乳清蛋白，牛血清白蛋白

平板

[50]

阳离子/阴离子

CM和DEAEMemSep1010的

溶菌酶，细胞色素C，

平板

[97]

胰凝乳蛋白酶，乳清蛋白，

伴清蛋白和卵清蛋白

阳离子/阴离子

和Q纤维素膜

乳球蛋白，溶菌酶，

平板

[69]

伴清蛋白，细胞色素Ç

和胰凝乳蛋白酶

阴离子交换

QAE-Cellulose/acrylic

β-半乳糖苷酶

平板

[104]

阳离子交换

SP-改性聚乙烯

溶菌酶

平板

[38]

阴离子交换

DEAE-聚（GMA-EDMA）

大豆胰蛋白酶抑制剂，

平板

[62]

肌红蛋白和伴清蛋白

阴离子交换

改性的纤维素，聚（乙烯基

BSA

平板

[101]

氯）复合

阳离子交换

S-聚（甲基丙烯酸缩水甘油酯）

溶菌酶

中空纤维

[47]

阳离子交换

CMMemSep1010

疫毒，单克隆抗体

平板

[106]

阴离子交换

DEAEMemSep1000

氨基端结构域

平板

[107]

甲酰四氢

脱氢酶

阴离子交换

DEAE-聚合物

BSA

中空纤维

[41]

阳离子交换

磺酸型膜

乳铁蛋白和乳过氧化物酶

平板

[56]

表选项

表7列出了各种利用反相和