Highly concentrated protein formulations : concentration dependent protein-protein interactions and its macroscopic effects

Abstract

Protein-Protein-Wechselwirkungen (PPI) sind involviert in Aggregation, sowie Protein-Assoziationsprozesse aber auch verantwortlich für hohe Viskositäten von Proteinfomulierungen. Jedoch sind die Mechanismen die zur Ausbildung von Assoziaten sowie erhöhten Viskositäten führen noch unklar. Interaktions-Parameter wie der zweite Virialkoeffizient ermöglichen aussagen bei niedriger Proteinkonzentration bei niedriger Proteinkonzentration zu treffen, aber nicht für Mehrfachwechselwirkungen. Meine Doktorarbeit konzentrierte sich darauf, ein besseres Verständnis der molekularen Eigenschaften von monoklonalen Antikörperformulierungen zu erlangen. Die Auswirkungen von Proteincharakteristika wie der effektiven Oberflächenladung, der Dipolmomente sowie der Proteinhydratation wurden auf PPI-Messungen und makroskopische Eigenschaften wie Lösungsviskosität und Proteinassoziation untersucht. Zur Analyse der PPIs und sowie der Protein-Assoziationsprozess in monoklonalen Antikörpermolekülen, kombinierte ich dynamische Lichtstreuung mit dielektrischer Relaxationsspektroskopie sowie Quarz-Mikrowaagen-Messungen.

Protein-Protein Interactions are responsible for high solution viscosities and included in protein-aggregation, -association processes. However, the mechanism controlling these properties are not clear yet. Non-ideality parameters such as the second virial coefficient explain Protein-Protein Interactions at low protein concentration but lack explanatory power in determination of multiple interactions. Challenges arise since interaction potentials are weak and all partners are identical. My PhD thesis was focused on gaining a better understanding of molecular properties in highly concentrated monoclonal antibody formulations. The effects of protein characteristics such as effective surface charge, dipole moments, and protein hydration were evaluated to Protein-Protein Interaction measurements and macroscopic properties such as solution viscosity and protein association. To analyze Protein-Protein Interactions and the Protein-association process, I combined dynamic light scattering (DLS) with dielectric relaxation spectroscopy and quartz crystal microbalance measurements.