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  • Size and molecular flexibility of sugars determine the storage stability of freeze-dried proteins.

Size and molecular flexibility of sugars determine the storage stability of freeze-dried proteins.

Molecular pharmaceutics (2015-01-13)
W F Tonnis, M A Mensink, A de Jager, K van der Voort Maarschalk, H W Frijlink, W L J Hinrichs
ZUSAMMENFASSUNG

Protein-based biopharmaceuticals are generally produced as aqueous solutions and stored refrigerated to obtain sufficient shelf life. Alternatively, proteins may be freeze-dried in the presence of sugars to allow storage stability at ambient conditions for prolonged periods. However, to act as a stabilizer, these sugars should remain in the glassy state during storage. This requires a sufficiently high glass transition temperature (Tg). Furthermore, the sugars should be able to replace the hydrogen bonds between the protein and water during drying. Frequently used disaccharides are characterized by a relatively low Tg, rendering them sensitive to plasticizing effects of residual water, which strongly reduces the Tg values of the formulation. Larger sugars generally have higher Tgs, but it is assumed that these sugars are limited in their ability to interact with the protein due to steric hindrance. In this paper, the size and molecular flexibility of sugars was related to their ability to stabilize proteins. Four diverse proteins varying in size from 6 kDa to 540 kDa were freeze-dried in the presence of different sugars varying in size and molecular flexibility. Subsequently, the different samples were subjected to an accelerated stability test. Using protein specific assays and intrinsic fluorescence, stability of the proteins was monitored. It was found that the smallest sugar (disaccharide trehalose) best preserved the proteins, but also that the Tg of the formulations was only just high enough to maintain sufficient vitrification. When trehalose-based formulations are exposed to high relative humidities, water uptake by the product reduces the Tgs too much. In that respect, sugars with higher Tgs are desired. Addition of polysaccharide dextran 70 kDa to trehalose greatly increased the Tg of the formulation. Moreover, this combination also improved the stability of the proteins compared to dextran only formulations. The molecularly flexible oligosaccharide inulin 4 kDa provided better stabilization than the similarly sized but molecularly rigid oligosaccharide dextran 6 kDa. In conclusion, the results of this study indicate that size and molecular flexibility of sugars affect their ability to stabilize proteins. As long as they maintain vitrified, smaller and molecularly more flexible sugars are less affected by steric hindrance and thus better capable at stabilizing proteins.

MATERIALIEN
Produktnummer
Marke
Produktbeschreibung

Sigma-Aldrich
Schwefelsäure, ACS reagent, 95.0-98.0%
Preise und Verfügbarkeit sind derzeit nicht verfügbar.
Sigma-Aldrich
Natriumhydroxid, ACS reagent, ≥97.0%, pellets
Preise und Verfügbarkeit sind derzeit nicht verfügbar.
Sigma-Aldrich
Natriumhydroxid, reagent grade, ≥98%, pellets (anhydrous)
Preise und Verfügbarkeit sind derzeit nicht verfügbar.
Sigma-Aldrich
Natronlauge, 50% in H2O
Preise und Verfügbarkeit sind derzeit nicht verfügbar.
Sigma-Aldrich
Ammoniumsulfat, ACS reagent, ≥99.0%
Preise und Verfügbarkeit sind derzeit nicht verfügbar.
Sigma-Aldrich
Saccharose, Molecular Biology, ≥99.5% (GC)
Preise und Verfügbarkeit sind derzeit nicht verfügbar.
Sigma-Aldrich
Saccharose, ≥99.5% (GC)
Preise und Verfügbarkeit sind derzeit nicht verfügbar.
Sigma-Aldrich
Magnesiumchlorid -Lösung, Molecular Biology, 1.00 M±0.01 M
Preise und Verfügbarkeit sind derzeit nicht verfügbar.
Sigma-Aldrich
Natronlauge, BioUltra, Molecular Biology, 10 M in H2O
Preise und Verfügbarkeit sind derzeit nicht verfügbar.
Sigma-Aldrich
Magnesiumchlorid, ≥98%
Preise und Verfügbarkeit sind derzeit nicht verfügbar.
Sigma-Aldrich
Saccharose, ≥99.5% (GC), BioXtra
Preise und Verfügbarkeit sind derzeit nicht verfügbar.
Sigma-Aldrich
Saccharose, BioUltra, Molecular Biology, ≥99.5% (HPLC)
Preise und Verfügbarkeit sind derzeit nicht verfügbar.
Sigma-Aldrich
Natronlauge, 1.0 N, BioReagent, suitable for cell culture
Preise und Verfügbarkeit sind derzeit nicht verfügbar.
Sigma-Aldrich
Ammoniumsulfat, Molecular Biology, ≥99.0%
Preise und Verfügbarkeit sind derzeit nicht verfügbar.
Sigma-Aldrich
Schwefelsäure, 99.999%
Preise und Verfügbarkeit sind derzeit nicht verfügbar.
Sigma-Aldrich
Natriumhydroxid, BioXtra, ≥98% (acidimetric), pellets (anhydrous)
Preise und Verfügbarkeit sind derzeit nicht verfügbar.
Sigma-Aldrich
Natriumhydroxid, puriss., meets analytical specification of Ph. Eur., BP, NF, E524, 98-100.5%, pellets
Preise und Verfügbarkeit sind derzeit nicht verfügbar.
Sigma-Aldrich
Ammoniumsulfat, ReagentPlus®, ≥99.0%
Preise und Verfügbarkeit sind derzeit nicht verfügbar.
Sigma-Aldrich
Schwefelsäure, puriss. p.a., for determination of Hg, ACS reagent, reag. ISO, reag. Ph. Eur., 95.0-97.0%
Preise und Verfügbarkeit sind derzeit nicht verfügbar.
Sigma-Aldrich
Phenol -Lösung, Equilibrated with 10 mM Tris HCl, pH 8.0, 1 mM EDTA, BioReagent, Molecular Biology
Preise und Verfügbarkeit sind derzeit nicht verfügbar.
Sigma-Aldrich
Natriumhydroxid, reagent grade, 97%, powder
Preise und Verfügbarkeit sind derzeit nicht verfügbar.
Sigma-Aldrich
Natriumpyruvat, powder, BioReagent, suitable for cell culture, suitable for insect cell culture, ≥99%
Preise und Verfügbarkeit sind derzeit nicht verfügbar.
Supelco
Saccharose, Pharmaceutical Secondary Standard; Certified Reference Material
Preise und Verfügbarkeit sind derzeit nicht verfügbar.
USP
Saccharose, United States Pharmacopeia (USP) Reference Standard
Preise und Verfügbarkeit sind derzeit nicht verfügbar.
Sigma-Aldrich
Natriumhydroxid, puriss. p.a., ACS reagent, reag. Ph. Eur., K ≤0.02%, ≥98%, pellets
Preise und Verfügbarkeit sind derzeit nicht verfügbar.
Sigma-Aldrich
Natriumhydroxid, pellets, semiconductor grade, 99.99% trace metals basis
Preise und Verfügbarkeit sind derzeit nicht verfügbar.
Sigma-Aldrich
Adenin, ≥99%
Preise und Verfügbarkeit sind derzeit nicht verfügbar.
Sigma-Aldrich
Natriumpyruvat, ReagentPlus®, ≥99%
Preise und Verfügbarkeit sind derzeit nicht verfügbar.
Sigma-Aldrich
Phenol, puriss., meets analytical specification of Ph. Eur., BP, USP, ≥99.5% (GC), crystalline (detached)
Preise und Verfügbarkeit sind derzeit nicht verfügbar.
Sigma-Aldrich
Saccharose, ≥99.5% (GC)
Preise und Verfügbarkeit sind derzeit nicht verfügbar.