(57)【要約】  液相に分散した化学種、特にタンパク質、を含む試料のラマン分光構造調査方法、及び該方法を実施する装置。該方法は、試料を提供する工程と、試料中にマーカー粒子を提供する工程と、光源を用いて試料を励起する工程と、試料中の分散した化学種からラマン散乱光を受け取る工程と、受け取ったラマン散乱光から、試料中の分散した化学種からのラマン散乱を検出する工程と、試料中のマーカー粒子の動きを検出する工程と、ラマン散乱を検出する工程及び粒子の動きを検出する工程の両方から、試料中の分散した化学種の少なくとも１つの特性を抽出する工程とを含む。
2017512999.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
液相に分散した化学種を含む試料の分光構造調査方法であって、
前記試料を提供する工程と、
前記試料にマーカー粒子を提供する工程と、
光源を用いて前記試料を励起する工程と、
前記試料中の分散した化学種からラマン散乱光を受け取る工程と、
受け取ったラマン散乱光から、前記試料中の分散した化学種からのラマン散乱を検出する工程と、
前記試料中のマーカー粒子の動きを検出する工程と、
前記ラマン散乱を検出する工程及び前記粒子の動きを検出する工程の両方から前記試料中の分散した化学種の少なくとも１つの特性を抽出する工程と
を含む方法。
【請求項２】
前記化学種のラマンスペクトルを前記化学種のレオロジー特性と関連付けるモデルを提供し、ラマン散乱を検出するさらなる工程の結果に前記モデルを適用することから前記化学種の試料の少なくとも１つの特性を抽出する工程をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記モデルが多変量モデルである、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記分散した試料を提供する工程が、タンパク質試料を提供する、請求項１〜３のいずれかに一項に記載の方法。
【請求項５】
前記検出する工程が、前記試料中のタンパク質について、特徴的な指紋スペクトル特徴領域の外側に位置するラマン散乱を検出し、前記抽出する工程が、前記特徴的な指紋スペクトル領域の外側に位置するラマン散乱を検出する工程から前記試料中のタンパク質の少なくとも１つの特性を抽出する、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記抽出する工程が、前記試料中の分散した化学種に関連する少なくとも１つの構造特徴を識別する、請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
前記ラマン散乱を検出する工程が、約０〜４００ｃｍ−１のスペクトル特徴範囲内の周波数を検出する、請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
前記抽出する工程が、
前記試料中の溶媒、
前記試料中の水性溶媒、
前記試料中の水素結合、
前記試料中の溶媒−タンパク質相互作用、
前記試料中の水−タンパク質相互作用、及び／又は
前記試料中のメソスケールサイズ範囲内の試料の変化
に関連した少なくとも１つの特徴を識別する、請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９】
前記検出する工程の結果に基づいて、タンパク質に関する品質管理測定値又はタンパク質の安定性の測定値を決定する工程をさらに含む、請求項１〜８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１０】
前記検出する工程の結果に基づいてタンパク質を修飾する工程をさらに含む、請求項１〜９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１１】
前記受け取る工程において前記受け取ったラマン散乱光から単一のスペクトル特徴通過帯域を透過させる工程をさらに含み、前記検出する工程が、前記通過帯域内のエネルギーを測定することにより行われる、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１２】
前記通過帯域が、約１０ｃｍ−１を超える帯域幅を有する、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記受け取る工程において前記受け取ったラマン散乱光から複数のスペクトル特徴通過帯域を透過させる工程をさらに含み、前記検出する工程が、前記各通過帯域内のエネルギーを測定することにより行われる、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１４】
前記励起する工程、前記受け取る工程、及び前記検出する工程が、複数の異なる温度、複数の異なるｐＨレベル、及び／又は複数の異なるイオン強度、などの複数の異なる条件について実行される、請求項１〜１３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１５】
前記抽出する工程が、
前記試料中のタンパク質構造、
前記試料中のメソスケール構造、
前記試料中のグリコシル化、
前記試料中のペグ化、
前記試料中の脱アミド化、
前記試料中の酸化、
前記試料中のタンパク質ネットワーク、
前記試料中の試料凝集、
前記試料中のタンパク質電荷、
前記試料中のタンパク質レオロジー、
前記試料中のタンパク質双極子、
前記試料中のタンパク質粘度、
前記試料中のタンパク質結合、
前記試料中のイオン強度に関連したタンパク質の変化、及び／又は
前記試料中の溶媒のｐＨに関連したタンパク質の変化
に関連した少なくとも１つの特徴を識別する、請求項１〜１４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１６】
前記提供する工程が、懸濁又は溶解高分子試料、懸濁ナノ材料試料、懸濁ナノ粒子試料の１つ以上を含む、分散した化学種を提供する、請求項１〜１５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１７】
液相に分散した化学種を含む試料についての分光試料構造調査のための装置であって、
前記試料を保持する試料ホルダと、
前記試料ホルダに保持された試料と混合するための複数のマーカー粒子と、
前記試料ホルダに保持された試料を励起するためのレーザ光源と、
前記試料ホルダに保持された試料中の前記複数のマーカー粒子の動きを検出するように配置された粒子運動検出器と、
前記レーザ光源による励起から生じる前記試料からのラマン散乱放射を受け取るように配置されたラマン検出器と
を備える装置。
【請求項１８】
液相に分散したタンパク質種を含む試料についての分光試料構造調査のための装置であって、
前記試料を保持するための手段と、
光源により前記試料を励起するための手段と、
前記試料からラマン散乱光を受け取るための手段と、
受け取ったラマン散乱光から、前記試料中の分散したタンパク質種からのラマン散乱を検出するための手段と、
前記試料中のマーカー粒子の動きを検出するための手段と、
前記ラマン散乱を検出するための手段及び前記マーカー粒子の動きを検出するための手段の両方から前記試料中の分散したタンパク質種の少なくとも１つの特性を抽出するための手段と
を備える装置。
【請求項１９】
分散した化学種のラマンスペクトルを前記分散した化学種の少なくとも１つのレオロジー特性に関連付ける、記憶されたコンピュータ可読モデルと、前記記憶されたコンピュータ可読モデル及び前記ラマン検出器の出力に応じて前記試料ホルダ内の前記試料に関する少なくとも１つの予測されるレオロジー特性値を導出する予測論理回路とをさらに備える、請求項１７又は１８に記載の装置。
【請求項２０】
前記コンピュータ可読モデルが多変量モデルである、請求項１９に記載の装置。
【請求項２１】
前記粒子運動検出器に対応するレオロジー情報抽出論理回路と、前記ラマン検出器に対応するスペクトル情報抽出論理回路とをさらに備える、請求項１８〜２０のいずれか一項に記載の装置。
【請求項２２】
前記粒子運動検出器及び前記ラマン検出器の両方に対応する情報抽出論理回路をさらに備える、請求項１８〜２０のいずれか一項に記載の装置。
【請求項２３】
前記粒子運動検出器及び前記ラマン検出器の両方に対応するタンパク質特性抽出論理回路をさらに備える、請求項１８〜２０のいずれか一項に記載の装置。
【請求項２４】
前記粒子運動検出器が、光検出器に接続された光ファイバを備える、請求項１８〜２３のいずれか一項に記載の装置。
【請求項２５】
前記試料ホルダが、前記試料に対して透過性であるが前記粒子マーカー粒子に対して非透過性である隔壁によって分離されたマーカーのない試料体積とマーカーを有する試料体積とを含む、請求項１８〜２４のいずれか一項に記載の装置。
【請求項２６】
前記隔壁が、前記マーカーを有する試料体積を閉鎖された体積として画定する、請求項２５に記載の装置。
【請求項２７】
前記隔壁が球状部を画定する、請求項２６に記載の装置。
【請求項２８】
前記粒子運動検出器が、一端が光検出器に接続され、他端が前記マーカーを有する試料体積に向けられている光ファイバを備える、請求項２５〜２７のいずれか一項に記載の装置。
【請求項２９】
前記ラマン検出器が、前記試料中の分散した化学種について、特徴的な指紋スペクトル特徴領域よりも周波数が低いラマン散乱の検出スペクトル特徴範囲を有する、請求項１８〜２８のいずれか一項に記載の装置。
【請求項３０】
前記ラマン検出器が、約０〜４００ｃｍ−１であるスペクトル特徴範囲内の周波数を検出するように動作する、請求項２９に記載の装置。
【請求項３１】
前記試料ホルダが、懸濁又は溶解高分子試料、懸濁ナノ材料試料、及び懸濁ナノ粒子試料の１つ以上を含む、分散した化学種のためのものであり、前記試料中の前記１つ以上の分散した化学種について、特徴的な指紋スペクトル特徴領域よりも周波数が低いラマン散乱の検出スペクトル特徴範囲を有する前記ラマン検出器、請求項１８〜３０のいずれか一項に記載の装置。
【請求項３２】
前記試料の所定の特性に関連したスペクトル特徴を検出するように動作するスペクトル識別論理回路をさらに備える、請求項１８〜３１のいずれか一項に記載の装置。
【請求項３３】
前記スペクトル識別論理回路が、
溶媒−溶質相互作用に関連する少なくとも１つのスペクトル特徴を検出する、
溶質−溶質相互作用に関連する少なくとも１つのスペクトル特徴を検出する、かつ／あるいは、
前記試料中の水素結合に関連する少なくとも１つのスペクトル特徴を識別する
ように動作する、請求項３２に記載の装置。
【請求項３４】
前記粒子運動検出器が、前記試料中のレーザ光源からの光の散乱を検出するように配置されている、請求項１８〜３３のいずれか一項に記載の装置。
【請求項３５】
さらなるレーザ光源をさらに備え、前記粒子運動検出器が、前記試料の前記さらなるレーザ光源からの光の散乱を検出するように配置されている、請求項１８〜３４のいずれか一項に記載の装置。
【請求項３６】
前記試料ホルダがタンパク質試料のためのものであり、前記検出器が、前記タンパク質試料について、特徴的な指紋スペクトル領域よりも周波数が低いラマン散乱の検出スペクトル範囲を有する、請求項１８〜３５のいずれか一項に記載の装置。
【請求項３７】
前記タンパク質試料の所定の特性に関連したスペクトル特徴を検出するように動作するスペクトル識別論理回路をさらに備える、請求項１８〜３６のいずれか一項に記載の装置。
【請求項３８】
前記スペクトル識別論理回路が、多変量スペクトル解析論理回路、スペクトル成分解析論理回路、及びスペクトルライブラリ比較論理回路のうちの少なくとも１つを含む、請求項３７に記載の装置。
【請求項３９】
前記スペクトル識別論理回路が、
前記試料中の分散した化学種、
前記試料中のタンパク質、
前記試料中の溶媒、
前記試料中の水性溶媒、
前記試料中の水素結合、
前記試料中の溶媒−タンパク質相互作用、
前記試料中の水−タンパク質相互作用、
前記試料中のイオン強度の変化、
前記試料中のｐＨの変化、及び／又は
前記試料中のメソスケール効果
に関連した少なくとも１つのスペクトル特徴を識別するように動作する、請求項３７又は３８に記載の装置。
【請求項４０】
前記ラマン検出器に対応する前記分散した化学種の安定性の測定値、
前記ラマン検出器に対応する前記タンパク質の安定性の測定値、及び／又は
前記ラマン検出器に対応する品質管理測定値
を決定するための論理回路をさらに備える、請求項３７〜３９のいずれか一項に記載の装置。
【請求項４１】
前記試料と前記ラマン検出器との間の光路に配置された単一のスペクトル特徴バンドパスフィルタをさらに備え、前記ラマン検出器が、前記所定の特性の１つに関する情報を含む、前記フィルタの通過帯域のエネルギーの量を測定するように動作する、請求項３７〜４０のいずれか一項に記載の装置。
【請求項４２】
前記検出器が、約１０ｃｍ−１を超える帯域幅の通過帯域を検出するように動作する、請求項４１に記載の装置。
【請求項４３】
前記試料と前記ラマン検出器との間の光路にそれぞれ配置された複数のスペクトル特徴バンドパスフィルタをさらに備え、前記ラマン検出器が、前記所定の特性の１つに関する情報を含む、前記フィルタの各通過帯域のエネルギーの量を測定するように動作する、請求項３７〜４２のいずれか一項に記載の装置。
【請求項４４】
前記ラマン検出器が、アレイ検出器又はＦＴラマン検出器を備える、請求項３７〜４３のいずれか一項に記載の装置。
【請求項４５】
光散乱検出器又はタンパク質濃度検出器などの、別のタイプのタンパク質特性検出器をさらに備える、請求項３７〜４４のいずれかに記載の装置。
【請求項４６】
前記スペクトル識別論理回路が、前記試料中のタンパク質構造又はタンパク質濃度に関連する少なくとも１つのスペクトル特徴を識別するように動作する、請求項３７〜４５のいずれか一項に記載の装置。
【請求項４７】
液相に分散した化学種を含む試料のための分光構造調査方法であって、
前記液相に前記分散した化学試料を提供する工程と、
前記分散試料のラマンスペクトルを前記分散試料の１つ以上の特性と関連付けるモデルを提供する工程と、
光源を用いて前記液相中の前記分散した化学種を励起する工程と、
前記分散した化学種からラマン散乱光を受け取る工程と、
受け取ったラマン散乱光から、前記分散した化学種からのラマン散乱を検出する工程と、
前記ラマン散乱を検出する工程の結果に前記モデルを適用することから前記試料の特性を抽出する工程と
を含む方法。
【請求項４８】
前記モデルの１つ以上の特性が、分散試料の濃度、温度及び／又は粘度を含む、請求項４７に記載の方法。
【請求項４９】
前記モデルが部分最小二乗回帰モデルである、請求項４７又は４８に記載の方法。
【請求項５０】
前記モデルから、特に前記モデルのローディングから、前記試料の化学的特性に関する情報を抽出する工程をさらに含む、請求項４７〜４９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５１】
前記モデルから情報を抽出する工程が、どのスペクトル領域が前記試料の流動特性に関連しているかについての情報を抽出する、請求項５０に記載の方法。
【請求項５２】
前記試料の特性が、１００〜３００ｃｍ−１の範囲内の、前記受け取ったラマン散乱光のスペクトルの一部を使用して抽出される、請求項４７〜５１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５３】
前記モデルが多変量モデルである、請求項４７〜５１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５４】
液相に分散した化学種を含む試料の分光構造調査のための装置であって、
前記試料を保持する試料ホルダと
分散化学試料のラマンスペクトルを前記分散化学試料の１つ以上の特性と関連付ける、記憶されたコンピュータ可読モデルと、
前記試料ホルダに保持された試料を励起するためのレーザ光源と、
前記レーザ光源による励起から生じる前記試料からのラマン散乱放射を受け取るように配置されたラマン検出器と、
前記記憶されたコンピュータ可読モデル及び前記ラマン検出器の出力に応じて、前記モデルを使用して受け取ったラマン散乱放射から前記試料の少なくとも１つの特性を導出する予測論理回路と
を備える装置。
【請求項５５】
液相に分散した化学種を含む試料の分光構造調査のための装置であって、
前記試料を保持するための手段と、
分散化学試料のラマンスペクトルを前記分散化学試料の１つ以上の特性と関連付けるモデルを記憶するための手段と、
光源を用いて前記試料を励起するための手段と、
前記試料からラマン散乱光を受け取るための手段と、
受け取ったラマン散乱光から、前記分散した化学種からのラマン散乱を検出するための手段と、
前記ラマン散乱を検出するための手段及び前記モデルを記憶するための手段の両方から前記試料の少なくとも１つの特性を抽出するための手段と
を備える装置。
【請求項５６】
前記モデルの１つ以上の特性が、前記分散試料の濃度、温度及び／又は粘度を含む、請求項５４又は５５に記載の装置。
【請求項５７】
前記モデルが部分最小二乗回帰モデルである、請求項５４〜５６のいずれか一項に記載の装置。
【請求項５８】
前記予測論理回路が、前記モデルから、特に前記モデルのローディングから、前記試料の化学的特性に関する情報を抽出するように構成されている、請求項５４〜５７のいずれか一項に記載の装置。
【請求項５９】
前記予測論理回路が、どのスペクトル領域が、前記試料の流動特性に関連しているかについての情報を抽出するように構成されている、請求項５４〜５８のいずれか一項に記載の装置。
【請求項６０】
前記予測論理回路が、１００〜３００ｃｍ−１の範囲内の、受け取ったラマン散乱光のスペクトルの一部を使用して、前記試料の特性を抽出するように構成されている、請求項５４〜５９のいずれか一項に記載の装置。
【請求項６１】
前記モデルが多変量モデルである、請求項５４〜６０のいずれか一項に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本願は、２０１４年３月２５日に出願された米国特許仮出願第６１／９７０，１９８号及び２０１４年７月１８日に出願された米国特許仮出願第６２／０２６，５６３号に関連し、両出願は共に本明細書に参照により援用される。
［発明の分野］
本発明は、タンパク質の構造を調べるためのラマン分光法の使用を含む、分光測定に関する。
［発明の背景］
最初の生物学的治療用の遺伝子組み換えヒトインスリンが、１９７８年にジェネンテック社によって開発され、１９８２年にイーライリリー社によってヒューマリンとして商品化されて以来、１３０を超える優れた製品が商品化されている。有効成分がタンパク質（すなわち、成長ホルモン、抗体、インスリン）であるこれらの薬剤は、生細胞（すなわち、細胞、ウイルス、及び細菌）によって産生され、例えば、癌、多発性硬化症、関節リウマチ、糖尿病や心臓病などの生命を脅かす病気を治療し、予防するために使用される。
【０００２】
バイオ医薬品の年間売上高は、２００１年から一貫して増加しており、２０１１年には医薬品市場全体の１５．６％を占めている。世界的なバイオ医薬品市場は、２０１１年には１３８０億ドルと評価され、２０２０年までに３２００億ドルを超えて成長すると予想されている（ＧＢＩリサーチ社）。この成長は、新製品の投入、既存製品の新たな適応症への承認、及び世界的なバイオシミラー市場の成長（２０２０年までに９０億ドルに達すると予測されている）からもたらされることが予想されている。
【０００３】
生物学的治療薬業界におけるより良好な分析ツールを求める推進力は、多くの分野、すなわち新規分子化合物の生成（薬物発見）、製品開発（プレフォーミュレーション及び製剤化）及び製造／品質管理（生物学的発酵と生物学的処理）に集中している。生物学的治療薬対伝統的な「小分子」固体製剤市場のための分析試験の要件の違いは大きく、製薬業界と規制当局の双方が、これらの新規かつ挑戦的な測定要件に対処できる技術を積極的に探し求めている。
【０００４】
新規な構造の化合物の開発のペースは加速し続けており、現在５０００を超えるバイオ医薬品が開発中である。（ｐｈＲＭＡ）この数値は、現在市場に入っている製品の大部分を占めるワクチン及びモノクローナル抗体（ｍＡｂ）、ならびに二重可変ドメイン抗体（ＤＶＤ）、抗体薬物コンジュゲート（ＡＤＣ）及びタンパク片又は低分子ペプチドなどの「次世代」化合物を含む。製剤開発については、コストがかかるあるいは是正不能なより後期の開発段階で製品特性が不十分となることを避けるために、製剤製品寿命において可能な限り早期に構造／機能／有効性の関係の理解を向上させ、特徴／問題を特定することが重要である。その結果、製品開発を加速するために、新規な分析技術及び既存の技術を「別の目的のために再利用すること」への要求が高まっている。
【０００５】
製造側では、化学合成を介して作成された低分子薬剤化合物とは対照的に、生物学的治療薬は、環境条件に非常に感受性が高い傾向がある複雑な生体系を使用して製造される。製造におけるわずかな変化でさえ、最終生成物を変化させてしまう可能性があるため、「品質特性にとって重要である事項」を理解し、プロセス全体を通じて生物学的治療薬の安全性と有効性を維持し制御するために適した分析ツールを有することが必要である。薬剤ポートフォリオ及び製品開発パイプラインに入る治療用タンパク質の数が増加し続ける一方で、その特性評価のための要件に対処するための分析法の開発と検証は追いついていない。
【０００６】
「Protein aggregation, particle formation, characterization and rheology」、Current Opinion in Colloid & Interface Science、第１９巻、第５号、２０１４年１０月、４３８〜４４９頁において、アミン(Amin)らによって概説されている問題は、溶液中で安定したタンパク質の粘度の組成依存性についてのタンパク質特異的分子論が今のところ存在せず、不可逆的に凝集する系のレオロジーが複雑であることである。したがって、そのような溶液の測定は、困難だがやりがいがある。
【０００７】
本発明の目的は、上述した問題の１つ以上に対処することである。
［発明の概要］
本発明の第１態様によれば、液相に分散した化学種を含む試料の分光構造調査方法が提供され、該方法は、試料を提供する工程と、試料中にマーカー粒子を提供する工程と、光源、例えば、レーザのような狭帯域光源を用いて試料を励起する工程と、試料中の分散した化学種からラマン散乱光を受け取る工程と、受け取ったラマン散乱光から、試料中の分散した化学種からのラマン散乱を検出する工程と、試料中のマーカー粒子の動きを検出する工程と、ラマン散乱を検出する工程及び粒子の動きを検出する工程の両方から、試料中の分散した化学種の少なくとも１つの特性を抽出する工程と、を含む。
【０００８】
別の態様において、該方法は代替的に、試料を提供する工程と、光源、例えば、レーザのような狭帯域光源を用いて試料を励起する工程と、試料中の分散した化学種からラマン散乱光を受け取る工程と、受け取ったラマン散乱光から、試料中の分散した化学種からのラマン散乱を検出する工程と、試料の粘度を測定する工程と、ラマン散乱を検出する工程及び粘度を測定する工程の両方から、試料中の分散化学種の少なくとも１つの特性を抽出する工程と、を含んでもよい。
【０００９】
粘度測定は、試料中のマーカー粒子の動きを検出することによって行われてもよく、あるいは、毛細管流量測定などの他の方法で行ってもよい。
化学試料を分散させる液体試料は、連続的であることが好ましい。
【００１０】
分散試料を提供する工程は、タンパク質試料を提供する工程を含んでいてもよい。
検出する工程は、試料中のタンパク質について、特徴的な指紋スペクトル特徴領域の外側に位置するラマン散乱を検出する工程を含んでもよく、その場合、抽出する工程は、特徴的な指紋スペクトル領域の外側に位置するラマン散乱を検出する工程から試料中のタンパク質の少なくとも１つの特性を抽出する。
【００１１】
抽出する工程は、試料中の分散した化学種に関連する少なくとも１つの構造特徴を識別してもよい。
ラマン散乱を検出する工程は、約０〜４００ｃｍ−１の間のスペクトル特徴範囲内の周波数を検出してもよい。
【００１２】
抽出する工程は、試料中の溶媒、試料中の水性溶媒、試料中の水素結合、試料中の溶媒−タンパク質相互作用、試料中の水−タンパク質相互作用、及び／又は試料中のメソスケールサイズ範囲内の試料の変化、に関連した少なくとも１つの特徴を識別してもよい。
【００１３】
該方法はさらに、検出する工程の結果に基づいて、タンパク質の品質管理測定値又はタンパク質の安定性測定値を決定する工程を含んでもよい。
該方法はさらに、検出する工程の結果に基づいてタンパク質を修飾する工程を含んでもよい。
【００１４】
該方法はさらに、受け取る工程において受け取ったラマン散乱光から単一のスペクトル特徴通過帯域を透過させる工程を含んでいてもよく、検出する工程は、通過帯域内のエネルギーを測定することによって行われる。通過帯域は、約１０ｃｍ−１を超える帯域幅を有していてもよい。
【００１５】
該方法はさらに、受け取る工程において受け取ったラマン散乱光から複数のスペクトル特徴通過帯域を透過させる工程を含んでいてもよく、検出する工程は、それぞれの通過帯域内のエネルギーを測定することによって行われる。
【００１６】
励起する工程、受け取る工程、及び検出する工程は、複数の異なる温度、複数の異なるｐＨレベル、及び／又は、複数の異なるイオン強度などの、複数の異なる条件について実行されてもよい。
【００１７】
抽出する工程は、試料中のタンパク質構造、試料中のメソスケール構造、試料中のグリコシル化、試料中のペグ化、試料中の脱アミド化、試料中の酸化、試料中のタンパク質ネットワーク、試料中の試料凝集、試料中のタンパク質電荷、試料中のタンパク質レオロジー、試料中のタンパク質双極子、試料中のタンパク質粘度、試料中のタンパク質結合、試料中のイオン強度に関連したタンパク質の変化、及び／又は試料中の溶媒のｐＨに関連したタンパク質の変化、に関連した少なくとも１つの特徴を識別してもよい。
【００１８】
提供する工程は、懸濁又は溶解高分子試料、懸濁ナノ材料試料、及び懸濁ナノ粒子試料の１つ以上を含む分散した化学種を提供する工程を含んでもよい。
該方法はさらに、化学種のラマンスペクトルを化学種のレオロジー特性に関連づけるモデル、例えば多変量モデル、を提供し、ラマン散乱を検出するさらなる工程の結果にモデルを適用することから化学種の試料の少なくとも１つの特性を抽出する工程を含んでもよい。
【００１９】
本発明の第２態様によると、液相に分散した化学種を含む試料についての分光試料構造調査のための装置が提供され、該装置は、試料を保持するための、例えばキュベットのような、試料ホルダと、試料ホルダに保持された試料と混合するための複数のマーカー粒子と、試料ホルダに保持された試料を励起するためのレーザ光源と、試料ホルダに保持された試料中の複数のマーカー粒子の動きを検出するように配置される粒子運動検出器と、レーザ光源による励起から生じる試料からのラマン散乱放射を受け取るように配置されるラマン検出器と、を備える。
【００２０】
本発明の第３態様によれば、液相に分散したタンパク質種を含む試料についての分光試料構造調査のための装置が提供され、該装置は、試料を保持するための手段と、光源、例えばレーザなどの狭帯域光源、を用いて試料を励起するための手段と、試料からラマン散乱光を受け取るための手段と、受け取ったラマン散乱光から、試料中の分散したタンパク質種からのラマン散乱を検出するための手段と、試料中のマーカー粒子の動きを検出するための手段と、ラマン散乱を検出するための手段及びマーカー粒子の動きを検出するための手段の両方から、試料中の分散したタンパク質種の少なくとも１つの特性を抽出する手段と、を備える。
【００２１】
別の態様において、第２又は第３態様による装置は、試料を保持する試料ホルダと、試料ホルダに保持された試料を励起するためのレーザ光源と、レーザ光源による励起から生じる試料からのラマン散乱放射を受け取るように配置されるラマン検出器と、を備えていてもよく、試料ホルダは毛細管であり、装置は、試料ホルダを介して毛管流を測定することにより、試料の粘性を測定するように構成されている。
【００２２】
第２又は第３態様の装置は、さらに、粒子運動検出器に対応するレオロジー情報抽出論理回路、及びラマン検出器に対応するスペクトル情報抽出論理回路を備えていてもよい。
装置はさらに、粒子運動検出器及びラマン検出器の両方に対応する情報抽出論理回路を備えていてもよい。
【００２３】
装置はさらに、粒子運動検出器及びラマン検出器に両方に対応するタンパク質特性抽出論理回路を備えていてもよい。
粒子運動検出器は、光検出器に接続された光ファイバを備えていてもよい。
【００２４】
試料ホルダ、又はキュベット、は、試料に対して透過性であるが粒子状マーカー粒子に対して非透過性である隔壁によって分離されたマーカーのない試料体積及びマーカーを有する試料体積を含むことができる。
【００２５】
隔壁は、マーカーを有する試料体積を閉鎖された体積として画定してもよく、例えば、球状部を画定してもよい。
粒子運動検出器は、一端が光検出器に接続され、他端がマーカーを有する試料体積に向けられた光ファイバを備えていてもよい。
【００２６】
ラマン検出器は、試料中の分散した化学種について、特徴的な指紋スペクトル特徴領域よりも周波数が低いラマン散乱の検出スペクトル特徴範囲を有していてもよい。
ラマン検出器は、約０〜４００ｃｍ−１のスペクトル特徴範囲内の周波数を検出するように動作してもよい。
【００２７】
試料ホルダは、懸濁又は溶解高分子試料、懸濁ナノ材料試料、懸濁ナノ粒子試料の１つ以上を含む分散した化学種のためのものであり、ラマン検出器は、試料中の１つ以上の分散した化学種について、特徴的な指紋スペクトル特徴領域よりも周波数が低いラマン散乱の検出スペクトル特徴範囲を有する。
【００２８】
装置は、さらに、試料の所定の特性に関連したスペクトル特徴を検出するように動作するスペクトル識別論理回路を備えていてもよい。スペクトル識別論理回路は、溶媒−溶質相互作用に関連する少なくとも１つのスペクトル特徴の検出、溶質−溶質相互作用に関連する少なくとも１つのスペクトル特徴の検出、及び／又は、試料中の水素結合に関連する少なくとも１つのスペクトル特徴の識別、を行うように動作してもよい。
【００２９】
粒子運動検出器は、試料中のレーザ光源からの光の散乱を検出するように配置されてもよい。
装置は、さらに別のレーザ光源を備えていてもよく、粒子運動検出器は、試料中の別のレーザ光源からの光の散乱を検出するように配置される。
【００３０】
試料ホルダは、タンパク質試料のためのものであってもよく、検出器は、タンパク質試料について、特徴的な指紋スペクトル領域よりも周波数が低いラマン散乱の検出スペクトル範囲を有していてもよい。
【００３１】
装置はさらに、タンパク質試料の所定の特性に関連したスペクトル特徴を検出するように動作するスペクトル識別論理回路を備えていてもよい。
スペクトル識別論理回路は、多変量スペクトル解析論理回路、スペクトル成分解析論理回路、及びスペクトルライブラリ比較論理回路のうちの少なくとも１つを含んでいてもよい。
【００３２】
スペクトル識別論理回路は、試料中の分散した化学種、試料中のタンパク質、試料中の溶媒、試料中の水性溶媒、試料中の水素結合、試料中の溶媒−タンパク質相互作用、試料中の水−タンパク質相互作用、試料中のイオン強度の変化、試料中のｐＨの変化、及び／又は試料中のメソスケール効果に関連する少なくとも１つのスペクトル特徴を識別するように動作してもよい。
【００３３】
装置はさらに、ラマン検出器に対応する分散した化学種の安定性の測定値、ラマン検出器に対応するタンパク質の安定性の測定値、及び／又は、ラマン検出器に対応する品質管理測定値を決定するための論理回路を備えていてもよい。
【００３４】
装置はさらに、試料とラマン検出器との間の光路に配置された単一のスペクトル特徴バンドパスフィルタを備えていてもよく、ラマン検出器は、所定の特性の１つについての情報を含む、フィルタの通過帯域におけるエネルギーの量を測定するように動作する。
【００３５】
検出器は、約１０ｃｍ−１を超える帯域幅の通過帯域を検出するように動作してもよい。
装置はさらに、試料とラマン検出器との間の光路にそれぞれ位置する複数のスペクトル特徴バンドパスフィルタを備えていてもよく、その場合、ラマン検出器は、所定の特性の１つについての情報を含む、フィルタの各々の通過帯域におけるエネルギーの量を測定するように動作する。
【００３６】
ラマン検出器は、アレイ検出器又はＦＴラマン検出器を含んでいてもよい。
装置はさらに、光散乱検出器又はタンパク質濃度検出器などの、別のタイプのタンパク質特性検出器を備えていてもよい。
【００３７】
スペクトル識別論理回路は、試料中のタンパク質構造又はタンパク質濃度に関連する少なくとも１つのスペクトル特徴を識別するように動作してもよい。
装置はさらに、分散した化学種のラマンスペクトルを分散した化学種の少なくとも１つのレオロジー特性に関連付ける、記憶されたコンピュータ可読モデルと、記憶されたコンピュータ可読モデル及びラマン検出器の出力に応じて、試料ホルダ内の試料に関する少なくとも１つの予測レオロジー特性を導出する予測論理回路とを備えていてもよい。
【００３８】
本発明の第４態様によれば、液相に分散した化学種を含む試料についての分光構造調査方法が提供され、該方法は、液相に分散した化学試料を提供する工程と、分散試料のラマンスペクトルを分散試料の１つ以上の特性に関連付けるモデルを提供する工程と、光源、例えばレーザなどの狭帯域光源、を用いて液相中の分散した化学種を励起する工程と、分散した化学種からラマン散乱光を受け取る工程と、受け取ったラマン散乱光から、分散した化学種からのラマン散乱を検出する工程と、ラマン散乱を検出する工程の結果にモデルを適用することから、試料の特性を抽出する工程と、を含む。
【００３９】
本発明の利点は、タンパク質などの分散した化学種の測定が、マーカー粒子などの他の種で試料を汚染する必要なく行うことができ、ラマン散乱を用いた試料の所望の特性の測定値を得られることである。これは、実験的な薬剤化合物の場合のように、試料の量及び可用性が非常に制限され得る場合に特に有利である。プローブ又はマーカー粒子の使用も、そのような試料の特性に影響を与え得るため、それらの使用を回避することが、実際の試料の特性のより正確な測定を可能にするはずである。
【００４０】
化学試料を分散させる液体試料は、好ましくは連続的である。
多変量モデルにおける１つ以上の特性は、分散試料の濃度、温度及び／又は粘度を含んでいてもよい。粘度は複素粘度であってもよい。
【００４１】
モデルは、多変量モデルであってもよく、部分最小二乗回帰モデルであってもよい。
該方法はさらに、モデルから、特にモデルのローディングから、試料の化学的特性に関する情報を抽出する工程を含んでいてもよい。モデルから情報を抽出する工程は、どのスペクトル領域が試料の流動特性に関連しているかについての情報を抽出することを含んでいてもよい。
【００４２】
試料の特性は、１００〜３００−１ｃｍの範囲内の、受け取ったラマン散乱光のスペクトルの一部を用いて抽出してもよい。
本発明の第５態様によれば、液相に分散した化学種を含む試料の分光構造調査のための装置が提供され、該装置は、液相に分散した化学種を保持するための、例えばキュベットなどの、試料ホルダと、分散化学試料のラマンスペクトルを分散した化学種の少なくとも１つのレオロジー特性に関連付ける、記憶されたコンピュータ可読モデルと、試料ホルダに保持された試料を励起するためのレーザ光源と、レーザ光源による励起から生じる試料からのラマン散乱放射を受け取るように配置されたラマン検出器と、記憶されたコンピュータ可読モデル及びラマン検出器の出力に応じて、モデルを使用して、受け取ったラマン散乱放射から試料の少なくとも１つの特性を導出する予測論理回路と、を備える。
【００４３】
本発明の第６態様によれば、液相に分散した化学種を含む試料の分光構造調査のための装置が提供され、該装置は、液相に分散した試料を保持するための手段と、分散化学試料のラマンスペクトルを分散化学試料のレオロジー特性に関連付けるモデルを記憶するための手段と、光源、例えばレーザなどの狭帯域光源、を用いて試料中の分散した化学種を励起するための手段と、試料中の分散した化学種からラマン散乱光を受け取るための手段と、受け取ったラマン散乱光から、試料中の分散した化学種からのラマン散乱を検出するための手段と、ラマン散乱を検出するための手段及びモデルを記憶するための手段の両方から、試料中の分散した化学種の少なくとも１つの特性を抽出するための手段と、を備える。
【００４４】
化学試料を分散させる液体試料は、好ましくは連続的である。
多変量モデルであってもよいモデルにおける１つ以上の特性が、分散試料の濃度、温度及び／又は粘度を含んでいてもよい。
【００４５】
モデルは、部分最小二乗回帰モデルであってもよい。
予測論理回路は、モデルから、特にモデルのローディングから、試料の化学的特性に関する情報を抽出するように構成されていてもよい。
【００４６】
予測論理回路は、どのスペクトル領域が試料の流動特性に関連しているかについての情報を抽出するように構成されていてもよい。予測論理回路は、１００〜３００ｃｍ−１の範囲内の、受け取ったラマン散乱光のスペクトルの一部を用いて試料の特性を抽出するように構成されていてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】例示的な粒子測定システムのブロック図である。
【図２】図２ａは、濃度の関数としての、リン酸緩衝生理食塩水（ＰＢＳ）中のウシ血清アルブミン（ＢＳＡ）試料のアミドＩ領域のラマンスペクトルのプロットであり、図２ｂは、約１６５０ｃｍ−１でのピークの濃度対強度のプロットであり、図２ｃは、６つの濃度でのアミドＩ領域の正規化された二次微分スペクトルのプロットであり、図２ｄは、濃度の関数としてのスペクトルの低周波数１００〜２５０ｃｍ−１部分の二次微分のプロットであり、図２ｅは、濃度の関数としてのピーク位置のプロットであり、図２ｄの二次微分スペクトルからのデータを用いている。
【図３】図３ａは、３つの異なるｐＨ条件でのＢＳＡのラマンスペクトルのアミドＩ領域（１６００〜１８００ｃｍ−１）の主成分分析得点のプロットであり、図３ｂは、３つの異なるｐＨ条件でのＢＳＡのラマンスペクトルの低周波領域（１００〜３００ｃｍ−１）から導出される温度の関数としての主成分得点のプロットである。
【図４】図４ａは、２０℃と、８０℃と、再び２０℃でのアミドＩ領域におけるリゾチーム溶液のスペクトルのプロットであり、図４ｂは、温度の昇降の関数としてのアミドＩのピーク位置のプロットであり、図４ｃは、２０℃、８０℃、再び２０℃での、加熱及び冷却を受けた、低周波数領域における同じリゾチーム試料のスペクトルのプロットであり、図４ｄは、１５２ｃｍ−１での周波数シフトを示す図４ｃのスペクトルの温度依存性を示すプロットである。
【図５】図５ａは、アミドＩ領域における、アンフォールディング温度Ｔｍ未満（Ｔ−）及びＴｍ超（Ｔ＋）のヒト血清アルブミン（ＨＳＡ）のスペクトルのプロットであり、図５ｂは、アンフォールディング温度Ｔｍ未満（Ｔ−）及びＴｍ超（Ｔ＋）の同じ試料の低周波数スペクトル（８０〜２８０ｃｍ−１）のプロットであり、図５ｃは、図５ａと同様にＴｍ未満（Ｔ−）及びＴｍ超（Ｔ＋）を示した、Ｈ２Ｏ２（酸化剤）で処理されたＨＳＡのスペクトルのプロットであり、図５ｄは、図５ａと同様にＴｍ未満（Ｔ−）及びＴｍ超（Ｔ＋）を示した、Ｈ２Ｏ２処理済試料の低周波数スペクトル（６０〜２２０ｃｍ−１）のプロットである。
【図６】２０℃（Ｔ−）及び８０℃（Ｔ＋）温度でのモノクローナル抗体の溶液の二次微分ラマンスペクトルのプロットである。
【図７】マーカー粒子を用いる図１のシステムで使用するための第１のプローブの概略図である。
【図８】マーカー粒子を用いる図１のシステムで使用するための第２のプローブの概略図である。
【図９】マーカー粒子を用いる図１のシステムで使用するための第３のプローブの概略図である。
【図１０】マーカー粒子を用いる図１のシステムで使用するための第４のプローブの概略図である。
【図１１】図１のシステムを用いて取得されたデータについて導出された４因子モデルの最初の３つのローディングのプロットである。
【図１２】図１１に関連して参照される試料及びモデルに関する、測定された粘度に対する４因子モデルによって予測される粘度のプロットである。
【図１３】図１１に関連して参照される試料及びモデルに関する、測定温度に対する４因子モデルによって予測される温度のプロットである。
【図１４】図１１に関連して参照される試料及びモデルに関する、測定濃度に対する４因子モデルによって予測される濃度のプロットである。
【図１５】図１のシステムの実装のブロック図である。
【図１６】多変量モデルを採用する図１のシステムの変形例のブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００４８】
［詳細な説明］
ＤＬＳラマン粒子測定システムは、現在、本発明を実施するために選択される機器であると想定されている。そのような機器の１つが、図１に示されており、本明細書中に参照により援用される国際公開第２０１３／０２７０３４号により詳細に記載されている。また、本発明の異なる態様に関連して他のタイプの機器もまた使用することができることは、当業者には明らかであろう。
【００４９】
粒子測定システム１０は、レーザのようなコヒーレント放射源１２を備える。このレーザの出力は、減衰器１４に提供され、必要に応じて１つ以上の介在反射体を介して、キュベットスロット１７に保持された試料ホルダ又はキュベット１６を通され、その後、送信モニタ１８に提供される。典型的な９０°光学系２２及び／又は後方散乱光学系２０は、試料キュベット１６中の懸濁粒子試料から散乱された放射を受け取り、光源１２から受け取られ、かつ試料キュベット１６内の試料によって弾性散乱された光の強度を測定する。これらの光学系セットのうちの一方又は両方に関して受け取られた散乱放射は、次いで光ファイバ２４を介してアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）２６に送られ得る。フォトダイオード２６の出力は、ＤＬＳの場合には相関器２８を使用して相関を求めることができ、あるいはＳＬＳ（図示せず）の場合には積分器を使用して積分されることができる。コンピュータ４２は、機器を制御し、測定値を収集し、分析し、エンドユーザに提供するために使用される。
【００５０】
システム１０はまた、後方散乱経路に誘電体フィルタ３０を備えることにより分光検出を行う。この誘電体フィルタ３０は、より長い波長の光を、ラマン検出器のような分光検出器３２に送る。ラマン検出器３２は、１つ以上のレーザノッチフィルタ３４、回折格子３６、及び電荷結合素子（ＣＣＤ）のような次元検出器３８を備えることができる。ラマン検出は、後方散乱経路で行われるものとして図１に示されているが、典型的な９０°経路におけるピックオフ点４０からを含め、１つ又は複数の異なる角度からも行ってもよく、あるいは代替的にそのような角度から行ってもよい。したがって、一般的な一態様において、分光検出器３２は、入射光に直交する経路に沿って、かつ／あるいは、後方散乱光を検出するための入射光とは逆の経路に沿って、試料セルからの散乱光を受け取るように構成されてもよい。
【００５１】
動作時には、レーザ１２を、ＤＬＳ測定及びラマン測定の両方に使用することができるが、別個のレーザを使用することもできる。ＤＬＳ測定中には、ＡＰＤ２６が飽和しないように、減衰器１４がオンになっている。ラマン測定中には、減衰器１４は、ラマン測定で高レベル照射が使用できるようにオフにされる。ＤＬＳ測定とラマン測定を交互に行うことによって、システム１０は、弾性散乱及び非弾性散乱の両方に関する情報を取得することができる。別の手法では、誘電体フィルタ３０をミラーに置換し、該ミラーは、交互にラマンデータ及びＤＬＳデータを収集するために、ラマン光路の内外に移動するように構成される。この手法の１つの利点は、既存のＤＬＳ機器類で簡単に作業できるということである。
【００５２】
システム内のノッチフィルタ３４又は他の検出器側のフィルタは、少量のレーザエネルギーを検出器３２へと通過させることができるように構成してもよい。システム１０は、試料についてのさらなる情報をこのエネルギーから抽出することができる。例えば、システム１０は、ラマン光源の波長の非弾性散乱を測定することができる。これは、試料と相互作用させた後、可能な限り多くのレーザエネルギーを除去するためにかなりの努力がなされるラマン分光法の従来の手法とは対照的である。当業者であれば、ノッチフィルタへのレーザの入射角を調整する又はノッチフィルタから１つ以上の層を除去するなど、少量のレーザエネルギーを通過させるいくつかの方法があることを認識するであろう。
【００５３】
以下でより詳細に説明するように、機器１０は、単独での及びＤＬＳ又はＳＬＳのような他の方法と組み合わせての低周波ラマンスペクトル領域の調査を含む、タンパク質の特性の調査を行うように構成されている。これらのタイプの調査を実行するように構成された機器は、タンパク質構造についてかなりの量の情報を明らかにすることができている。
【００５４】
測定値から情報を導出するために、上述のシステムは、記憶されたプログラム命令がプロセッサ上で実行される汎用コンピュータプラットフォーム上で動作する専用ソフトウェアプログラムに関連して実装されてきたが、全体又は一部を、専用ハードウェアを使用して実装してもよい。いずれにせよ、機器を、１つ以上の検出様式で特定の低周波特徴部を識別するプロトコルに従うように構成することができる。低周波スペクトル領域及び／又は特徴を識別し、次いで、１つ以上の条件下で、試料の他の構造特徴又は他の特徴と比較し、相関を求め、又は関連付けを行うことができる。
［タンパク質の固有の構造及び特性］
タンパク質は、アミノ基、カルボキシル基、及び可変の側鎖が結合しているα炭素を含む共通の構造特徴を有する最大２０の異なるアミノ酸の重合から構築される。ポリペプチド鎖中のアミノ酸同士は、タンパク質骨格を形成するペプチド結合によって結合され、この順序が、タンパク質の一次配列を規定する。これらの構造特徴の共通性にもかかわらず、アミノ酸の物理的性質は、極性、非極性、酸性、塩基性、荷電性、又は中性であり得る側鎖の特性の差異に起因して大幅に異なる。タンパク質の多様な性質は、主にアミノ酸側鎖のこの高度な多様性に由来する。
【００５５】
タンパク質の機能は、さらに、タンパク質が折り畳まれる三次元構造によって決定される。これらの構造要素は、タンパク質の二次及び三次構造として記述され、数ある要因の中でも特に一次配列及び側鎖の性質に依存している。二次構造要素の例としては、αへリックス、βシート、及びターンが含まれ、二次構造が局所的な現象であるため、つまり、様々な側鎖の相互作用によって決定されるため、ほとんどの場合、異なる二次構造（αヘリックス及びβシート）の領域が両方とも同じタンパク質分子に存在する。タンパク質は、多くの場合、存在するこれらの構造要素それぞれの割合によって特徴付けられるか、又は、「主にαヘリックスの」、あるいは逆に「主にβシートの」とより緩やかに記載されてもよい。タンパク質の最も興味深い性質を与えるのは、タンパク質中のアミノ酸の基本構造及び側鎖の可変性である。例えば、その性質とは、親水性及び疎水性の両方の性質を有する、両親媒性である。例えば親水性アミノ酸からなる一面と疎水性アミノ酸からなる反対側の面とを含むタンパク質のαヘリックス部分は、一次配列及び側鎖の性質がいかに協働してタンパク質の二次構造を定義するかの完璧な例である。
【００５６】
三次構造は、分子の最終的な「形状」を定義し、二次構造要素同士の互いに対する関係を対応付ける。これらの二次構造要素は、水素結合、塩橋、ジスルフィド結合、又は疎水性コアの形成によって安定化され、タンパク質の最終的な形態及び機能を定義する。多数のタンパク質分子がまとまって単一ユニットとして機能するときに四次構造が形成される。
【００５７】
これを踏まえると、アミノ酸配列及びより高次の構成（二次、三次、及び四次構造）の両方が、水性及び非水性（膜タンパク質の場合のように）環境における溶解性及び機能に重大な影響を与えることが明らかとなる。
【００５８】
上記の明確な定義及び構造要素によるタンパク質の分類にもかかわらず、タンパク質は、実際には堅固な分子ではなく、準安定性かつ動的である。そのため、タンパク質はまた、好適な三次元形態とは異なる数多くの構造変異体となることができる。これらの構造上の変化は、いくつかの場合においては機能性（シトクロム、酵素）を有効化又は強化し、他の場合には完全に非機能化する。タンパク質が自然に折り畳まれる三次元構造がその天然の（機能的）形態として知られている一方で、局所的な化学的環境を加熱する又は乱すことで、この構造を変化させ／破壊して、「変性」状態を生じさせることができる。
【００５９】
タンパク質はまた、状況に応じて酸又は塩基として作用することができる、両性として知られている性質を示す。個々のアミノ酸は、正電荷を有する、負電荷を有する、中性の、極性を有するものであってもよく、タンパク質にその全体的な電荷を与えるのは、すべての個々のアミノ酸の寄与を合わせた合計である。タンパク質の等電点（ｐＩ）は、正味の電荷を担持しないｐＨとして定義される。分子上の正味の電荷は、その周囲の環境のｐＨによって変更され、プロトン（Ｈ＋）の喪失又は獲得により正又は負になることができる。そのタンパク質のｐＩを下回るｐＨでは、タンパク質は、正味の正電荷を有する一方で、ｐＩを超えるｐＨでは、正味の負電荷を有する。その結果、タンパク質は、自身のｐＩに対応するｐＨで水又は塩溶液での溶解性が最小であり、多くの場合、これらの条件下で溶液から析出する。その直接の結果として、タンパク質は、したがって、自身の電荷に基づいて分離され得る。脱アミド、グリコシル化及び酸化などの他の修飾又は分解はまた、様々な電荷のアイソフォームを生じさせるタンパク質のｐＩの変化、及び、単一のタンパク質中でさえもかなりの量の電荷不均一性をもたらす可能性がある。
【００６０】
タンパク質の最も研究されている側面の１つはその三次元構造であるが、その理由は、三次元構造が正しい機能性に必須であるためである。実際には、ミスフォールドタンパク質（又は変性タンパク質）は、非機能性であるばかりでなく、アミロイドが関与する疾患を含むいくつかの疾患とも関連している。実際、タンパク質の三次元（天然／折り畳まれた）構造は、その機能性と特異性をもたらす「結合部位」も生じさせる。ｍＡｂの高度に可変の領域は、治療用分子としてその活性を決定する分子の小さな折り畳まれた領域の一例である。一次配列は、二次及び三次構造に影響を与えるが、それが唯一の要因ではない。タンパク質の天然状態の安定性の構造エネルギー論及び反応速度論の研究は、広範囲な研究の別の領域である。
【００６１】
先に述べたように、市場の大部分のタンパク質治療薬は、今日では、モノクローナル抗体（ｍＡｂ）である。自然の抗体には膨大な多様性があるが、その基本的な構造は非常に似ている。単量体は、ジスルフィド結合によって結合された２つの同一の重鎖と２つの同一の軽鎖とからなる「Ｙ」字型分子である。抗体の多様性、したがって、抗体の分子特異性は、数千の異なる機能の存在を可能にする分子の先端の高度に可変の小さな領域から生じる。さらに、抗体は糖タンパク質であり、共有結合したオリゴ糖鎖（糖）を含む。糖は、翻訳後として知られるプロセスにおけるタンパク質の初期合成後に発生するグリコシル化として知られるプロセスにおいてタンパク質に結合される。タンパク質の構造及び機能のさらなる多様性を生じさせる他の翻訳後プロセスが数多く存在する。
【００６２】
したがって、以上のことから、一次、二次及び三次構造に関するタンパク質のほぼ無限の多様性が、タンパク質の機能、及び推定治療分子としての高度な特異性を付与するものであることは明らかである。しかしながら、さらに、この同じ複雑さが、安定した、安全な、かつ有効な製品としてのこれらの同じタンパク質について、いくつも潜在的な「欠陥状態（ｆａｉｌｕｒｅ  ｍｏｄｅ）」を生じさせ得ることが理解されるであろう。その結果、医薬品としての候補タンパク質分子の適合性を決定するために克服しなければならないプレフォーミュレーション及び製剤化におけるハードルが、それらの小分子対応物よりも大幅に複雑で困難である。
［医薬品としてのタンパク質］
大きな分子の全体的な安定性は、一連の独立因子によって定義される。表１は、製剤化されたタンパク質製剤のいくつかの性質を概説している。機能と生物学的適合性が天然の分子自体の重要な性質である一方で、製剤化における変化（ｐＨ、塩濃度など）がこれらの性質に影響を与え得る。さらに、長期安定性、有効期限、及び凝集傾向などの因子は、製剤化、ならびにコロイド安定性に影響を与える可能性のある分子の様々な部分上の「ホットスポット」の存在によって影響を受ける可能性がある。これらの作用が重なって、任意の特定の分子の製造可能性が決定される。
【００６３】
【表１】
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【００６４】
結果として、バイオ医薬品候補は、最適な製剤条件を決定するための一連の生理化学的評価に供される。一次配列は薬剤分子を特徴付けるために重要であるが、製剤化における変化は、一次配列を変えないままで、主に高次構造に影響を与える。そのため、三次及び二次構造の変性を特徴付けることは、これらの分子の潜在的な欠陥状態をできるだけ早く軽減及び／又は判断し、市販品としての適合性を判断するために必要である。
【００６５】
また、治療薬が静脈内、筋肉内又は皮下のいずれに送達されるかに応じた変数は、多くの場合、１００ｍｇ／ｍｌを超える目標製剤濃度を設定するが、用量は、患者の体重キログラム毎にミリグラムオーダーのタンパク質であり、注射可能量に制限を課す。これは、開発中の分子が必要な有効性を有するのみならず、高度に可溶性であり、完成品及び患者の両方において良好な長期安定性を有し、小さなゲージの針を介した簡単な投与を容易にするのに十分な低い調整された粘度を有することを必要とする。
【００６６】
標的分子が、合成化学的プロセスとは対照的に、生物学的プロセス（すなわち、大腸菌、チャイニーズハムスター卵巣（ＣＨＯ）細胞、哺乳動物細胞に基づく発酵又は細胞培養）から生成されるという単純な事実は、製品に有意な多様性を付加することができる。発酵プロセスで使用される宿主細胞又は増殖培地の違いなどの因子は、製品の品質及び製造歩留まりに影響を与え得る。モノクローナル抗体のような生物学的治療薬は、従来の固体投薬形態の約３００倍大きい分子量を有し、多大な配座柔軟性と構造的及び化学的な不均一性とを示す。これらの性質は、製品の製造、精製、及び製品製剤化の間に存在する数多くの物理的及び化学的な環境条件によって影響され得る。また、開発及び製造プロセスのあらゆる部分における歩留まりは、通常、それらの小分子対応物の場合よりもはるかに低く、製造及び試験に大幅なコスト、不確実性、及び複雑さを加えている。
【００６７】
タンパク質治療薬のジェネリック版の登場と、バイオマニュファクチャリングプロセス及び分子自体の不安定性の両方に内在する固有の可変性とが、バイオシミラー、又はジェネリックという用語の対語としての後続生物製剤、という用語を業界に作らせた。これは、オリジネータのクローン又は細胞バンクも、正確な発酵及び精製プロセスも利用できないからである。その結果、低分子医薬品とは異なり、２つの製品の間に幾分の「相違」が生じることになる。特にヨーロッパでの実施要件は、元の製造者の製品の安全性と有効性が維持されることを保証することを目指す一方で、同時に小さな変化は、避けられないが、製品の性能に有害でも影響力が強くもないことを認識している。したがって、数多くの分析及び臨床手段を通じての生物学的類似性の測定は、重要かつ新たに出現した領域である。上記の意味は、新しい規制要件ももたらし、米国食品医薬品局（ＦＤＡ）及び欧州医薬品審査庁（ＥＭＥＡ）の両方がこれらの開発を支援するための新規であり、かつ、より良好な分析方法を探している。主な因子は、純度及び効能に直接対応付けられる安全性及び有効性であるが、両方の概念は、その小分子対応物の場合と比較して、タンパク質性製品について大幅に異なる意味を持っている。
【００６８】
よって、タンパク質治療薬を開発し、特性を評価し、試験し、発売するための分析要件は、複雑かつ多様である。数多くの新規な方法が出現し始めており、２つの個別の分類：対象疾患に対する有効性を決定する方法、及び、凝集の存在又は程度、許容不可能なほど高い製剤粘度、難溶性又は低い熱安定性、またこれらの性質を引き起こしている力、などの巨視的な作用を測定する技術、に大まかに分けることができる。後者は、新たな重要品質特性（ＣＱＡ）を導出するための探求として、又はクオリティ・バイ・デザイン（ＱｂＤ）手法として、合理的に記述することができるであろう。
【００６９】
タンパク質の分子特性、ならびにその作用、及び製剤との相互作用の基本的な理解は、望ましくない効果を最小化又は排除することができる手段を理解するのに役立つ。これは、標的とされたアミノ酸修飾のプロセス及び／又は最適な製剤条件の賢明な選択を通じて達成される可能性がある。多くの場合、これらの「効果」の出現が、ストレス試験や安定性の加速試験のスクリーニングプログラムによって監視される。これらには、濃度の調査や、加熱、凍結又は攪拌などの外部応力の適用を含んでもよい。これらの効果を監視するために使用される分析技術の選択は、得られた結果の値のみならず、基本的なサンプリング要件によっても影響を受ける。初期の製剤化又は製剤開発においては、試験に使用可能な候補分子の量は極端に制限され、その製造は極めて高価であり得る。したがって、標準製剤条件下での、少量で作業可能な分析方法が望まれている。自動化された、非侵襲的（無試薬）かつ非破壊の試験が、製品寿命サイクルにおけるこの段階では非常に望ましく、それにより、試料を再度取得し、試験すること、かつ／あるいは、他の分析機器で再利用することが可能である。
【００７０】
これらの同じニーズが、同時に同一試料に対して異なる相補的な試験を実行することを要求しており、その結果、ハイブリッド／マルチモーダル機器が出現し始めている。例えば、タンパク質の高次構造を凝集と共に測定することができる手法は、溶液中のタンパク質の分子状態及び物理的状態の両方への洞察を提供することができるであろう。この特性評価の組み合わせは、さらに、凝集及び／又は変性の動力学や熱力学への力学的な洞察を提供することができる。業界では一般に、治療薬開発寿命の初期段階ではこれらのタイプの決定に関する分析上の障害があると考えられている。
［分析上の課題］
生物学的治療薬での分析要件が変化しているペースを考えると、分析上の障害はワークフロー、特にプレフォーミュレーション及び製剤開発において出現している（表１参照）。これらの障害は、製品開発を加速させ、構造／機能／有効性の関係についての理解を改善し、可能な限り早期に機能／問題を識別して、後の開発段階での製品属性が脆弱になるのを避けるために、新たな分析技術要件及び既存の技術を「別の目的のために再利用すること」を推進している。
【００７１】
典型的な生物学的治療薬に関する分析的及び生物物理学的な特性評価における課題は、小分子の発見、開発、製造のために採用されるものとは大きく異なっている。
タンパク質の構造と機能とを理解して特徴付けることは、長い間重要な学問的に関心のある領域であったため、この分野における基礎研究の量は膨大である。タンパク質は、数十億ドルの価値のある生物学的治療用「商品」へと進化してきたため、構造／機能の関係、及びこれらの製品の性能及び安全性への影響を完全に理解するために必要とされる特性評価及び理解に要求されるレベルは非常に高い。
［タンパク質及びタンパク質製剤の物理化学的性質の測定］
［タンパク質凝集及び「粒子汚染」］
業界と規制当局の両方にとっての主な推進力は、純度及び効力に直接対応付けられる安全性と有効性であるが、両方の概念は、タンパク質性製品については大幅に異なる意味を持っている。例えば、ＵＳＰ７８８は、注射及び非経口注入における外来粒子状物質による汚染の詳細について記述している。小分子の水溶液の場合には「外来」の定義は比較的簡単であるのに対し、タンパク質を用いる非経口剤の場合、その定義はより複雑になり得る。次の章を中心とする最近の議論では、すなわちＵＳＰ７８７は、汚染を外因性のもの、内在性のもの（ｉｎｈｅｒｅｎｔ）、及び内因性のものとして定義し始めている。外因性の汚染とは、製造プロセスの外部に由来する製剤中に存在する物質であり、内在性の汚染とは、金属、シリコーンオイルやプラスチックなどのプロセスの中から発生する汚染を示し、内因性の汚染とは、タンパク質凝集、変性タンパク質、宿主細胞タンパク質又はウイルスのような、製品自体に由来する汚染である。明らかに、後者の（内因性）汚染の問題は、特性評価の定義と手段の両方にかなりの複雑さを加える。
【００７２】
内因性汚染は、より一般的には、製剤における凝集したタンパク質生成物の存在とみなされており、業界と規制当局の双方にとって同様に大きな焦点となっている。安全性と潜在的な免疫原性リスクに対する懸念だけでなく、凝集した医薬品の有効性の低下の心配がある。さらに、薬剤の製造、包装及び／又は保管中における凝集体の出現は、製品の損失につながり、ひいては製造効率に影響を与える。凝集した生成物は、機械的、熱的及び／又は化学的ストレスを含む様々なメカニズムによって生じ得る。凝集体は、一般に、その観察されるサイズに基づいて特徴付けられており、業界と規制当局は、「サブミクロン」（１００〜１０００ｎｍ）、「サブビジブル」（１〜１００ミクロン）、「目視確認可能（ｖｉｓｉｂｌｅ）」（＞１００ミクロン）のサイズ範囲の定義に概ね落ち着いている。「凝集体」はまた、通常は可逆的に形成されている、二量体、三量体、そしてより高次のオリゴマーなどの形態を指すことができ、凝集を誘発するストレスが除去されると、容易に単量体の状態に戻ることができる。これらの伝統的な分類は、比較的大雑把であり、不正確である。この問題に対処するために、近年、ナルヒ（Ｎａｒｈｉ）らは、サイズ、可逆性／解離性、立体配座、化学修飾、及び形態学に基づく５つの分類を使用することを提案している。彼らはまた、以前ならオリゴマー又は可溶性凝集体と記述されていたであろう１００ｎｍ未満の凝集体を記述するために、「ナノメートル」サイズの範囲の追加を提案している。
【００７３】
サブミクロン、又はより最近ではナノメートル、として記述される大きさの範囲は、明らかに、許容されている光学イメージングや光遮蔽技術による特性評価の閾値を下回るが、クロマトグラフィー又は光散乱技術によって測定可能である。これらの形態は、ほとんどの場合に存在している可能性がある一方で、それらの製品開発中に発生する頻度及び／又は傾向は、後の段階での製造や安全性の問題につながり得るタンパク質の不安定性の早期の兆候を提供する可能性がある。
【００７４】
凝集体特性評価における主要な障害の１つは、基準の欠如である。サイズ分布、密度、屈折率の点でタンパク質凝集体を模倣する合成基準物質のアイデアは、研究が活発な領域ではあるが、未だ採用されている時点でないのは確かである。基準の欠如は、さらなる分析試験及び、直交手段、すなわち試料と同等又は類似の性質を抽出しようとする異なる物理的原理に基づいた２つの分析測定の適用、の使用の必要性を推進している。そのような２つの方法の一致又はほぼ一致は、それぞれ個別の値についての信頼性よりも信頼性を向上させる。例えば凝集試験のための直交法は、フロー顕微鏡と共鳴質量測定であってもよい。
【００７５】
集計及び定量化が重要であるが、汚染物質を種分化する能力は、業界では重要な満たされていない分析ニーズである。より最近では、汚染物質の化学的組成を計数し、大きさに従って区分し、識別することができる技術は、非常に魅力的である、なぜならば、それらの技術は、おそらく汚染源を正確に示すことを可能にするからである。
［粘度］
治療用タンパク質製剤は、ますます高濃度へと向かっている。これは、抗体の全質量と比較した抗体の「機能」部分の相対質量と、医療専門家により投与されなければならない、費用及び時間がかかる静脈内（ＩＶ）送達機構に対して、患者が自己投与可能なより小量の注射剤を提供することの重視との両方によって推進されている。５０ｍｇ／ｍｌから２００ｍｇ／ｍｌの範囲のタンパク質濃度は、今日では珍しくない。しかし、これらの高濃度構成に向けた動きは、主にこれらの濃縮製剤（１−４）の高粘度の可能性のために、生産性及び注入性の両方における大きな問題につながる。一般的に受け入れられている「経験則」では、粘度は、送達時点で１０ｃＰを超えず、製造／送出時に２０ｃＰを超えないようにしなくてはならない。これらの製剤中の複雑な特異的及び非特異的な相互作用の存在は、自己会合、不可逆的な凝集体形成、及び、粘度などの特性に負の影響を与える他の兆候につながる可能性があり、それによって製造時及び送達時の両方の問題につながる可能性がある。粘度に対する支配的な寄与は、これらの特定の微細構造の体積分率に依存する一方で、粘度が調べられている時の剪断速度にも依存する。その結果、新たな治療薬の開発においてできるだけ早く市場目標濃度での単純な粘度測定を行うことの重要性を軽視することはできず、全体的な開発プロセスにおけるより早期の粘度測定の必要性を後押ししている。これは、マイクロリットル量の材料のハイスループット自動測定のニーズを必要とする。しかしながら、この分野の課題は、性能を最適化するために必要な重要な基準を理解する観点から未だ完全に理解されておらず、より複雑なレオロジー技術の開発及び使用におけるさらなる進展を推進する可能性が高い。
［タンパク質とその製剤の物理化学的性質の理解］
凝集体の識別及び特性評価は、重要ではあるものの、パズルを「解く」一部でしかない。同様に重要なことは、タンパク質凝集の根底にある凝集をもたらす要因及びメカニズムの理解を深めることである。なぜならば、この知識によって、実際にその形成を軽減することができるからである。したがって、製剤条件の関数としてのオリゴマー形態間の存在、動力学及び熱力学を測定し追跡することができる技術は、全体的な安定性とおそらくは開発中の製品の保管寿命とに影響を与える原動力への重要な洞察を提供することができる。
【００７６】
さらに最近では、天然のタンパク質−タンパク質相互作用の役割が、大きな関心を集めている。静電相互作用が関与しており、比較的微細な立体配座の変化でさえ、凝集に有利な相互作用エネルギー論を推進することができる。生物学的治療薬の安定性に対するこれらの弱い、非特異的な相互作用が与える影響は、製剤の安定性の予測因子として、生物学的治療薬の特性評価において大きな関心を牽引してきた。例えば、光散乱測定から導出可能な第２ビリアル係数（Ｂ２２）は、凝集の傾向を予測するために使用されてきた。タンパク質は、多くの単純なコロイド系とは異なり、不均一な表面電荷分布を有する。この局所的な電荷分布における非対称性は、双極子の形成につながる可能性があり、それによって自己会合と粘度上昇の傾向が高まる。これらの相互作用を測定し、ストレス又は製剤パラメータの関数としてのタンパク質の電荷及び／又はタンパク質の立体配座状態の変化を追跡することができる技術は、最終製品にとっての最適な設計空間の理解を提供することができる。
【００７７】
ラマン分光法は、製剤条件下でタンパク質及び生物学的治療タンパク質を含む広範な材料についての、大量の化学パラメータ、構造パラメータ、及び物理パラメータを抽出することを可能にする分子の振動に基づく分光技術である。ラマン分光法は、タンパク質の二次構造（アミドＩ及びＩＩＩ）及び三次構造マーカー（芳香族側鎖、ジスルフィド結合、水素結合、局所疎水性）を同時に導出する。これらの高次構造の決定は、従来の方法で必要とされる希釈濃度、すなわち円偏光二色性（ＣＤ）について数ｍｇ／ｍＬ未満、ではなく、実際の製剤濃度である、ｍＡｂについて５０ｍｇ／ｍＬ以上、で行うことができる。その結果、タンパク質の二次及び三次構造、摂動／アンフォールディング、溶融温度、凝集の開始温度、及びエンタルピー及び自由エネルギー値をすべて導出することができ、アンフォールディング／構造変化及び凝集の競合経路の理解の向上、最終的には、凝集メカニズムへの独特な洞察につながって、製剤の安定性の向上に役立つ。タンパク質を研究するためのラマン分光法の有用性に関して大規模に行われた研究がある一方で、生物学的治療薬の特性評価に関するラマン分光法の有用性は限定されており、円偏光二色性及びフーリエ変換型赤外分光法（ＦＴＩＲ）などの他の手法によって影が薄くなっている。しかしながら、ラマン機器における近年の進歩は、生物学的治療薬の特性を評価するためにラマン機器を使用することに対する新たな関心を刺激するのに役立っている（本明細書中に参照として援用される国際出願番号第ＰＣＴ／ＧＢ２０１２／０５２０１９号の公報を参照）。しかし、科学文献をざっと見たところでは、研究のほとんどが、「指紋」領域、すなわち、４００〜１８００ｃｍ−１、として知られているより良好に理解されている部分のスペクトルに焦点を当てていることが明らかになった。この範囲内では、カルボニル伸縮振動（アミドＩ）、ジスルフィド（Ｓ−Ｓ）伸縮振動及びアミノ酸及びそれらの立体配置の相補体を記述する多数の他のモードのような典型的な官能基の振動が存在する。しかしながら、４００ｃｍ−１未満のスペクトル領域は、それほどよく研究されてきていない。
【００７８】
これらの振動の低周波の性質を考えると、これらの振動は「全タンパク質」の動きを決定し得るため、タンパク質の機能及びその作用とそれ自身及びその環境との相互作用とをより綿密に反映すると仮定できる。具体的には、これらのモードの振幅と周波数の変化は、全体的なタンパク質の電荷の変化、タンパク質双極子の変化、他のタンパク質もしくは標的分子とのタンパク質−タンパク質相互作用（特異的及び非特異的）又は他のタンパク質もしくは標的分子との相互作用（結合）における変化を反映し得る。また、スペクトル変化は、タンパク質の溶媒との相互作用、その溶媒のｐＨ、溶液中の他のイオンを反映する可能性があり、特定の溶液又は製剤中のタンパク質の（動力学的及び熱力学的）安定性の指標を提供する可能性がある。スペクトル変化はさらに、タンパク質ネットワーク、凝集、フォールディング及びアンフォールディングの進展だけでなく、高濃度でのタンパク質密集の結果としての変化を反映する可能性がある。水分子間又はタンパク質を有するこれらの水分子間の水素結合（分子間及び分子内）に関連したいくつかの低周波水振動モードも同じスペクトル領域で発生する可能性があるという事実は、この低周波スペクトル間隔が、生物学的治療薬の有効性及び安定性の開発及び研究に有用な大量の情報を提供する可能性がある。これらのモードはまた、タンパク質の粘度、安定性、機能性、又は、異なる濃度、ｐＨ、温度、時間、イオン強度、及び他の製剤条件によるタンパク質のＰＩに対する洞察又はその実際の測定を提供する可能性がある。さらに、ペグ化又はグリコシル化によるタンパク質修飾も、この同じスペクトル領域における変化をもたらすことが期待されており、その技術を、翻訳後修飾、又は、患者におけるタンパク質の送達及び制御された放出もしくは半減期のためのより精緻な方法の研究においてさらに重要なものにしている。
【００７９】
さらなる研究を通じて、すでに市場に出回っている又は開発中のモノクローナル抗体などの生物学的治療薬について、このスペクトル領域で発生するラマンピークの性質が改善されるであろうと仮定するのが妥当であり、現在の理解の欠如は、上述した分析方法の有用性を過度に妨げるべきではない、なぜならば、我々は、観察されたスペクトルの変化と、例えばタンパク質の電荷、粘度、あるいはテラヘルツ分光法又は小角度中性子散乱のような他のより複雑な分光ツールの使用といった既存の主要な測定方法との相関をとるために、較正又は他のスペクトルもしくは多変量技術を利用することができるからである。これらは、十分に理解された様々なモデルタンパク質を使用して実現され、産業上及び医療上関心の持たれる実際の分子に「転写」されてもよい。通常、ラマン分光法は、後でＣＣＤのような１次元又は２次元アレイ検出器のいずれかに入射するラマン散乱光を分光する分光器と組み合わせて、レーザ励起を用いて使用される。別の実施態様では、フーリエ変換装置が、ＦＴラマンとして知られる技術で使用されてもよい。ほとんどすべての場合において、装置は、指紋領域又は約２８００〜３６００ｃｍ−１の間のより高い周波数の水素伸縮モード（ＳＨ、ＣＨ、ＯＨ、ＮＨ）に重点を置いた全スペクトル領域を収集する。典型的なラマン分光器の分解能は、通常、非常に高く（２〜８ｃｍ−１）、タンパク質のような大きく複雑な分子について通常観察される、比較的鋭く近接した多数のラマンピーク間の区別を可能にしている。しかしながら、我々がこの手法で採用している比較的狭いスペクトル範囲（４００ｃｍ−１）、及び、この低周波数域のピークが強くより広い傾向があるという事実を考えると、低コストかつ低解像度の分光器及び機器類が使用されてもよい。実際、例えば、電荷、結合、粘度など、関心のある特定のタンパク質の特性に感受性があるとこれまでに判断されてきた、これらの低周波振動の１つ以上に同調される単純なフィルタを用いる機器を採用することさえ可能である。機器は、レーザ、試料セル、レーザノッチフィルタ、及び１つ以上のラマン線フィルタ程度の単純なものであってもよい。これらのラマン線フィルタは、約１０ｃｍ−１の帯域幅、約２５ｃｍ−１の帯域幅、又はさらには約５０ｃｍ−１の帯域幅でさえも有することができる。逆に、低周波数スペクトル範囲内での特徴を改善するために、減少させた帯域幅に制限された範囲の高分解能分光計を構築することができる。機器の出力は、特定の性質に高度に特異的であり得るか、又は、品質管理測定、又は生物学的類似性又は生物学的同等性の測定のような処理された結果を生成するために、スペクトル情報を単純化、集計、又はその他の処理を行う論理回路を含んでいてもよい。
【００８０】
本特許出願は、ラマン分光法の使用に焦点を当てているが、特に、タンパク質溶媒／タンパク質水の相互作用の効果の測定に関して、他の振動分光法に置換されてもよい。これらには、赤外（ＦＴＩＲ）分光法及び近赤外分光法、遠赤外分光法及びテラヘルツ分光法を含む。さらに、レオロジー、クロマトグラフィー又は光散乱などの他の技術を用いた比較及び相関は、さらなる洞察を提供する可能性があり、これらの技術と低周波ラマンシフト測定値を統合又は組み合わせる機器類は、付加価値を提供するであろう。
［例］
リン酸緩衝生理食塩水（ＰＢＳ）中のウシ血清アルブミン（ＢＳＡ）の試料について、図１のシステムを用いて数多くの実験を行った。その結果を図２〜５にプロットする。図２ａは、濃度の関数としての、ＰＢＳ中のＢＳＡの試料のアミドＩ領域におけるラマンスペクトルのプロットである。図２ｂは、１６５０ｃｍ−１での濃度対ピーク強度のプロットである。図２ｃは、６つの濃度でのアミドＩ領域の正規化された二次微分スペクトルのプロットである。図２ｃは、〜１６５０までピーク位置の変化は全くなく、したがって濃度によるタンパク質二次構造の変化はないことを示している。図２ｄは、濃度の関数としてのスペクトルの低周波数１００〜２５０ｃｍ−１部分の二次微分のプロットである。図２ｄは、タンパク質分子間相互作用及び溶媒との相互作用の変化により著しく異なるスペクトルを示す。図２ｅは、濃度の関数としてのピーク位置のプロットであり、データは図２ｄの二次微分スペクトルからのものである。
【００８１】
図３ａは、１６００〜１８００ｃｍ−１間における、３つの異なるｐＨ条件（ｐＨ３、ｐＨ５及びｐＨ８）でのＢＳＡのラマンスペクトルのアミドＩ領域から導出される温度の関数としての主成分得点のプロットである。プロットは、Ｔｍにおける相違と、ｐＨの相違に起因するタンパク質アンフォールディングの共同作用における相違とを示している。図３ｂは、温度に対してプロットされた、３つの異なるｐＨ条件でのＢＳＡの低周波数（１００〜３００ｃｍ−１）ラマンスペクトルの主成分分析の得点を示す。アミドＩトレースとは異なり、これらの数字は、ｐＨ５トレースについて顕著に異なる挙動を示しており、ｐＨ５トレースは、タンパク質の等電点（ｐＩ）に近く、これらの条件下でタンパク質のより顕著な分子間会合（凝集）を示している。
【００８２】
図４ａは、２０℃、８０℃、そして再び２０℃（プロットでは２０Ｃ’として識別される）でのアミドＩ領域におけるリゾチーム溶液のスペクトルのプロットである。試料は２０℃から８０℃に上昇させられ、その後２０℃まで冷却される。データによると、上昇させられた温度においてタンパク質の可逆的アンフォールディングを、温度が２０℃に戻されたときにタンパク質の完全なリフォールディングを示している。図４ｂは、温度の昇降の関数としてプロットされたアミドＩのピーク位置のプロットである。アミドＩの位置は、約１６５７ｃｍ−１で始まり約１６６１まで上昇し、ほぼ完全に可逆的であることが分かる。アミドＩの位置は、再冷却で約１６５７及び同等の二次構造に戻る。図４ｃは、２０℃、８０℃、再び２０℃での加熱及び冷却を受けた、同じリゾチーム試料の低周波数領域におけるスペクトルのプロットである。この場合、データは可逆的ではなく、分子間構造に永久的な変化を示す。図４ｄは、図４ｃの１５２ｃｍ−１におけるスペクトルの温度依存性を示すプロットある。
【００８３】
図５ａは、アミドＩ領域における、アンフォールディング温度Ｔｍ未満（Ｔ−）及びＴｍ超（Ｔ＋）でのヒト血清アルブミン（ＨＳＡ）のスペクトルのプロットである。スペクトルは、アミドＩの周波数のシフトによって測定されるタンパク質の典型的なアンフォールディングを示す。図５ｂは、アンフォールディング温度Ｔｍ未満（Ｔ−）及びＴｍ超（Ｔ＋）での同じ試料の低周波数スペクトルのプロットである。図５ｃは、Ｈ２Ｏ２（酸化剤）で処理されたＨＳＡのスペクトルのプロットであり、図５ａと同様にＴｍ未満（Ｔ−）及びＴｍ超（Ｔ＋）を示す。図５ｃは、温度による典型的なタンパク質アンフォールディングを示し、Ｈ２Ｏ２で処理せずに得られたスペクトルに対してほとんど差がないことを示している。図５ｄは、Ｈ２Ｏ２で処理した試料の低周波数スペクトルのプロットである。図５ｄは、顕著に異なる挙動を示しており、ここでも、未処理試料について観察されたものとは異なる分子間構造であって、低温及び高温の両方で「安定」している分子間構造を示している。
【００８４】
図６は、低温（２０℃  Ｔ−）及び高温（８０℃  Ｔ＋）でのモノクローナル抗体の溶液の二次微分ラマンスペクトルのプロットである。約１００〜２００ｃｍ−１の範囲内のデータは、加熱時の著しい変化を示し、スペクトルの他の部分、特に８００〜９００ｃｍ−１（三次構造）のデータは、わずかな変化のみを示す。ラマンスペクトルの他の部分の他の二次構造マーカー（図示せず）は、温度の変化は等しく小さいか存在しないことを示している。したがって、この場合、低周波数領域は、抗体構造摂動、又はそれ自体又は緩衝溶媒との相互作用の、より感度の高い測定を提供する。
【００８５】
図１を再び参照すると、粒子測定システム１０は、マイクロレオロジー測定を行うために、既知のサイズのマーカー粒子を使用することができる。いくつかの実施形態では、これらのマーカー粒子は、単にキュベット１６内に導入してもよい。これは、高品質マイクロレオロジー（例えば、ＤＬＳ）測定を提供するのに役立ち、分光（例えば、低周波ラマン）測定と組み合わせたときには、試料に対するより深い洞察を提供することができる。
【００８６】
図７も参照すると、粒子測定システム１０はまた、マーカー粒子が捕捉されている流体透過性ケージ６６に接続された光ファイバ７０を備えた特殊なプローブを使用することができる。次に、プローブを、機器のキュベット６２内に保持された試料６４中に浸漬することができる。次に、ケージ６６の内部で終端するファイバ７０を介して光及び収集された信号が搬送される状態で、マイクロレオロジー測定をケージ６６の内部で行うことができる。この実施形態は、試料に導入する必要がある粒子をより少なくし、粒子を簡単に試料から除去することでき、容易に回収できるという利点を有している。分光励起及び収集測定は、ケージ６６の外側にあるキュベット６２の一部と交差する光路６８を介して実行される。
【００８７】
図８も参照すると、交互プローブは、ケージ６６の内側で終端する単一の光ファイバ７２を専ら介してマイクロレオロジー測定及び分光測定の両方を行うことができる。図９に示すように、分光測定及びマイクロレオロジー測定は、それぞれ独自のファイバ７０、７４を用いて行ってもよい。図１０は、図７の実施形態と同様に動作する光ファイバ７６とケージ６６を含む別のプローブを示すが、分光測定が、ケージ内に保持された試料体積部分と交差する又は該体積部分に近接している光路６９を介して実行される点が異なる。
【００８８】
プローブを用いた他の構成のシステムも構築することができる。ケージ６６は、球状の体積を画定するものとして図７〜図１０に示されているが、例えば、立方体又は立方体様形状などの他の閉じた形状を画定することもできる。膜がキュベットの２つの部分の間に隔壁を形成する構成など、粒子が試料を汚染しないように、様々な他の流体透過膜の構成を使用することもできる。
【００８９】
ケージ６６は、ステンレス鋼又はガラスのような任意の好適な材料で作製することができる。ケージ６６は、メッシュやレーザカット穴のような穴などの任意の適切な微細構造を介して、試料は透過可能であるが、粒子は透過できないように構成してもよい。一実施形態では、プローブ粒子は、直径１μｍ程度である。
［検証とモデル化］
１１６のラマンスペクトルを含むデータセットが、異なる濃度（１〜４ｍｇ／ｍｌ）及び温度（２４度−１０度−２４度）の値についてメタクリレートジブロック共重合体試料から取得された。プローブ粒子の手法を使用して、測定ごとに粘度を図１のシステムによって測定し、複素粘度を、１１６のデータポイントの各々に対して確立した。その結果は一対のデータ行列であり、一方の行列は、（１１６の試料）×（ラマンスペクトルにおけるポイントの数）の次元を有し、他方の行列は１１６×３である。（列１：濃度、列２：温度、列３：粘度）。
【００９０】
次に、これらのデータ行列について、部分最小二乗（ＰＬＳ）回帰モデルを作成した。データは、最初にランダムにより大きい訓練集合とより小さい予測集合とに分割した。これは、モデルが見たことがないスペクトルの値の予測を可能にした。図１１〜１４を参照すると、その計算は、得点及びローディングと次に予測セットに使用することができる回帰係数とを生成する。グラフは、３つすべての変数についての「予測」値であり、図１２〜１４の直線は、実際の出力対予測された出力の単純な最小二乗フィッティングである。最初のローディングにおけるピークはポリマーからのものであり、そのため、濃度に強い依存性を有することに留意すべきである。他のローディングは、より低い波数範囲（約１００〜３００ｃｍ−１）におけるほとんどの「情報」を有し、これは、粘度の変化と相関していると考えられているものである。これにより、低周波数領域は、これらの試料の特性を「観察する」ために興味深い領域であることが裏付けられる。
【００９１】
このモデリング手法は、後の測定を簡素化することができる。一旦、良好なモデルをラマンデータ及びレオロジーデータから作成すると、粘度は、ラマン測定のみから予測することができる。これは、製造、偽造品検出、及び品質管理のような多くの測定が行われる必要がある状況において有用であり得る。これらの状況では、モデルは、継続的に機器のコンピュータによって格納され、使用されてもよく、あるいは、モデルは、較正段階の間に確認又は調整されてもよい。
【００９２】
これらの測定に関連してＰＬＳモデルを使用したが、他の多変量解析技術も使用することができる。複素粘度データは、プローブ粒子を用いる手法から導出されたが、このタイプの流動測定データはまた、回転式レオメータのような他の供給源から得ることもできる。
［例示的な実装］
図１のシステムの実装を、図１５に示す分析ブロック、制御ブロック、参照ブロックのような複数のユニットに分解することができる。この実装では、連想エンジン８０は、ラマン検出器３８及びレオロジー検出器（ＤＬＳ測定の場合には相関器）２８、又は他のレオロジー測定源から、検出信号を受信する。他のレオロジー測定源には、例えば、米国特許出願公開第２０１３／０１８６１８４号明細書に記載され、マルバーン・インストルメンツ社のビスコサイザー２００に実装されているような、毛管流による粘度測定を含んでいてもよい。ラマン測定は、毛細管内の液体試料について行うことができ、試料のラマンスペクトルの取得と共に、粘度の測定を同時に行うことを可能にしている。
【００９３】
連想エンジン８０はその後、１つ以上の記憶された連想ツール８２を使用して、レオロジー値がどのようにスペクトル特徴と関連付けられるかを決定する。連想エンジン８０は相関ツールを使用して、例えば、どの波長が最も強く粘度の変化と相関しているかを決定することができる。
【００９４】
次いで、特徴識別子８４が、連想の結果から、試料の構造特徴又は他の特徴を識別するか、又は少なくとも識別しようとすることができる。該識別子は、異なる候補特性のための識別プロファイルの特徴ライブラリ８６を使用して、この識別を行うことができる。水素結合に関連したスペクトル特性の変化は、例えば、それがラマン測定における可変性の源であることを示す可能性がある。いくつかの場合には、特徴識別子８４は、さらなる調査のための出発点として役立つ１つ以上の識別提案を行うだけであってもよい。
【００９５】
システムはまた、機器のユーザインタフェース９０を介してユーザが一連の測定プロトコルのうちの１つを設計及び／又は選択することを可能にするプロトコル記憶装置９２を含んでいてもよい。プロトコルには、機器制御部９４に対する記憶された命令を含むことができ、機器制御部９４は、１つ以上の試料環境エフェクタ９６を駆動し、測定値の取得を制御し、例えば、放射源１２（図１）をオンオフするなど、他のシステム機能を監視することができる。制御部９４は、ある範囲の温度及びｐＨにわたって一連の測定値を取得するために、例えば、水槽サーモスタット設定及び自動ピペットを駆動することができる。得られた測定データ、連想結果、及び／又は識別結果は、その後、記憶され、機器のユーザインタフェース９０上でユーザに提示され、又は他の方法で使用されることができる。
【００９６】
図１６を参照すると、図１のシステムの変形例は、上述したように、ＰＬＳ回帰モデルのような多変量モデルを使用することができる。この機能は、図１５の特徴の一部又は全てに加えて提供されてもよい。このタイプの実施形態では、モデリングエンジン１００は、ラマン検出器３８及びレオロジー検出器（相関器）２８又は他のレオロジー源から、検出信号を受信する。次いで、モデリングエンジン１００は、１つ以上の記憶されたモデリングツールを使用して、試料の１つ以上のモデル１０２を構築する。上述したように、モデリングエンジン１００は、例えば、ＰＬＳ回帰モデルを使用することができる。
【００９７】
システムは、レオロジー予測因子／特徴識別子１０４の１つ以上の部分を使用してモデルを調べることができる。これにより、システムは、レオロジー測定を実行する必要なく、ラマンスペクトルから、粘度などのレオロジー値を予測することが可能になる。レオロジー予測因子／特徴識別子はまた、モデルから、例えばＰＬＳ回帰モデルにおけるローディングから、試料の構造特徴又は他の特徴を識別するためにも使用され得る。多変量解析技術は、例えば、参照により本明細書に援用される、モハメド  Ａ．シャラフ(Muhammad A. Sharaf)らによるChemometrics、Wiley-Interscience（１９８６）や、Detection and Identification of Bacteria in a Juice Matrix with Fourier Transform-Near Infrared Spectroscopy and Multivariiate Analysis、Journal of food protection、１２／２００４；６７（１１）：２５５５−９に記載されている。
【００９８】
図１５及び図１６に示されている様々なブロックは、好ましくは、コンピュータ４２上で動作するソフトウェアとして実現されるが、上述したように、それらのブロックはまた、専用のハードウェアを使用して全体を又は部分的に実施することもできる。そして、システムの機能は、図１５及び図１６に示されている一連のブロックへと分割されてもよいが、当業者であれば、それらを結合及び／又は分割して別の分解をなしてもよいことが認識されるであろう。場合によっては、複数のコンピュータ上でシステムの様々な部分を実行することが望ましい場合がある。
【００９９】
本発明をその多数の具体的な実施形態に関連して説明してきた。しかしながら、本発明の範囲内に入ると考えられる多数の改変が、当業者には明らかであろう。したがって、本発明の範囲は添付の特許請求の範囲によってのみ限定されることが意図される。また、請求項の提示の順序は、各請求項における任意の特定の用語の範囲を限定するように解釈されるべきではない。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【国際調査報告】
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