治疗性单抗制剂的多尺度扩散动力学与瞬态簇形成机制研究——基于中子散射技术的皮下注射高浓度溶液稳定性突破

为解决高浓度单抗(mAbs)皮下注射(SC)制剂的粘度控制难题，德国蒂宾根大学团队采用中子自旋回波(NSE)和小角中子散射(SANS)技术，首次揭示IgG1/IgG4亚型单抗溶液中短寿命多聚体簇的形成是导致粘度超阈值(15–20 mPa·s)的关键因素，为开发可自给药的低粘度稳定制剂提供理论依据。

　　

在生物制药领域，单克隆抗体(mAbs)因其靶向性强、疗效显著已成为最畅销的生物药品种。然而传统静脉注射方式需要专业医护操作，而更便捷的皮下注射(SC)却面临严峻挑战——人体皮下组织仅能耐受1-2mL注射体积，这就要求药物必须浓缩到极高浓度。但浓度提升会引发溶液粘度飙升，超过15-20 mPa·s的注射阈值时，患者将面临注射疼痛甚至无法推注的困境。更棘手的是，高浓度还可能导致蛋白质相分离、溶液乳光(opalescence)等稳定性问题。这些物理化学性质的异常变化，本质上与抗体分子在多尺度下的动态行为密切相关。

为破解这一难题，德国蒂宾根大学Ilaria Mosca团队在《Molecular Pharmaceutics》发表创新研究。研究人员选取9种临床相关的IgG1/IgG4亚型单抗，创造性地将中子自旋回波(NSE)和小角中子散射(SANS)两种中子技术联用。NSE能捕捉纳秒到百纳秒尺度的分子运动，而SANS可解析1-100纳米尺寸的静态结构特征，二者互补填补了传统中子背散射(NBS)与粘度测定之间的技术空白。

关键实验技术

研究团队建立包含9种单抗的样本矩阵，通过NSE测定集体扩散系数，结合SANS分析溶液结构因子。温度变量设置为5-25°C，浓度梯度覆盖50-200 mg/mL治疗相关范围。利用德拜-休克尔理论拟合相互作用参数，通过广义斯托克斯-爱因斯坦方程关联微观动力学与宏观粘度。

多尺度扩散行为

NSE数据显示，所有单抗在50 mg/mL时均表现为典型的硬球扩散模型。但当浓度>150 mg/mL时，IgG4亚型出现异常扩散系数下降，暗示形成2-3个单体的瞬态簇。这种浓度依赖性在25°C时尤为显著，与粘度骤增区间高度吻合。

动态簇形成机制

SANS结构因子分析揭示，高浓度下出现3.5 nm^-1处的额外散射峰，对应约2.8 nm的特征间距。该距离小于单抗直径(10 nm)，证实存在face-to-face取向的紧凑二聚体。通过对比不同亚型，发现IgG4的簇形成倾向比IgG1高37%，这与前者更易发生Fc区相互作用有关。

分子相互作用网络

德拜长度分析显示，200 mg/mL时有效电荷数下降60%，表明静电屏蔽效应增强。引人注目的是，当吸引力参数k_D>1.5时，溶液出现肉眼可见的乳光现象，此时SANS检测到>10 nm的超分子组装体，对应粘度突破20 mPa·s临界点。

内部动力学特征

通过对比NSE与理论模型，发现单抗铰链区在簇形成过程中呈现反常的刚性化。这种构象变化使分子表面暴露出通常被掩蔽的疏水斑块，成为诱发短寿命多聚体形成的"分子胶水"。

该研究首次证实：高浓度单抗溶液中存在的瞬态多聚体(≥三聚体)是粘度激增的主因，这类寿命仅纳秒级的动态簇通过累积效应显著影响宏观流变性质。更重要的是，团队建立了一套基于中子散射的预测模型，仅需测定低浓度样品的相互作用参数，即可预判其在治疗浓度下的稳定性表现。这一发现不仅为皮下注射制剂开发提供全新设计策略，其中揭示的"构象诱导簇形成"机制更为理解蛋白质溶液异常行为开辟了新视角。