Colloidal stability and folding of antibodies in the presence of chaperone-like poly(acrylate) derivatives : role of hydrophobic and electrostatic interactions

par Nicolas Martin

Thèse de doctorat en Chimie et Physico-chimie des Polymères

Sous la direction de Christophe Tribet.

Le jury était composé de Fouzia Boulmedais, Renko De Vries, Françoise Winnik, Didier Boquet, Alain Fradet.

  • Titre traduit

    Stabilité colloïdale et repliement d'anticorps en présence de dérivés de l'acide poly(acrylique) : rôle des interactions hydrophobes et électrostatiques


  • Résumé

    Les anticorps à visée thérapeutique sont en pleine expansion. Le développement de ces protéines issues de la bioingénierie est toutefois entravé par leur tendance naturelle à l'agrégation, particulièrement critique au cours des étapes de repliement. L'association réversible (non covalente) de protéines avec des polymères hydrosolubles pourrait permettre de résoudre ce problème. Nous avons ici étudié les interactions entre des protéines modèles et des dérivés hydrophobes du poly(acrylate de sodium) (PAA) grâce à diverses techniques expérimentales, incluant la spectroscopie de corrélation de fluorescence, le dichroïsme circulaire sous radiation synchrotron, la diffusion de lumière, l'électrophorèse capillaire et la calorimétrie différentielle à balayage. Comme preuve de concept, nous avons démontré que les dérivés du PAA augmentent le rendement de renaturation d'une enzyme modèle, l'anhydrase carbonique bovine, grâce à la protection de conformères partiellement repliés. La stabilisation colloïdale au cours du repliement a été étendue à des fragments d'anticorps de type scFv, d'importants modèles de biothérapeutiques sensibles à l'agrégation. L'efficacité des polymères a aussi été validée pour des immunoglobulines G soumises à un stress thermique. La prédominance de l'association hydrophobe est remise en cause dans cette étude. L'ancrage électrostatique des chaines de PAA s'avère suffisant pour minimiser l'agrégation des protéines, grâce à des associations dynamiques avec les intermédiaires partiellement repliés. Un avantage majeur de ces polymères est la faible quantité nécessaire comparé aux osmolytes conventionnels et l'absence de modification chimique des protéines.


  • Résumé

    Antibodies constitute the fastest growing class of human biopharmaceuticals. The development of these engineered proteins is yet hampered by their natural propensity towards irreversible aggregation particularly critical during refolding steps. Reversible (non-covalent) association of proteins with water-soluble polymers could circumvent this issue. In the present study, we investigated the interactions between model proteins and hydrophobically-modified poly(sodium acrylate) (PAA) chains with experimental techniques including fluorescence correlation spectroscopy, synchrotron-radiation circular dichroism, light scattering, capillary zone electrophoresis and differential scanning calorimetry. As a proof of concept, we demonstrated that PAA derivatives enhanced the renaturation yield of a single-domain model enzyme, bovine carbonic anhydrase, because of protection of partly-folded conformers against aggregation. Colloidal stabilisation during refolding was extended to two-domain artificial antibody fragments, single chains Fv fragments, as important models of aggregation-prone biotherapeutics. On similar basis, efficient protection was also validated with full-length immunoglobulins G under heat-stress. Prevalence of hydrophobic association between polymers and proteins is questioned in this work. Rather, electrostatic binding with PAA chains turns out to be sufficient to minimize in vitro protein aggregation, most-likely because of dynamic association with partly-folded conformers. A major advantage of these polymers is their use at extremely low amount compared to conventional osmolytes and absence of chemical modification of proteins.


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