Aggregation and Inactivation of Enzymes During Drying and Particle Formation of Levitated Microdroplets

Language
en
Document Type
Doctoral Thesis
Issue Date
2022-08-01
Issue Year
2022
Authors
Prihoda, Felix
Editor
Abstract

Spray drying is a widely used method in pharmaceutical production for processing biopharmaceuticals. However, the thermal stress of the heated drying air can cause damage to the protein structure. The time-dependent unfolding, aggregation, and inactivation of the proteins that occur during drying at different temperatures is poorly understood because of the large number of moving droplets and the concomitant difficulty of measurement. The acoustic levitator is an effective tool to investigate a single droplet during drying without contact with any surface in a heated drying chamber. For this thesis, proteins were studied under thermal influence in bulk solution and during drying of a levitated droplet in an acoustic levitator. The three enzymes glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase (GAPDH), L-glutamate dehydrogenase (GDH) and 3-phosphoglycerate kinase (PGK) were selected as model proteins. In bulk solution unfolding, aggregation and inactivation of the enzymes were investigated, in the levitator aggregation and inactivation in a single droplet. In addition, the drying processes in the levitator were recorded and charactarized by shadow imaging. It could be shown that the critical point of drying correlates with enzyme inactivation and aggregation.

Abstract

Die Sprühtrocknung ist eine weit verbreitete Methode in der pharmazeutischen Produktion zur Verarbeitung von Biopharmazeutika. Die thermische Belastung der erhitzten Trocknungsluft kann jedoch zu einer Veränderung und Schädigung der Proteinstruktur führen. Die zeitabhängige Entfaltung, Aggregation und Inaktivierung der Proteine, die während der Trocknung bei unterschiedlichen Temperaturen auftreten, ist aufgrund der großen Anzahl sich bewegender Tröpfchen und der damit einhergehenden Schwierigkeit der Messung nur unzureichend im Detail verstanden. Ein akustischer Levitator eignet sich als Modellsystem, um ein einzelnes Tröpfchen während der Trocknung ohne Kontakt mit einer Oberfläche in einer beheizten Trockenkammer zu untersuchen. Für diese Arbeit wurden Proteine unter thermischem Einfluss in Bulk-Lösung und während der Trocknung eines levitierten Tropfens in einem akustischen Levitator vergleichend untersucht. Als Modellproteine wurden die drei Enzyme Glyceraldehyd-3-phosphat-Dehydrogenase (GAPDH), L-Glutamat-Dehydrogenase (GDH) und 3-Phosphoglycerat-Kinase (PGK) ausgewählt. In Bulklösung wurden Entfaltung, Aggregation und Inaktivierung der Enzyme untersucht, im Einzeltropfen im akustischen Levitator Aggregation und Inaktivierung. Zusätzlich wurden die Trocknungsprozesse im Levitator mittels Schattenaufnahme aufgezeichnet und charakterisiert. Der kritische Punkt der Trocknung zeigte sich als der entscheidende Zeitpunkt im Trocknungsverlauf, bei dem Inaktivierung und Aggregation der Enzyme auftreten.

DOI
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