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LC-MS(液体クロマトグラフ質量分析)

LC-MSは、液体クロマトグラフィーで分離した成分をエレクトロスプレーイオン化(ESI)で気相イオンに変え、質量分析計で質量電荷比(m/z)を測定する手法です。タンパク質医薬では、インタクト質量、サブユニット質量、ペプチドマッピング、糖鎖プロファイル、翻訳後修飾(PTM)の同定、宿主細胞タンパク質(HCP)のMS定量などに使われ、近年はこれらを一つの試験法に統合するMulti-Attribute Method(MAM)の基盤にもなっています。

インタクト質量ペプチドマッピング糖鎖プロファイルMAM

用途・特徴

LC-MSは、LCで複雑な混合物を分離し、ESIでイオン化したうえで質量分析計に導入して、各成分の正確な質量を測定する手法です。タンパク質はESIで多価イオン(多数の電荷状態)として検出されるため、得られた多価スペクトルをデコンボリューションして、実際の分子量(中性質量)に変換します。これにより、抗体や組換えタンパク質のインタクト質量、軽鎖・重鎖・Fc/Fabなどのサブユニット質量を直接確認できます。

酵素消化(トリプシンなど)で得たペプチドをLC-MS/MSで測定するペプチドマッピングでは、配列の確認に加え、酸化、脱アミド、C末端Lys、N末端ピログルタミン酸といったPTM、糖鎖修飾の部位と相対量を評価できます。糖鎖はPNGase Fで遊離させた後に標識してプロファイルを取得することも、ペプチド上のグリコフォームとして観察することもあります。これらの属性を一つのペプチドマッピング法でまとめて測定・定量し、新規ピークの検出(new peak detection)まで含めて工程管理に使う運用がMAMです。

宿主細胞タンパク質(HCP)の評価では、ELISAを補完する形で、LC-MS/MSによる個々のHCP種の同定と定量(スパイクド標準ペプチドなどを用いた絶対・相対定量)が行われます。装置はQ-TOFやOrbitrapなどの高分解能質量分析計が主流で、用途によっては単四重極の小型システムも使われます。

Point
  • LCでの分離とESIによる多価イオン化、デコンボリューションで分子量を求める
  • インタクト質量・サブユニット質量で全体構造と分子量を確認する
  • ペプチドマッピングで配列確認とPTM(酸化・脱アミド・C末端Lys・N末端ピログルタミン酸)を評価する
  • 糖鎖プロファイル(遊離糖鎖/グリコフォーム)の同定と相対定量に使う
  • MAM(Multi-Attribute Method)で複数の品質特性を一法で測定・定量し新規ピークも検出する
  • 宿主細胞タンパク質(HCP)のMS定量でELISAを補完する
  • オリゴ核酸(アンチセンス・siRNA等)の質量確認・不純物解析にも使える
  • 高分解能・高質量精度のQ-TOF/Orbitrapが特性解析の中心となる

使用方法

基本的には、測定目的に合わせて試料を調製(脱糖・還元・酵素消化など)し、LCで分離、ESIでイオン化したうえでMSまたはMS/MSスペクトルを取得し、デコンボリューションや配列照合を経て同定・定量し、結果をレポートにまとめます。

1測定目的(インタクト/サブユニット/ペプチドマッピング/糖鎖/HCP)を決める
2試料を調製する(脱糖・還元・アルキル化・酵素消化・脱塩など)
3LC(逆相・HILIC・SEC等)で成分を分離する
4ESIで気相イオン(多価イオン)を生成する
5MSで質量電荷比(m/z)を測定する
6MS/MSでフラグメントを取得し配列・修飾部位を確認する
7多価スペクトルをデコンボリューションし分子量に変換する
8データベース照合・理論質量との比較で同定する
9ピーク面積などから修飾・不純物・HCPを定量する
10結果をレポートにまとめ申請・工程管理に利用する
実際の条件は、測定目的、質量分析計の種類(Q-TOF/Orbitrap/単四重極)、分解能・質量精度、LCモード、試料調製、解析ソフト・MAM対応、CSV/GMP対応、スループットによって変わります。試料調製で生じる人為的な修飾(脱アミドや酸化など)と本来の品質特性の区別には注意が必要です。

LC-MS(MAM)と 従来の個別分析(icIEF/HILIC等)の違いは?

従来は電荷異性体をicIEF、糖鎖をHILIC、サイズをCE-SDSというように属性ごとに別々の試験法で評価していました。MAMは、これらの属性をペプチドマッピングベースのLC-MSで一括して測定・定量しようとする考え方です。

結論

従来法は確立した属性別の試験法、MAMは複数の品質特性を一つのLC-MS法で測定・定量し新規ピークまで監視する手法。両者は置き換えではなく目的に応じて併用される。

測定単位

属性ごとに別の試験法を実施

ペプチドマッピングを基盤に複数属性を一法で測定

情報の種類

電荷分布・糖鎖分布などのプロファイル

部位特異的な修飾と相対量、配列レベルの情報

新規不純物の検出

対象属性以外は捉えにくい

new peak detectionで未知ピークを検出できる

定量

ピーク比などで相対評価

抽出イオンクロマトグラム等で各属性を相対定量

装置・運用

比較的簡便、CE/HPLCで運用しやすい

高分解能MSと解析・データ管理の整備が必要

GMP・QC適性

確立した試験法として広く運用

CSV・データインテグリティ対応を前提に運用設計

主な位置づけ

規格試験・ルーチンQCで定着

特性解析〜工程管理を一法で担う発展的手法

LC-MSの選定軸

質量分析計の種類Q-TOF、Orbitrap、単四重極のどれか。特性解析は高分解能MSが中心
分解能・質量精度同位体分離やppmレベルの質量精度が必要か(インタクト/ペプチドで要件が異なる)
質量範囲インタクト抗体や非還元体まで測れるm/z範囲があるか
LCの種類逆相、HILIC、SEC、イオンペア(オリゴ)など対象に合うモードか
主な用途インタクト/サブユニット/ペプチドマッピング/糖鎖/HCPのどれを優先するか
イオン化ESI条件、変性/native MSのどちらに対応するか
解析ソフト・MAM対応デコンボリューション、配列照合、MAM、new peak detectionに対応するか
CSV・GMP対応監査証跡、ユーザー管理、電子記録、IQ/OQ、データインテグリティ対応の有無
スループットルーチン運用に耐える処理能力・自動化の程度
サンプル前処理脱糖、還元、消化、脱塩などの前処理ワークフロー・自動化の整備
設置・運用負荷ベンチトップ型か、専任オペレーターが必要な装置か
サポート国内保守、校正、アプリケーション支援、メソッド移管支援の有無
標準品・消耗品システム適合性用標準品、カラム、試薬の供給性

主な測定目的

測定目的内容主な情報
インタクト質量脱糖・還元せず全体の分子量を測定する分子量の確認、主要グリコフォーム、全体構造の妥当性
サブユニット質量還元やIdeS消化で軽鎖・重鎖・Fc/Fab等に分けて測定する(中分子)鎖ごとの分子量、修飾の局在の絞り込み
ペプチドマッピング酵素消化したペプチドをLC-MS/MSで測定する配列確認、PTM(酸化・脱アミド・C末端Lys・N末端ピログルタミン酸)の部位と相対量
糖鎖プロファイル遊離糖鎖の標識分析、またはグリコペプチドとして測定する糖鎖構造の同定と相対量、グリコフォーム分布
翻訳後修飾(PTM)修飾の種類・部位・相対量を評価する酸化、脱アミド、糖化、C末端/N末端修飾などの特定
HCPのMS定量宿主細胞タンパク質を個別に同定・定量するHCP種の同定、残存量の推定(ELISA補完)

主な注意点

注意点内容
試料調製アーチファクト消化や保存の過程で生じる脱アミド・酸化などの人為的修飾を、本来の品質特性と区別する
イオン化抑制(マトリックス効果)共溶出成分や塩、夾雑によるESIのイオン化抑制が定量に影響する
質量精度・分解能の管理校正やシステム適合性で質量精度・分解能を維持し、誤帰属を避ける
デコンボリューションの妥当性多価スペクトルの変換条件によって分子量やピーク帰属が変わりうる
データ量・解析の負荷高分解能データは大容量で、解析パラメータや手順の標準化が必要
規制対応MAM等をQCで運用する場合はCSV・データインテグリティ・試験法バリデーションが前提

使用される工程

LC-MSは、原薬・製剤の特性解析から構造確認、修飾の同定、工程管理、類似性評価まで、品質特性の理解が必要な多くの工程で使われます。

特性解析(キャラクタリゼーション)

インタクト・サブユニット・ペプチドレベルで分子量と構造を確認する。

主な用途
  • インタクト質量

構造確認・同一性

理論質量や配列との照合で目的分子であることを確認する。

主な用途
  • 配列確認

糖鎖・電荷修飾の同定

糖鎖プロファイルやPTMの部位と相対量を評価する。

主な用途
  • 糖鎖・PTM

MAMによる工程管理

複数の品質特性を一法で測定・定量し、新規ピークを監視する。

主な用途
  • 属性モニタリング

HCPのMS評価

宿主細胞タンパク質を個別に同定・定量し、ELISAを補完する。

主な用途
  • HCP定量

類似性評価(バイオシミラー)

先行品と後続品の質量・修飾・糖鎖を比較し同等性を評価する。

主な用途
  • 同等性評価

下流精製・工程開発

精製中間体の不純物・修飾の変化をモニターし条件を最適化する。

主な用途
  • 不純物追跡

原薬・製剤の安定性評価

保存・ストレス条件下での酸化・脱アミドなどの変化を追跡する。

主な用途
  • 分解物評価

オリゴ核酸の解析

アンチセンスやsiRNAの質量確認・不純物・代謝物を評価する。

主な用途
  • 質量確認

GMP品質管理

規格試験・確認試験・申請資料・ロット評価で用いる。

主な用途
  • 規格試験

使用されるモダリティー

LC-MSは、タンパク質医薬を中心に、糖鎖・電荷修飾や質量確認が重要な幅広いモダリティーで使われます。

抗体医薬
関連度
インタクト/サブユニットペプチドマッピング糖鎖・PTM・MAM
特性解析からMAMによる工程管理まで中心的に使われる。
二重特異性抗体
関連度
鎖の対合確認サブユニット質量ミスペアの評価
複雑な構造の質量確認や不純物評価で重要となる。
ADC
関連度
薬物抗体比(DAR)結合部位リンカー・ペイロード確認
コンジュゲーションの均一性と質量分布の評価に使われる。
Fc融合・組換えタンパク質
関連度
インタクト質量糖鎖プロファイルPTM評価
分子量確認と修飾の同定に使われる。
ワクチン
関連度中〜高
抗原タンパク質の質量修飾確認同一性
組換え抗原などの質量・修飾確認に使われる。
mRNA-LNP
関連度中〜高
脂質の同定・定量キャップ構造解析不純物評価
脂質成分の解析やキャッピング評価などで関係する。
核酸(オリゴ)
関連度
全長質量確認不純物・欠失体代謝物解析
アンチセンスやsiRNAの質量確認と不純物解析に使われる。

メーカー製品

質量分析計(Q-TOF / Orbitrap)8
Thermo Fisher ScientificOrbitrap Exploris 240高分解能Orbitrap質量分析計。変性/nativeのインタクト解析、サブユニットのトップ/ミドルダウン、ペプチドマッピングに対応する。公式URL Thermo Fisher ScientificOrbitrap Exploris 480高感度・高分解能のOrbitrap質量分析計。ペプチドマッピングやHCPなど深い特性解析に使われる。公式URL WatersXevo G3 QTofベンチトップ型のQ-TOF質量分析計。バイオ医薬の特性解析や定量、抽出物・浸出物分析などに使われる。公式URL WatersSYNAPT XSイオンモビリティを備えた研究グレードのQ-TOF。高度な構造解析やMSイメージングに使われる。公式URL SCIEXZenoTOF 7600 SystemEAD(電子活性化解離)を備えたQ-TOFシステム。配列カバレッジの高いペプチドマッピングや修飾部位の同定に使われる。公式URL SCIEXX500B QTOF Systemバイオ医薬向けベンチトップQ-TOF。インタクト質量、サブユニット、ペプチドマッピング、MAMワークフローに対応する。公式URL Agilent6545XT AdvanceBio LC/Q-TOFバイオ医薬の特性解析向けQ-TOF。インタクト質量、サブユニット、ペプチドマッピング、糖鎖解析に使われる。公式URL BrukertimsTOFイオンモビリティ(TIMS)を備えたQ-TOF。HCP解析の感度向上やトップダウン・ボトムアップの特性解析に使われる。公式URL

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