Stabilisation and characterisation of protein and vaccine formulations [Elektronische Ressource] / von Lena Wolff

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Description

Stabilisation and characterisation of protein and vaccine formulations Von der Fakultät für Lebenswissenschaften der Technischen Universität Carolo-Wilhelmina zu Braunschweig zur Erlangung des Grades einer Doktorin der Naturwissenschaften (Dr.rer.nat.) genehmigte D i s s e r t a t i o n von Lena Wolff aus Braunschweig 1. Referentin: Professor Dr. Christel Müller-Goymann 2. Referentin: Professor Dr. Heike Bunjes eingereicht am: 28.01.2009 mündliche Prüfung (Disputation) am: 30.04.2009 Druckjahr 2009 VORVERÖFFENTLICHUNGEN Vorveröffentlichungen der Dissertation Teilergebnisse aus dieser Arbeit wurden mit Genehmigung der Fakultät für Lebenswissenschaften, vertreten durch die Mentorin der Arbeit, in folgenden Beiträgen vorab veröffentlicht: Publikationen Wolff, L., Flemming, J., Schmitz, R., Gröger K. & Müller-Goymann C.C. Protection of aluminium hydroxide during lyophilisation as an adjuvant for freeze-dried vaccines, Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects 330: 116-26 (2008). Wolff, L., Flemming, J., Schmitz, R., Gröger K., Goso, C. & Müller-Goymann C.C. Comparative stability study of lyophilised aluminium hydroxide adjuvanted vaccine formulations containing a monoclonal antibody as a model antigen and methods used for their characterisation.

Sujets

• Gesundheit

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• Publié par: technische_universitat_carolo-wilhelmina_zu_braunschweig
• Publié le: 01 janvier 2009
• Nombre de lectures: 71
• Langue: English
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Extrait

Stabilisation and characterisation of protein and

vaccine formulations

Von der Fakultät für Lebenswissenschaften

der Technischen Universität Carolo-Wilhelmina

von Lena Wolff aus Braunschweig

zu Braunschweig

zur Erlangung des Grades einer

Doktorin der Naturwissenschaften

(Dr.rer.nat.)

genehmigte

D i s s e r t a t i o n

1. Referentin: 2. Referentin: eingereicht am: mündliche Prüfung (Disputation) am: Druckjahr 2009

Professor Dr. Christel Müller-Goymann Professor Dr. Heike Bunjes 28.01.2009 30.04.2009

VORVERÖFFENTLICHUNGEN

Vorveröffentlichungen der Dissertation

Teilergebnisse aus dieser Arbeit wurden mit Genehmigung der Fakultät für Lebenswissenschaften, vertreten durch die Mentorin der Arbeit, in folgenden Beiträgen vorab veröffentlicht: Publikationen

Wolff, L., Flemming, J., Schmitz, R., Gröger K. & Müller-Goymann C.C. Protection of aluminium hydroxide during lyophilisation as an adjuvant for freeze-dried vaccines, Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects 330: 116-26 (2008). Wolff, L., Flemming, J., Schmitz, R., Gröger K., Goso, C. & Müller-Goymann C.C. Comparative stability study of lyophilised aluminium hydroxide adjuvanted vaccine formulations containing a monoclonal antibody as a model antigen and methods used for their characterisation. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects 339: 82-93 (2009). Wolff, L., Flemming, J., Schmitz, R., Gröger K., Goso, C. & Müller-Goymann C.C. Forces determining the adsorption of a monoclonal antibody onto an aluminium hydroxide adjuvant: influence of interstitial fluid components. Vaccine 27:1834-40 (2009). Tagungsbeiträge Wolff, L., Flemming, J., Schmitz, R., Gröger K. & Müller-Goymann C.C.: Development of a formulation protecting aluminum hydroxide adjuvanted th vaccines during lyophilisation. (Poster) 187. 6 World Meeting on Pharmaceutics, Biopharmaceutics and Pharmaceutical Technology, Barcelona (2008).

DANKSAGUNG

Danksagung  Besonders danken möchte ich für ihre fachlich kompetente Betreuung, ihre konstruktiven Anregungen und Inspirationen und ihre fortwährend engagierte und freundliche Unterstützung während meiner Dissertation meiner Professorin, Frau

Prof. Dr. C. C. Müller-Goymann.

 FrauProf. Dr. H. Bunjes danke ich für die Anfertigung eines Zweitgutachtens.  Außerdem gilt mein besonderer Dank meinem Betreuer bei der Berlin- Chemie AG/Menarini, HerrnDr. J. Flemming. Er hat meine Arbeit mit fachlicher Genauigkeit und Kompetenz unterstützt und durch seine konstruktiven, kritischen und weitsichtigen Anregungen dazu beigetragen, dass ich Schwierigkeiten rechtzeitig erkannt habe und überwinden konnte.  Auch HerrnDr. R. Schmitzmöchte ich herzlich danken. Er hat mich als Abteilungsleiter der Galenischen Entwicklung der Berlin-Chemie AG/Menarini und als mein späterer Betreuer stets kompetent und hilfsbereit unterstützt und meine Arbeit durch konstruktive Diskussionen mit seiner fachkundigen Meinung

und Urteilskraft gefördert.  Ebenso gilt mein Dank HerrnK. Gröger Dr.  und der Berlin-Chemie AG/Menarini dafür, dass ich durch ein Stipendium die finanzielle Unterstützung

und Möglichkeit hatte, in der Forschung und Entwicklung - Galenische Entwicklung meine Doktorarbeit anzufertigen.  Großer Dank gilt meinen lieben KollegenDr. Christian Schnittker, Dr. Ronny Müller,Daniela Schwinge,Manuela Wuttig,Eveline Weigelund Doris Wolf, die mir nicht nur in jeder Situation mit Rat und Tat zur Seite standen, sondern vor allem mit ihrer Freundlichkeit und Hilfsbereitschaft meinen

Aufenthalt bei der Berlin-Chemie AG/Menarini zu drei unvergesslich schönen Jahren gemacht haben. Mirjam Gündel möchte ich danken, dass sie mir in allen organisatorischen Fragen bei der Berlin-Chemie AG/Menarini geholfen hat.

 Den Gruppen vonDr. Nadja Richter und HerrnDr. G. Heinrich, vor allem auchJanine Feustel,Thomas Gillert undSabine Piskeich möchte danken, dass mir analytisch geholfen wurde, ich an allen Geräten arbeiten durfte und zudem immer freundlich, hilfsbereit und tatkräftig unterstützt wurde. Adnan Ibikli undBirgit Spieglerich danken, dass sie mir bei den möchte Stabilitätsprüfungen geholfen haben.  Den Kollegen aus der Chemie, vor allem HerrnDr. A. Hänsicke, Gisela Weiler,HerrnH. Freude Dr. undAndrea Elsner Dr. ich, dass ich ihre danke Geräte benutzen durfte und darüber hinaus auch als Apothekerin freundlich, engagiert, kreativ und tatkräftig unterstützt wurde. Simon Remnant und FrauDr. Hillary Prescottich für ihre möchte immer freundliche und fachlich kompetente Unterstützung und Hilfsbereitschaft bei der englischsprachigen Formulierung meiner Arbeit danken.

 An dem Institut für Pharmazeutische Technologie der Technischen Universität Braunschweig gilt mein besonderer DankKirsten Nebelung, Frau U. Jahn,Frau J. Schildt undBirgit Witte, die mir besonders bei den WAXD und PIDS Messungen, sowie bei vielen anderen spontan anfallenden Schwierigkeiten immer nett, hilfsbereit und kompetent geholfen haben. Auch allen anderen Institutsangehörigen möchte ich danken, dass ich bei meinen Besuchen am Institut immer freundlich in den Arbeitskreis aufgenommen und in allen Institutsahngelegenheiten zuvorkommend und hilfsbereit unterstützt wurde.

DANKSAGUNG

 Privat möchte ich mich bei meinen langjährigen, lieben FreundinnenLilli und ihrer FamilieCornelia, Werner undFelix Lindemann, sowieMagdalena Pichen undMaximiliane Müller bedanken, ohne deren Liebenswürdigkeit, herzliche Freundschaft und Anteilnahme ich die drei Jahre meiner Promotion niemals so schön und erfolgreich verlebt hätte. Auch meinen lieben ‚Berliner’ FreundinnenIna Minde,Friederike KrugundSilke Kannengießermöchte ich für unsere innige Freundschaft und die schöne gemeinsame Zeit während meiner Promotion danken.  Meiner Familie und vor allem meinen ElternJürgen WolffundHermine de Riese Wolffsowie meinen GeschwisternJulia,Jan,Niklas,Charlotteund Justus Wolffmöchte ich dafür danken, dass Sie immer für mich da waren, sind und sein werden.Thekla Korte, schon fast ein Teil unserer Familie, möchte ich

für die Unterstützung gerade während der letzten aufregenden Zeit der Dissertation danken.  Ganz besonders danken möchte ich zu guter Letzt meinen lieben KollegenDr. Steve MindeundSimone Wolff. Sie halfen mir nicht nur fachlich in jeder Hinsicht kompetent und hilfsbereit weiter, sondern haben mich in schwierigen Zeiten aufgebaut und mir vor allem als gute Freunde immer liebevoll zur Seite gestanden. Simone und Steve haben mit herzlichen Worten der Motivation und vor allem mit der fortwährenden Überzeugung davon, dass ich eine gute Arbeit schreiben werde, einen mir außergewöhnlich wichtigen Teil zu dem erfolgreichen Abschluss dieser Arbeit beigetragen.

TABLE OF CONTENTS

TABLE OF CONTENTS

1

2

Introduction and research objective

Theoretical part

2.1Proteins 2.1.1Structure 2.1.2Instabilities 2.1.3Influence of water on protein stability 2.1.4Stabilisation of proteins 2.1.4.1Stabilisation in aqueous solution 2.1.4.2Stabilisation during freeze-thawing 2.1.4.3Stabilisation during lyophilisation: mechanism 2.1.4.3.1Amorphous glasses 2.1.4.3.2Water replacement theory 2.1.4.4Stabilisation during lyophilisation: formulation issues

2.1.4.4.1Sugars and polyols 2.1.4.4.2Polymers 2.1.4.4.3Surfactants 2.1.4.4.4Others 2.2Lyophilisation 2.2.1Process 2.2.1.1Freezing phase 2.2.1.2Annealing 2.2.1.3Primary drying

2.2.1.4Secondary drying 2.3Vaccines 2.3.1Active immunisation 2.3.2Passive immunisation 2.3.3Abagovomab 2.3.3.1Monoclonal antibodies 2.3.4Adjuvants

i

1

4

4 4 6 7 8 8 9 10 10 12 12

12 13 14 14 15 16 16 17 17 18 18 19 19 19 21 23

ii

3

TABLE OF CONTENTS

2.3.4.1Aluminium hydroxide adjuvants 2.3.4.2Lyophilisation of aluminium hydroxide adjuvants 2.3.4.3Stabilising aluminium hydroxide during lyophilisation 2.3.4.3.1Excipients 2.3.4.3.2Freezing rate

2.3.5Adsorption phenomena within vaccines 2.3.5.1Antigen adsorption by aluminium containing adjuvants through electrostatic attraction or ligand exchange? 2.3.5.2Adsorption as a function of pH surface charge 2.3.5.3Adsorption phenomena of vaccines in interstitial fluid 2.3.5.3.1Interstitial proteins 2.3.5.3.2α-Hydroxy carbonic acids 2.3.5.3.3Phosphate 2.3.5.3.4Chloride 2.3.5.3.5Hydrophobic interactions 2.3.6Nile Red fluorescence microscopy

Practical part

3.1Materials 3.2Methods 3.2.1Formulation development 3.2.1.1Preparation of the formulations 3.2.1.1.1First batch 3.2.1.1.2Stability batch 3.2.1.2Freeze-thaw cycle 3.2.1.3Lyophilisation 3.2.1.4Stability testing 3.2.1.5pH value measurement 3.2.1.6Water determination - Karl Fischer titration 3.2.1.7Optical microscopy 3.2.1.8Differential scanning calorimetry 3.2.1.9Particle size analysis 3.2.1.10Wide angle X-ray diffraction

25 27 28 28 29 30

31 32 33 34 34 35 35 36 36

37

37 39 39 39 39 40 41 41 42 43 43 44 44 45 45

TABLE OF CONTENTS

4

3.2.1.11Transmission electron microscopy 3.2.1.12Aluminium hydroxide as aluminium 3.2.1.13Sedimentation assay 3.2.1.14Adsorption phenomena in the stability batch samples 3.2.1.15Bicinchoninic acid assay 3.2.1.16Isoelectric focusing 3.2.1.17Sodium dodecylsulfate polyacrylamide gel electrophoresis 3.2.1.18Enzyme-linked immunosorbent assay 3.2.1.19Nile Red fluorescence microscopy 3.2.2Adsorption phenomena 3.2.2.1Preparation of sample suspensions 3.2.2.1.1Samples containing phosphate, sodium chloride, citrate or ethylene glycol 3.2.2.1.2Samples containing simulated interstitial fluid

4.1 4.1.1 4.1.2 4.1.3 4.1.4 4.1.5 4.1.6 4.2 4.2.1 4.2.2 4.2.3 4.2.4 4.2.5 4.2.6 4.2.7

Results and discussion

Formulation development

Differential scanning calorimetry Sedimentation assay Particle size analysis Wide angle X-ray diffraction Optical microscopy Concluding discussion: formulation development Stability testings Sedimentation assay Particle size analysis Wide angle X-ray diffraction Sodium dodecylsulfate polyacrylamide gel electrophoresis Enzyme-linked immunosorbent assay Adsorption studies Concluding discussion: stability testings

iii

45 46 46 47 47 48

49 49 50 51 51

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54 54 55 61 71 72 75 76 76 79 84 92 95 96 99