示差走査型カロリメトリー(DSC)はタンパク質やその他の生体分子の安定性評価を天然状態でダイレクトに測定する手法です。 温度を一定速度で変化させ、分子の温度変性に伴う熱変化を測定します。

測定原理

溶液中の生体分子は、天然(folded)状態と変性(unfloded)状態の間で平衡状態にあります。 変性中点温度(Tm)が高いほど、その分子は安定であると言えます。 DSCは熱変性がもたらすアンフォールディングのエンタルピー変化(∆H)を測定します。 また、熱変性がおこす際の熱容量変化(ΔCp)も測定することができます。 DSCを用いることで、天然状態にある生体分子のフォールディングと安定性に寄与する要素を明らかにすることができます。 その要素には疎水性相互作用、水素結合、構造エントロピー、物理的環境などがあります。

DSCで得られる正確かつクォリティの高いデータは、プロセス開発および治療候補薬の製剤におけるタンパク質安定性に関する重要な情報を提供します。

高分子およびタンパク質、核酸、脂質のような高分子集合体(> 5000ダルトン)は、熱によって誘導されたコンフォメーション変化として、明確に定義された構造を形成することができます。 このような構造の変化は、非共有結合の再配位により吸熱反応を起こします。 示差走査型カロリメトリーはこの吸熱反応を測定します。

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DSCの測定原理

DSCのサーマルコアはリファレンスセルとサンプルセルの、2つのセルで構成されています。 この装置はこの2つのセルの温度を上昇させる際、これらのセルが同じ温度で維持されるように設計されています。

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測定方法

DSC測定を行うには、まずリファレンスセルに緩衝液を、サンプルセルにはサンプル溶液を充填します。 充填後、一定の速度で温度を上昇させます。 タンパク質がアンフォールドしたときに生じる吸熱反応により、セル間に温度差(ΔT)が生じ、ペルチェユニット全体にわたって温度差が生じます。 この温度差(ΔT)が0℃になるようにペルチェを制御するために、電力を増加または減少させます。 このように、熱伝導を通してセルは受動的に温度平衡状態に達することができます。

データの生成と解析

タンパク質がアンフォールディングしたときのエンタルピー変化は、濃度でノーマライズした、DSCのピーク下の面積のことであり、単位は1Mあたりのカロリー(またはジュール)です。 状況に応じて、熱力学モデルをデータにフィッティングしてギブズ自由エネルギー変化(ΔG)、カロリメトリックエンタルピー変化(ΔHcal)、ファントホッフエンタルピー変化(ΔHvH)、エントロピー変化(ΔS)および熱転移に伴う熱容量の変化(ΔCp)が得られます。

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DSCは創薬および薬剤開発で幅広く使われています。 主なアプリケーションは以下のとおりです。

  • バイオ医薬品開発における最も安定なタンパク質、または候補薬の特性評価と選定
  • リガンド相互作用の研究
  • 精製および製造条件の迅速な最適化
  • 液体製剤の最適条件の容易かつ迅速な特定法
  • スクリーニングに使用するターゲットタンパク質の迅速な安定性試験

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