Bioactive macromolecules and ions: Study of equilibrium and kinetic processes influencing high performance analytical separations  Page description

Help  Print 
Back »
 

Details of project

  
Identifier
128350
Type FK
Principal investigator Horváth, Krisztián
Title in Hungarian Bioaktív makromolekulák és ionok: nagyhatékonyságú analitikai elválasztást meghatározó egyensúlyi és kinetikai folyamatok vizsgálata
Title in English Bioactive macromolecules and ions: Study of equilibrium and kinetic processes influencing high performance analytical separations
Keywords in Hungarian nagyhatékonyágú folyadékkromatográfia, adszorpció, kinetika, elválasztási hatékonyság, adatfeldolgozás
Keywords in English high performance liquid chromatography, adsorption, kinetics, separation efficiency, data handling
Discipline
Analytical Chemistry (Council of Physical Sciences)100 %
Ortelius classification: Instrumental analysis
Panel Chemistry 1
Department or equivalent TTK Analitikai Kémia Kutatócsoport (University of Pannonia)
Participants Hajós, Péter
Lukács, Diána
Simon, József
Starting date 2018-09-01
Closing date 2023-02-28
Funding (in million HUF) 29.982
FTE (full time equivalent) 8.64
state closed project
Summary in Hungarian
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
Biológiai aktivitással rendelkező makromolekulák és ionok (fehérjék, peptidek, fehérje fragmentumok, karbonsavak, komplexek stb.) biológiai és környezeti mintákból történő analízise folyamatosan jelen levő probléma köszönhetően a mintaoldatok nagyfokú komplexitásának. A biológiai és környezeti analitikában a legfontosabb és gyakran a legbonyolultabb feladat a vizsgált komponensek elválasztása. A kromatográfiás hatékonyságot és szelektivitást jelentősen befolyásolják az oszlopban lejátszódó egyensúlyi és kinetikai folyamatok. Átfogó analitikai módszerek fejlesztéséhez szükséges ezen folyamatok mély és alapos ismerete. Elméleti modellekkel a hatékony kromatográfiás módszerek és új típusú állófázisok fejlesztése eredményesen támogatható.

Mindezek alapján a benyújtott kutatási projekt az alábbi három, összefüggő részből áll:
(1) bioaktív makromolekulák (fehérjék, peptidek) retenciós viselkedésének tanulmányozása ultranagy-hatékonyságú folyadékkromatográfiában,
(2) adatfeldolgozó eljárások fejlesztése kromatográfiás felbontás és detektálhatóság növelése érdekében,
(3) ionkromatográfiás módszerek fejlesztése bioaktív ionok meghatározására.

Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.
A kutatás célja bioanalitikai célú folyadékkromatográfiás fejlesztések támogatása és elősegítése alapvető elméleti problémák vizsgálata és adatfeldolgozó algoritmusok fejlesztése révén. A tervezett kutatás az alábbi kérdéseket válaszolja meg, ill. az alábbi eredményekkel szolgál:
- bioaktív makromolekulák analitikai elválasztását befolyásoló legfontosabb egyensúlyi és kinetikai folyamatok feltárása,
- hatékony módszerek és eljárások fejlesztése retenciós folyamatok vizsgálatára a nagyhatékonyságú folyadékkromatográfiában,
- szerves és szervetlen anionok retenciós viselkedése közti különbségek feltárása izotermák vizsgálata alapján,
- szelektív és hatékony módszer fejlesztése kapacitás gradiens alkalmazásával karbonsavak analitikai elválasztására,
- hatékony adatfeldolgozó eljárások fejlesztése kromatográfiás csúcsok detektálásának és felbontásának javítására.

Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!
A modern környezeti és biokémiai kutatások (pl. proteomika, metabolomika, lipodomika) során egyre bonyolultabb összetételű minták analízisére van szükség. Ezen minták teljes körű analízise a jelnleg alkalmazott folyadékkromatográfiás technikák továbbfejlesztését igényli. A biokémiai, környezeti és gyógyszeripari kutatások számára nélkülözhetetlen olyan nagyhatékonyságú folyadékkromatogárifás módszerek fejlesztése, mellyel lehetőség nyílik komplex összetételű biológia és környezeti minták analízisére. A tervezett kutatás a bioanalitikai célú folyadékkromatográfiás fejlesztéseket támogatja alapvető elméleti problémák vizsgálata és adatfeldolgozó algoritmusok fejlesztése révén. A biológia makromolekulák retenciós viselkedésének tanulmányozása során kapott eredmények az elméleti jelentőségükön túl közvetlenül felhasználhatók ezen komponensek analitikájának fejlesztésében és optimálásában. Az eredmények emellett praktikus javaslatokkal is szolgálnak az analitikus számára az optimális elválasztási körülmények és módszerek tekintetében. Az így kapott állófázisok alkalmazása növelheti a fehérjék és peptidek analitikai meghatározásának megbízhatóságát, hozzájárulva biológiai, biokémiai folyamatok mélyebb megértéséhez, biológiai gyógyszerek fejlesztéséhez és gyártásához. A projekt során fejlesztendő adatfeldolgozó algoritmusok nagymértékben javíthatják a nagyhatékonyságú folyadékkromatográfiás elválasztások megbízhatóságát.

A benyújtott pályázat fő erőssége, hogy többféle kutatási részterületre és megközelítésre támaszkodik (elválasztástudomány, termodinamika, matematikai modellezés, kemometria, tudományos programozás) és a projekt megvalósítása során ezek megfelelő arányban kerülnek alkalmazásra.

A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára.
A modern biológia és környezeti analitikában az analitikusnak gyakran nagy számú komponenst tartalmazó minták összetételét kell megvizsgálnia. Mindez komoly kihívást jelent. A nagyhatékonyságú folyadékkromatográfiás módszerek megfelelő felbontást biztosíthatnak bonyolult összetételű minták analíziséhez. A hatékony analitikai módszerek további fejlesztéséhez azonban szükség van a analízis során lejátszódó fizikai és kémiai folyamatok alapos megismerésére. A kutatás célja biológiailag aktív makromolekulák és ionok (fehérjék, peptidek, fehérje fragmentumok, karbonsavak, komplexek stb.) nagyhatékonyságú analitikai elválasztását befolyásoló alapvető elméleti és gyakorlati szempontok vizsgálata. Jelen kutatás három fő részből áll:
(1) bioaktív makromolekulák (fehérjék, peptidek) retenciós viselkedésének tanulmányozása ultranagy-hatékonyságú folyadékkromatográfiában,
(2) adatfeldolgozó eljárások fejlesztése kromatográfiás felbontás és detektálhatóság növelése érdekében,
(3) ionkromatográfiás módszerek fejlesztése bioaktív ionok meghatározására.
Summary
Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
Analysis of biochemically active macromolecules and ionizable components (proteins, peptides, protein fragments, carboxylic acids, complexes, etc.) in biological and environmental fluids has long been an analytical problem, mostly because of the complex nature of the sample solutions. In biological and environmental analysis, the most important and sometimes most difficult task is the separation of the complex mixture of molecules. The efficiency and selectivity of a chromatographic analysis depends on the equilibrium and kinetic processes take place in the column during elution. Development of comprehensive analytical solutions requires the understanding of these processes. Suitable theoretical models can support the development of efficient chromatographic separation methods and stationary phases.

Accordingly, the goals of the proposed research project consists of three interconnected parts:
(1) study of retention behavior of bioactive macromolecules (proteins, peptides) in ultrahigh performance liquid chromatography,
(2) development of data management algorithms for the improving chromatographic resolution and detectability of compounds,
(3) development of ion chromatographic methods for the separation of anionic biomolecules.

What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.
The aim of the work is the support of further development of bioanalytical liquid chromatography by investigating important fundamental aspects and developing data management algorithms. The work of the proposed research project will:
- reveal and discuss the most important equilibrium and kinetic processes influencing the separation of bioactive macromolecules,
- serve with high performance methods and algorithm for the study of retention behavior in high performance liquid chromatography,
- give an insight to the retention behavior of small organic and inorganic anions on anion exchangers through the study of adsorption isotherm,
- deliver a selective and efficient capacity gradient method for the analysis of carboxylic acids,
- produce efficient data management algorithms for peak recognition and resolution of overlapping peaks.

What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.
Modern environmental and biochemical research (e.g. proteomics, metabolomics, lipodomics) is inherently complicated by the tremendous complexity of the samples involved in these studies. Current HPLC technologies need further development to analyze all the compounds in these samples. Development of high performance liquid chromatographic methods that allows the separation of complex biological and environmental samples are indispensable for future biochemical, pharmaceutical and environmental research. The results of the proposed research project will support development of bioanalytical liquid chromatography by investigating important fundamental aspects and developing data management algorithms. Besides the theoretical importances, the results of investigation of retention behavior of bioactive macromolecules can be used directly for the development and optimization of analysis of these compounds. The results will give practical suggestions for the analyst regarding the optimal separation conditions and methods. Successful application of these phases can improve the quality of analysis of peptides and proteins, providing additional information on biological/biochemical processes and/or quality assurance of development and production of biopharmaceuticals. The data management algorithms to be developed in the work will significantly improve the quality of analytical results obtained by high performance liquid chromatography.

The main strength of the proposed project is that is involves different approaches and fields of scientific research (separation science, thermodynamics, mathematical modeling, chemometrics and scientific computation) for the successful evaluation of the project.

Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others.
In modern biochemical and environmental anylsis, the analysts must determine the composition of samples consisting numerous components. This is a challenging task. High performance liquid chromatographic methods can offer a separation power for the analysis of complex mixture. Further development of efficient analytical methods, however, requires the understanding of the processes take place in these systems. The goals of the proposed research project is to investigate fundamental and practical aspects of high performance separation of biochemically active macromolecules and ionizable components (proteins, peptides, protein fragments, carboxylic acids, complexes, etc.). The proposed research project consists of three interconnected parts:
(1) study of retention behavior of bioactive macromolecules (proteins, peptides) in ultrahigh performance liquid chromatography,
(2) development of data management algorithms for the improving chromatographic resolution and detectability of compounds,
(3) development of ion chromatographic methods for the separation of anionic biomolecules.




 

Final report

  
Results in Hungarian
A projekt megvalósítása során kapott eredményeinkkel bioanalitikai célú folyadékkromatográfiás fejlesztéseket támogatunk alapvető folyadékkromatográfiás elméleti problémák vizsgálata, újszerű állófázis struktúrák tervezése és optimálása, valamint adatfeldolgozó algoritmusok fejlesztése révén. Vizsgáltuk monoklonális antitestek kationcserés elválasztási lehetőségeit szimultán pH és sógradiens alkalmazásával, különböző kationcserélő állófázisok és tömegskeptrometriás detektálás mellett is alkalmazható pufferrendszerek hatékonyságát, valamint az ioncserélő oszlopban kialakuló pH profilokat. Elméleti megközelítések segítségével oszlopkapcsolási stratégiák, gradiens állófázisok (szemcseméret, ioncsre-kapacitás) és többrétegű állófázis struktúrák folyadékkromatográfiás alkalmazhatóságtóságát vizsgáltuk. Megállapítottuk az optimális alkalmazhatóság körülményeit. Módszert fejlesztettünk komponensek izotermájának, a mozgófázis oszlopbeli állapotjellemzőinek meghatározására, valamint átlapoló csúcsok numerikus (in silico) felbontására. Viszgáltuk az oszlopban kialakuló nyomságradiens elválasztás hatékonyságára gyakorolt hatását. Analtikai módszereket fejleszettünk karbonsavak, gyógyszerhatóanyagok (cilostazol, apixaban) és szennyezőik (nátrium-azid, N-brómszukcinimid) meghatározására.
Results in English
Through the results obtained during the implementation of the project, we support the development of liquid chromatography methods for bioanalytical purposes by investigating fundamental theoretical problems of liquid chromatography, designing and optimizing novel stationary phases, and developing data processing algorithms. We studied the cation-exchange separation of monoclonal antibodies using simultaneous pH and salt gradient, the efficiency of MS compatible buffer systems with different cation-exchange stationary phases, and the developed pH profiles in ion-exchange columns. Theoretical approaches were used to investigate the applicability of column coupling strategies, gradient stationary phases (particle size, ion-exchange capacity) and multilayer stationary phase structures for liquid chromatography. The conditions for optimal applicability were established. Methods have been developed for the determination of component isotherms, state properties of mobile phase in the column, and numerical (in silico) resolution of overlapping peaks. The effect of the pressure gradient in the column on the separation efficiency was studied. Analytical methods have been developed for the determination of carboxylic acids, pharmacologically active substances (cilostazol, apixaban) and impurities (sodium azide, N-bromosuccinimide).
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=128350
Decision
Yes





 

List of publications

  
Codesido Santiago, Rudaz Serge, Guillarme Davy, Horvath Krisztian, Fekete Szabolcs: Apparent efficiency of serially coupled columns in gradient elution liquid chromatography: Extension to the combination of any column formats, JOURNAL OF CHROMATOGRAPHY A 1588: pp. 159-162., 2019
Evelin Farsang, Amarande Murisier, Krisztián Horváth, Oliver Colas, Alain Beck, Davy Guillarme, Szabolcs Fekete: Optimization of MS-Compatible Mobile Phases for IEX Separation of Monoclonal Antibodies, LC GC EUROPE 32: (s5) pp. 29-34., 2019
Farsang Evelin, Gaál Violetta, Horváth Ottó, Bárdos Erzsébet, Horváth Krisztián: Analysis of Non-Ionic Surfactant Triton X-100 Using Hydrophilic Interaction Liquid Chromatography and Mass Spectrometry, MOLECULES 24: (7) p. 1223., 2019
Farsang Evelin, Murisier Amarande, Horváth Krisztián, Beck Alain, Kormány Róbert, Guillarme Davy, Fekete Szabolcs: Tuning selectivity in cation-exchange chromatography applied for monoclonal antibody separations, part 1: Alternative mobile phases and fine tuning of the separation, JOURNAL OF PHARMACEUTICAL AND BIOMEDICAL ANALYSIS 168: pp. 138-147., 2019
Horváth Szabolcs, Gritti Fabrice, Kormány Róbert, Horváth Krisztián: Theoretical Analysis of Efficiency of Multi-Layer Core-Shell Stationary Phases in the High Performance Liquid Chromatography of Large Biomolecules, MOLECULES 24: (15) 2849, 2019
Lukács Diána, Horváth Krisztián, Hajós Péter: Analytical separation of carboxylic acids and inorganic anions on cryptand-based ion exchange stationary phase, In: Alberto, Cavazzini; Massimo, Morbidelli (szerk.) 48th International Symposium on High-Performance Liquid Phase Separations and Related Techniques, (2019) P481, 2019
Murisier A., Farsang E., Horváth K., Lauber M., Beck A., Guillarme D., Fekete S.: Tuning selectivity in cation-exchange chromatography applied for monoclonal antibody separations, part 2: Evaluation of recent stationary phases, JOURNAL OF PHARMACEUTICAL AND BIOMEDICAL ANALYSIS 172: pp. 320-328., 2019
Farsang Evelin, Horváth Krisztián: A mozgófázis fizikai-kémiai tulajdonságainak meghatározása folyadékkromatográfiás oszlopokban, In: Gazdag, Mária; Babják, Mónika; Gáspár, Attila; Felinger, Attila; Horváth, Krisztián; Janáky, Tamás; Móricz, Ágnes (szerk.) Elválasztástudományi vándorgyűlés, 2018, Magyar Elválasztástudományi Társaság (2018) p. 79., 2018
Farsang Evelin, Murisier Amarande, Horváth Krisztián, Beck Alain, Kormány Róbert, Guillarme Davy, Fekete Szabolcs: Tuning selectivity in cation-exchange chromatography applied for monoclonal antibody separations, part 1: Alternative mobile phases and fine tuning of the separation, JOURNAL OF PHARMACEUTICAL AND BIOMEDICAL ANALYSIS 168: pp. 138-147., 2019
Codesido Santiago, Rudaz Serge, Guillarme Davy, Horvath Krisztian, Fekete Szabolcs: Apparent efficiency of serially coupled columns in gradient elution liquid chromatography: Extension to the combination of any column formats, JOURNAL OF CHROMATOGRAPHY A 1588: pp. 159-162., 2019
Farsang Evelin, Gaál Violetta, Horváth Ottó, Bárdos Erzsébet, Horváth Krisztián: Analysis of Non-Ionic Surfactant Triton X-100 Using Hydrophilic Interaction Liquid Chromatography and Mass Spectrometry, MOLECULES 24: (7) p. 1223., 2019
Murisier A., Farsang E., Horváth K., Lauber M., Beck A., Guillarme D., Fekete S.: Tuning selectivity in cation-exchange chromatography applied for monoclonal antibody separations, part 2: Evaluation of recent stationary phases, JOURNAL OF PHARMACEUTICAL AND BIOMEDICAL ANALYSIS 172: pp. 320-328., 2019
Horváth Szabolcs, Gritti Fabrice, Kormány Róbert, Horváth Krisztián: Theoretical Analysis of Efficiency of Multi-Layer Core-Shell Stationary Phases in the High Performance Liquid Chromatography of Large Biomolecules, MOLECULES 24: (15) 2849, 2019
Farsang Evelin, Horváth Krisztián, Beck Alain, Wang Qi, Lauber Matthew, Guillarme Davy, Fekete Szabolcs: Impact of the column on effluent pH in cation exchange pH gradient chromatography, a practical study, JOURNAL OF CHROMATOGRAPHY A 1626: p. 461350., 2020
Lukács Diána, Horváth Krisztián, Hajós Péter: Development of retention mechanism for the separation of carboxylic acids and inorganic anions in cryptand-based ion chromatography, JOURNAL OF CHROMATOGRAPHY A 1621: p. 461066., 2020
Farsang Evelin, Guillarme Davy, Veuthey Jean-Luc, Beck Alain, Lauber Matthew, Schmudlach Andrew, Fekete Szabolcs: Coupling non-denaturing chromatography to mass spectrometry for the characterization of monoclonal antibodies and related products, JOURNAL OF PHARMACEUTICAL AND BIOMEDICAL ANALYSIS, 2020
Horváth Krisztián, Horváth Szabolcs: Applicability and Efficiency of Gradient Stationary Phases in HPLC, 12th Balaton Symposium on High-Performance Separation Methods, 2019
Kormány Róbert , Rácz Norbert , Fekete Szabolcs, Horváth Krisztián: Article Development of a Fast and Robust UHPLC Method for Apixaban In-Process Control Analysis, Molecules, 2021
Horváth Szabolcs, Gritti Fabrice, Horváth Krisztián: Theoretical study of the efficiency of liquid chromatography columns with particle size gradient, Journal of Chromatography A, 2021
Páll Boglárka, Gyenge Zsuzsa, Kormány Róbert, Horváth Krisztián: Determination of Genotoxic Azide Impurity in Cilostazol API by Ion Chromatography with Matrix Elimination, Separations, 2021
Farsang Evelin, Horváth Krisztián: A mozgófázis fizikai-kémiai tulajdonságainak meghatározása folyadékkromatográfiás oszlopokban, Elválasztástudományi vándorgyűlés 2018 - Előadás és poszterkivonatok, 2018
Kormány Róbert , Rácz Norbert , Fekete Szabolcs, Horváth Krisztián: Development of a Fast and Robust UHPLC Method for Apixaban In-Process Control Analysis, Molecules, 2021
Horváth Szabolcs, Lukács Diána, Farsang Evelin, Horváth Krisztián: Study of Efficiency of Capacity Gradient Ion-Exchange Stationary Phases, Separations, 2023
Páll Boglárka, Kapui Imre, Kormány Róbert, Horváth Krisztián: Development of Analytical Methods for the Determination of N-Bromosuccinimide in Different Active Pharmaceutical Ingredients by High-Performance Ion Chromatography with Suppressed Conductivity Detection, Separations, 2023
Horváth Szabolcs, Lukács Diána, Farsang Evelin, Horváth Krisztián: Unbiased Determination of Adsorption Isotherms by Inverse Method in Liquid Chromatography, Molecules, 2023
Farsang Evelin, Lukács Diána, Simon József, Horváth Krisztián: Analysis of Chromatographic Efficiencies of Pressure-Induced Gradient Separations (első bírálati körön túl, revízió alatt), Journal of Chromatography A (első bírálati körön túl, revízió alatt), 2023
Simon József, Farsang Evelin, Lukács Diána, Horváth Krisztián: In silico Separation of Overlapped Chromatographic 2 Peaks with the Expectation- Maximization Algorithm, Book of Abstracts - 33rdrd International Symposium on ChromatographyInternational Symposium on Chromatography, 2022




 

Events of the project

  
2019-10-30 09:44:28
Résztvevők változása



Back »