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[仪器科学] SPR技术在生命科学、医学和食品检测上的应用

[仪器科学] SPR技术在生命科学、医学和食品检测上的应用

表面等离子共振(SPR) 技术是一种分析生物分子间相互作用的生物传感分析技术,目前常用于生物大分子相互作用分析系统Biacore中。Biacore检测可用于生物分子间结合特异性的分析、浓度定量、结合动力学和亲和力分析以及热力学分析,能够实时检测 DNA 与蛋白质之间、蛋白质分子之间、药物与蛋白之间、核酸与核酸之间、抗原与抗体之间以及受体与配体等生物分子之间的相互作用。
Biacore系统拥有不同的型号,如智能的高性能分子相互作用系统,Biacore X100;全功能的分子相互作用分析系统,Biacore T200;最新一代超高灵敏度分子相互作用分析系统,Biacore S200;高通量与高质量互作数据兼的Biacore 8K等。美迪西生物制药有限公司于2017年新引进一台高通量的Biacore 8K,新引进的Biacore 8K设备采用全新的8根进样针设计,能够平行检测8种不同样品,并快速获得动力学和亲和力数据,相较于传统的单根针系统,检测速度提高高达8倍。即使是复合体靶点或新型药物如双特异抗体,Biacore™8K多通道的检测通量,便捷灵活的方法设计,也能够极大地提高药物筛选与精确表征的效率,大幅度地降低检测时间。
1、表面等离子共振SPR技术原理
Biacore技术是基于一种称为表面等离子共振(surface plasmon resonance, SPR)的物理光学现象发展起来的新型生物传感分析技术。 Biacore技术的关键是利用了基于SPR现象发展的生物传感器作为检测系统,该技术的3个核心部分是传感器芯片,SPR光学检测系统和微射流卡盘。实验时,现将一种生物分子固定在传感器的葡聚糖表面,将与之相互作用的分子溶于溶液流过的芯片表面。SPR检测器能根据跟踪溶液中的分子与芯片表面的分子结合、解离整个过程的变化,记录成一张传感图,并提供动力学和亲和力数据。
2、表面等离子共振SPR技术在生命科学、医学和食品检测上面的应用
     SPR生物传感器由于具有无需标记、在线检测、可再生、无样品前处理等优点,在生命科学、药物残留、食品检测、疾病机理等方面有着广泛的应用前景。   
(1)测量小分子药物与人血清清蛋白(HSA)的相互作用:
人血清清蛋白(HSA)由于其丰富的数量,是血浆中最重要的蛋白,其主要功能是运送脂肪酸和保持血液的胶体渗透压,它是许多激素和药物的重要载体,尤其是疏水性的。药物分子结合到HSA会增加药物的半衰期和降低血液中自由的药物分子的浓度,这使它对临床护理有极其重要的作用。在药物发现的早期,确定血浆蛋白的给合是很重要的,因为它被用于评价药物所需要的剂量和从身体中清除。
人血清清蛋白(HSA)通过氨基偶联固定在芯片表面,通过SPR技术来研究小分子药物与HSA之间的相互作用,通过测量确定了稳态的亲和力值和结合的动力学数据。
(2)测量抗体与抗原之间的相互作用:
蛋白-抗体之间的相互作用是医药工业和蛋白研究中极其重要的研究领域。基于抗体的生物技术药物已经呈现出对于一些痼疾有效的治疗,比如贝伐单抗用于癌症治疗以及阿达木单抗用于类风湿性关节炎。
应用SPR技术测量人血清清蛋白抗体(anti-HSA)与固定在芯片上的人血清清蛋白(HSA)相互作用。正如假设的,商品化的anti-HSA强力地结合到HSA上以及极其缓慢地从HAS上解离下来,从相互作用中计算出来稳态的亲和力以及结合的动力学参数。
(3)测量药物与单层细胞的相互作用
体外细胞测定在药物发现中被广泛使用,传统中的这些测定需要标记的材料以及这类分析是基于使用UV、荧光或者质谱的后检测。单层细胞沉积到SPR的芯片表面,MP-SPR用于在可控的流动条件下、实时地测量药物分子(心得安和D-甘露醇)与单层细胞的相互作用。基于以上的测量,可能在旁细胞和跨细胞的两种不同的药物吸收路径中进行区分和辨别。
(4)研究一定特异性的单链抗体的结合动力学
PKCε(蛋白激酶ε)在多种的信号传导系统中起着必不可少的作用以及PKCε的失调与若干个致命的疾病有关,比如:癌症、II型糖尿病和阿尔茨海默疾病。所以PKC ε¬的特异的活化剂和抑制剂作为研究工具和未来的药物是很有发展前途的。美洲驼的单链抗体(VHHs)是一类新的单克隆抗体,它可以特异性地活化或抑制人类的PKCε(蛋白激酶ε)。最近的一篇出版物报道了应用表面等离子共振技术对VHHs和PKCε的动态的分析。
同样也对VHHs在激酶活性测定中进行测试,以确定对PKCε的活化或抑制的动力学。另外,自从VHHs在海拉细胞中对PKCε的迁移有不同的影响,他们在体内有PKCε活性。
SPR传感器能快速、灵敏、准确、简便地检测多种生化指标,并实时监测生物分子间的相互作用及影响因素的作用环节,可作为疾病诊断和机理研究的有效工具。
(5) 在癌症治疗上的作用
利用生物传感器,可检测和定量测定病人血清中的生物药剂和抗体滴度的可行性,跟踪检测动物模型、人类临床试验。利用SPR技术在胞外环境中研究控制基因转录、细胞周期、细胞分裂和凋亡的信号传递途径,从而可以准确地设计出这些生化作用催化剂的拮抗物,应用于癌症的治疗。
(6)在药物残留中的应用
目前由于农兽药的不合理使用,导致其在土壤、水与农产品中的残留,造成环境污染并通过食物链的富集作用最终进入食品,从而引发食品安全等一系列问题,不仅严重影响人们的身体健康,而且致使中国食品和农产品出口遭遇国际贸易“绿色壁垒”,阻碍食品和农产品产业的健康发展。目前常用的检测方法包括气相色谱法、液相色谱法及气-质、液-质联用方法等,这些方法大多需要复杂冗长的前处理过程,不能实现样品的快速检测。随着传感器技术的发展,SPR技术具有实时、快速、无须标记、灵敏度高、重复性好的等优点而受到了人们的青睐,并被广泛应用于环境科学及食品和药物检测等领域。
采用SPR生化分析仪快速检测对人类健康有潜在危害的动物源性食品中残留的醋酸甲羟孕酮(medroxy progesterone acetate,MPA),并对抗原的固定条件、抗体的浓度及芯片再生条件进行了优化,同时对抗体的稳定性及特异性进行了分析。由于检测时间短,易于携带,非常适合现场的快速检测,具有广泛的应用前景。采用SPR生物分析仪对牛奶中兽药残留的主要成分磺胺二甲嘧啶进行了检测,发现该方法简单、快速、灵敏度高且重复性好,适用于大量无标记的牛奶中兽药残留的检测。                        
(7)在食品检测中的应用
斯城燕等人使用SPR生物传感器系统实现了大肠杆菌O157:BH7的快速在线检测。这是因为大肠杆菌O157:H7是国际公认的食源性致病菌之一,对其快速检测,有助于迅速甄别传染源,将危害降到最低。生物传感器的在线分析能力和高灵敏度,微量样品需求的特点,使得这种仪器成为食品及环境安全监控的理想工具。
三、SPR技术未来发展趋势  
正是由于SPR技术有着巨大的优势,因此发展空间十分广阔,随着现代技术的发展与不断改进,对SPR的一些不足已经出现了不少改善方案。例如通过在生物分子与金属薄膜的结合中间做些改变可以增强SPR的稳定性;在检测效率方面,目前微流控芯片已经应用于SPR技术并实现了对蛋白质的可控分离和多通道检测。SPR生物传感器作为多学科交叉的高科技领域,正越来越引起了化学、生物、物理、材料、计算机等相关学科研究人员的高度重视,随着研究的不断深入,必将为人类做出更大的贡献。


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