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技術(shù)應(yīng)用
SPR檢測技術(shù)在相關(guān)領(lǐng)域的產(chǎn)品應(yīng)用現(xiàn)狀
來源:
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作者:英柏研發(fā)部
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發(fā)布時間: 2018-08-31
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《表面等離子共振檢測技術(shù)簡介與進(jìn)展》第三部分
1. 生物科研領(lǐng)域
自1990年第一臺基于表面等離子共振原理(SPR)檢測產(chǎn)品問世以來，分子相互作用分析系統(tǒng)以其獨特的視角揭示了蛋白質(zhì)、核酸等多種生物分子之間的相互作用。通過實時、全面、無需標(biāo)記的分析手段對分子結(jié)合過程加以研究，幫助了科學(xué)家們更深刻地理解了生物分子之間的相互作用和這些作用所承載的生物學(xué)功能。因此在生命科學(xué)中扮演越來越重要的作用。到目前為止，蛋白結(jié)構(gòu)與功能之間關(guān)系的研究70%以上是通過SPR檢測技術(shù)來完成的。
SPR分析技術(shù)可以在各種化學(xué)環(huán)境下進(jìn)行，尤其是能夠分析各種條件下的結(jié)合解離動力學(xué)的過程和相關(guān)的結(jié)合解離常數(shù)等數(shù)據(jù)；為分析結(jié)合反應(yīng)的機(jī)理提供很多依據(jù)。例如，在蛋白質(zhì)-DNA結(jié)合反應(yīng)分析中，特異性結(jié)合和非特異性結(jié)合的區(qū)別之一就在于它們對離子強(qiáng)度的依賴特點。非特異性結(jié)合的親和性對離子強(qiáng)度有更大的依賴性，因為DNA的骨架中磷酸根負(fù)離子對靜電引力貢獻(xiàn)很大。通過分析在不同溫度下結(jié)合速率和親和常數(shù)的變化，可以提供一些反應(yīng)的熱力學(xué)參數(shù)信息。除了著名的范德霍夫圖，結(jié)合和解離的速率對溫度有很大的依賴性，因此可以為反應(yīng)過程的活化能的測量提供寶貴的數(shù)據(jù)[6]。
2. 新藥開發(fā)和蛋白質(zhì)組學(xué)上的應(yīng)用
生物醫(yī)藥是以現(xiàn)代生命科學(xué)為基礎(chǔ)，結(jié)合基因工程、細(xì)胞工程、酶工程、蛋白質(zhì)工程、發(fā)酵工程等手段，從生物體或其組織、細(xì)胞、體液中提取得到用于疾病預(yù)防、治療和診斷的藥物總稱。在以美國為代表的發(fā)達(dá)經(jīng)濟(jì)體，生物醫(yī)藥已成為創(chuàng)新藥的主體。如1986-2014年，美國FDA批準(zhǔn)的125個治療性藥物中，抗體、酶類、干擾素、集落、造血刺激因子和肽類等生物醫(yī)藥95個，占全部批準(zhǔn)藥物中的76%。由此可見，生物蛋白類藥物的開發(fā)目前已經(jīng)成為目前醫(yī)藥領(lǐng)域的主要方向之一。
生物蛋白類藥物開發(fā)主要分為集中在兩個方面：一是新功能的藥物作用靶點的發(fā)現(xiàn)和機(jī)制研究；二是篩選能作用于細(xì)胞，蛋白等上面已知功能結(jié)合靶點的小分子藥物，多肽，抗體等結(jié)合物。SPR分析技術(shù)由于能它能夠分析藥代過程中的結(jié)合解離常數(shù)等數(shù)據(jù)，提供大量關(guān)于候選藥物與其靶標(biāo)的作用信息，再加上微陣列等新技術(shù)結(jié)合，能夠在藥物開發(fā)的各個階段揭示藥物機(jī)理作用和高通量的篩選各個化合物，大大縮短常規(guī)藥物的開發(fā)時間和成本。目前，SPR分析技術(shù)已經(jīng)成為藥物篩選等研發(fā)過程中的主要技術(shù)之一。例如，Geschwindner 等采用SPR篩選以蛋白片段為靶標(biāo)的小分子活性化合物，比傳統(tǒng)檢測方法得到更多的活性物質(zhì)，且SPR方法的Z-factor(為0. 67) 遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的檢測方法(為0. 37) ，說明SPR篩選方法所得結(jié)果更穩(wěn)定可靠。G蛋白偶聯(lián)受體( GPCRs) 是細(xì)胞信號傳導(dǎo)中的重要蛋白質(zhì)，其拓?fù)錁?gòu)象為7次跨膜的受體，同源性較低，當(dāng)膜外的配體作用于該受體時，該受體的膜內(nèi)部分與G蛋白相互結(jié)合，激活G蛋白。大多數(shù)的細(xì)胞激素和神經(jīng)遞質(zhì)細(xì)胞內(nèi)外的交流通過GPCR信號通路完成，藥物作用于GPCRs從而達(dá)到治療目的。迄今已發(fā)現(xiàn)作為治療藥物靶點的蛋白總數(shù)約500 個，而GPCRs靶點占其中受體的絕大多數(shù)，很多科研工作者先后進(jìn)行了用SPR技術(shù)篩選GPCR配體及藥物的研究。劉翠等利于SPR技建立了分別以DNA、RNA 和POT1 蛋白、Aβ 蛋白等為靶標(biāo)的小分子藥物篩選模型，可對源源不斷新合成的化合物進(jìn)行初步的活性篩選，為化合物的進(jìn)一步開發(fā)研究提供了非常有參考價值的實驗數(shù)據(jù)[7]。
3. SPR 技術(shù)在食品安全領(lǐng)域的應(yīng)用
由于SPR分析技術(shù)可以實現(xiàn)高通量、高精確度、快速篩查及定量分析等目標(biāo)，其在食品安全領(lǐng)域的應(yīng)用也得到大量的研究。Revoltellal等利用酶聯(lián)免疫( ELISA) 技術(shù)、放射免疫( RIA) 技術(shù)與SPR分析技術(shù)對同一種農(nóng)藥( C8H6C12 O3) ( 2,4D) 進(jìn)行檢測對比分析，認(rèn)為SPR 生物傳感器具有以下優(yōu)點：體積小，成本低，響應(yīng)快，靈敏度高，實時在線檢測和抗干擾能力強(qiáng)。該方法的檢測范圍為0.001-1.000mg /L，因此，非常適合用于現(xiàn)場的農(nóng)藥殘留檢測 [8]。Rasooly等以SPR分析技術(shù)為基礎(chǔ)，采用雙抗體夾心法，快速檢測出了食物中葡萄球菌腸毒素B( SEB) 的濃度，最低檢測限為10ug /L [9]。Massimiliano 等人建立了利用生物傳感器檢測黃曲霉毒素的方法，該方法的檢測限能夠達(dá)到1.67μg /kg，與常規(guī)的分析方法相比，能夠大大縮短檢測時間，提高檢測效率[10]。
自1990年第一臺基于表面等離子共振原理(SPR)檢測產(chǎn)品問世以來，分子相互作用分析系統(tǒng)以其獨特的視角揭示了蛋白質(zhì)、核酸等多種生物分子之間的相互作用。通過實時、全面、無需標(biāo)記的分析手段對分子結(jié)合過程加以研究，幫助了科學(xué)家們更深刻地理解了生物分子之間的相互作用和這些作用所承載的生物學(xué)功能。因此在生命科學(xué)中扮演越來越重要的作用。到目前為止，蛋白結(jié)構(gòu)與功能之間關(guān)系的研究70%以上是通過SPR檢測技術(shù)來完成的。
SPR分析技術(shù)可以在各種化學(xué)環(huán)境下進(jìn)行，尤其是能夠分析各種條件下的結(jié)合解離動力學(xué)的過程和相關(guān)的結(jié)合解離常數(shù)等數(shù)據(jù)；為分析結(jié)合反應(yīng)的機(jī)理提供很多依據(jù)。例如，在蛋白質(zhì)-DNA結(jié)合反應(yīng)分析中，特異性結(jié)合和非特異性結(jié)合的區(qū)別之一就在于它們對離子強(qiáng)度的依賴特點。非特異性結(jié)合的親和性對離子強(qiáng)度有更大的依賴性，因為DNA的骨架中磷酸根負(fù)離子對靜電引力貢獻(xiàn)很大。通過分析在不同溫度下結(jié)合速率和親和常數(shù)的變化，可以提供一些反應(yīng)的熱力學(xué)參數(shù)信息。除了著名的范德霍夫圖，結(jié)合和解離的速率對溫度有很大的依賴性，因此可以為反應(yīng)過程的活化能的測量提供寶貴的數(shù)據(jù)[6]。
2. 新藥開發(fā)和蛋白質(zhì)組學(xué)上的應(yīng)用
生物醫(yī)藥是以現(xiàn)代生命科學(xué)為基礎(chǔ)，結(jié)合基因工程、細(xì)胞工程、酶工程、蛋白質(zhì)工程、發(fā)酵工程等手段，從生物體或其組織、細(xì)胞、體液中提取得到用于疾病預(yù)防、治療和診斷的藥物總稱。在以美國為代表的發(fā)達(dá)經(jīng)濟(jì)體，生物醫(yī)藥已成為創(chuàng)新藥的主體。如1986-2014年，美國FDA批準(zhǔn)的125個治療性藥物中，抗體、酶類、干擾素、集落、造血刺激因子和肽類等生物醫(yī)藥95個，占全部批準(zhǔn)藥物中的76%。由此可見，生物蛋白類藥物的開發(fā)目前已經(jīng)成為目前醫(yī)藥領(lǐng)域的主要方向之一。
生物蛋白類藥物開發(fā)主要分為集中在兩個方面：一是新功能的藥物作用靶點的發(fā)現(xiàn)和機(jī)制研究；二是篩選能作用于細(xì)胞，蛋白等上面已知功能結(jié)合靶點的小分子藥物，多肽，抗體等結(jié)合物。SPR分析技術(shù)由于能它能夠分析藥代過程中的結(jié)合解離常數(shù)等數(shù)據(jù)，提供大量關(guān)于候選藥物與其靶標(biāo)的作用信息，再加上微陣列等新技術(shù)結(jié)合，能夠在藥物開發(fā)的各個階段揭示藥物機(jī)理作用和高通量的篩選各個化合物，大大縮短常規(guī)藥物的開發(fā)時間和成本。目前，SPR分析技術(shù)已經(jīng)成為藥物篩選等研發(fā)過程中的主要技術(shù)之一。例如，Geschwindner 等采用SPR篩選以蛋白片段為靶標(biāo)的小分子活性化合物，比傳統(tǒng)檢測方法得到更多的活性物質(zhì)，且SPR方法的Z-factor(為0. 67) 遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的檢測方法(為0. 37) ，說明SPR篩選方法所得結(jié)果更穩(wěn)定可靠。G蛋白偶聯(lián)受體( GPCRs) 是細(xì)胞信號傳導(dǎo)中的重要蛋白質(zhì)，其拓?fù)錁?gòu)象為7次跨膜的受體，同源性較低，當(dāng)膜外的配體作用于該受體時，該受體的膜內(nèi)部分與G蛋白相互結(jié)合，激活G蛋白。大多數(shù)的細(xì)胞激素和神經(jīng)遞質(zhì)細(xì)胞內(nèi)外的交流通過GPCR信號通路完成，藥物作用于GPCRs從而達(dá)到治療目的。迄今已發(fā)現(xiàn)作為治療藥物靶點的蛋白總數(shù)約500 個，而GPCRs靶點占其中受體的絕大多數(shù)，很多科研工作者先后進(jìn)行了用SPR技術(shù)篩選GPCR配體及藥物的研究。劉翠等利于SPR技建立了分別以DNA、RNA 和POT1 蛋白、Aβ 蛋白等為靶標(biāo)的小分子藥物篩選模型，可對源源不斷新合成的化合物進(jìn)行初步的活性篩選，為化合物的進(jìn)一步開發(fā)研究提供了非常有參考價值的實驗數(shù)據(jù)[7]。
3. SPR 技術(shù)在食品安全領(lǐng)域的應(yīng)用
由于SPR分析技術(shù)可以實現(xiàn)高通量、高精確度、快速篩查及定量分析等目標(biāo)，其在食品安全領(lǐng)域的應(yīng)用也得到大量的研究。Revoltellal等利用酶聯(lián)免疫( ELISA) 技術(shù)、放射免疫( RIA) 技術(shù)與SPR分析技術(shù)對同一種農(nóng)藥( C8H6C12 O3) ( 2,4D) 進(jìn)行檢測對比分析，認(rèn)為SPR 生物傳感器具有以下優(yōu)點：體積小，成本低，響應(yīng)快，靈敏度高，實時在線檢測和抗干擾能力強(qiáng)。該方法的檢測范圍為0.001-1.000mg /L，因此，非常適合用于現(xiàn)場的農(nóng)藥殘留檢測 [8]。Rasooly等以SPR分析技術(shù)為基礎(chǔ)，采用雙抗體夾心法，快速檢測出了食物中葡萄球菌腸毒素B( SEB) 的濃度，最低檢測限為10ug /L [9]。Massimiliano 等人建立了利用生物傳感器檢測黃曲霉毒素的方法，該方法的檢測限能夠達(dá)到1.67μg /kg，與常規(guī)的分析方法相比，能夠大大縮短檢測時間，提高檢測效率[10]。