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精准医疗:SPR技术能检测新冠病毒?

发布时间:2021-11-01 10:07:36 阅读:111262次 来源:百度学术

  新冠病毒于2020年开始全球大流行,Nicoya公司于2020年开始用 SPR 技术进行的 SARS-CoV-2 研究。在传感器表面放上新冠病毒S蛋白的对应抗体,然后用一束光照射这个传感器的表面上让光反射。接下来用待检测的溶液通过这个表面,如果检测溶液里没有新冠病毒,这个光的反射就不会发生变化,如果这里边有新冠病毒,那么抗体就会和新冠病毒结合,从而导致传感器表面结构和质量发生了变化,进而折射的光就发生了角度变化。因而检测样品中是否含有病毒。

  你是否对这一技术感到神奇?

  SPR:光学表面等离子共振(SPR, Surface Plasmon Resonance),是一种光学物理现象

  当偏振光以临界角入射到两种不同折射率的介质界面时,可引起金属薄膜内自由电子的共振,使反射光在一定角度内大大减弱。其中,使反射光在一定角度内完全消失的入射角称为SPR角。可以通过监测生物反应过程中SPR角的动态变化,得到生物分子之间结合和相互作用的特异性信号。

  当入射光到达界面时并不是直接产生反射光,而是先透过光疏介质约一个波长的深度,再沿界面流动约半个波长再返回光密介质,而光的总能量没有发生改变,则透过光疏介质的波被称为消逝波。

  由于金属中含有自由电子气,可以看作一种等离子体,入射光激起电子气的纵向振动,振动产生的电荷密度波,沿着金属和电介质的界面传播,形成表面等离子波。金属表面等离子波与消逝波发生共振时,检测到的反射光强度会大幅度地减弱。当入射光波长固定时,反射光强度是入射角的函数,其中反射光强度最低时所对应的入射角为共振角(Resonance Angle)。表面等离子共振(SPR)对附着在金属薄膜表面的介质折射率非常敏感,当表面介质的属性改变或者附着量改变时,共振角将不同。

SPR芯片工作原理示意图

  上图为一个带有葡聚糖的金属表面,配体蛋白的氨基酸可以与葡聚糖结合而被固定到金属表面,下方光源发出的一个单波长激光束进入到棱镜中,在入射角达到某一个角度时,光子的能量会被金属吸收转化成表面等离子体波,这个角度没有光线被反射出来,而是以很小的强度被检测器检测到,这个角度被称为共振角。由于等离子体波会在金属表面传播,所以金属表面偶联的配体蛋白与任何物质发生相互作用都将导致共振角发生改变。

  SPR技术发展概史

  1902年,Wood在光学实验室中发现SPR现象(当电磁波射向金属表面时,其反射光谱会发生异常,表现为在特定角度下反射光强度明显下降,光谱上出现明显的暗带。而且金属膜表面折射率的变大会导致暗带位置发生变化)。

  1941年---Fano解释了SPR现象(SPR现象来源于消逝波和金属表面等离子波的共振)

  1971年---Kretschmann结构为SPR传感器奠定了基础

  1983年---Liedberg将SPR传感器奠定了基础

  1987年---Knoll等人开始SPR成像研究

  1990年---Biacore AB公司开发首台商品化SPR仪器

  小型SPR分析仪示意图

  SPR分析仪的应用

  对生物分子进行识别及定量检测、研究生物分子间的相互作用。用SPR可获得的信息:

  01、两个分子之间结合的特异性

  02、目标分子的浓度

  03、结合以及解离过程的动力学参数

  04、结合的强度

  目前SPR技术主要应用于以下领域

  一、药物和生物制剂开发

  1.靶向药物筛选

  2.先导化合物优化

  3.抗体筛选和优化

  4.药物活性测定及机理分析

  SPR生物分析仪应用于靶向药物筛选(Drug screening using SPR bioanalyzer )

  艾滋病又称获得性免疫缺陷综合症(Acquired  Immunodeficiency  Syndrom , AIDS),是由人类免疫缺陷病毒(Human  immunodeficiency  virus,HIV)感染机体引起的致死性疾病。Vpu蛋白是人类免疫缺陷病毒1型(HIV-1)特有的辅助调节蛋白,可促进新生病毒颗粒的释放。利用表面等离子体共振(SPR)技术建立一种以Vpu蛋白为靶点的药物筛选方法,在此基础上进行Vpu小分子抑制剂的筛选,并初步探究活性化合物对Vpu功能的影响。

 BIAcoreTM系统生物分子相互作用示意图

  基于SPR技术的BIAcore生物传感仪的操作流程为将靶分子固定在传感器芯片表面,再通过监测流过芯片表面的溶液中样品与靶分子结合和解离过程的变化, 定量的测定生物分子相互作用的动力学数据

  SPR技术应用于抗体活性检测(The antibody activity using SPR )

  依赖SPR技术的分子相互作用技术现在已经应用于高通量筛选,为抗体库的筛选、抗体药物的筛选等提供了有力的工具。根据抗体片断识别活性位点的能力,SPR技术可以用来从成百上千种样品中对Fab抗体片段进行迅速分类,能够迅速判断各种抗体的亲和力,加速对高亲和力抗体的发现,并对发现有潜力的抗体用于疾病治疗具有重要的意义。

  其中,Biacore是基于SPR技术对生物大分子相互作用进行实时跟踪,具有灵敏度高、特异性好、速度快等优点,是噬菌体抗体库筛选的重要工具。

  二、生命科学及医学研究

  1、功能蛋白质组学

  2、结构蛋白质组学

  3、肿瘤、免疫、病原微生物的基础医学领域

  SPR技术用于新冠病毒检测(2019-nCoV detection using SPR)

  世界首个新冠病毒(2019-nCoV)突刺蛋白的冷冻电镜结构研究出炉之时。不仅采用冷冻电镜技术解析了新型冠状病毒的S蛋白结构,还利用表面等离子共振技术(SPR)分析了新冠病毒S蛋白与ACE2的亲和力,是SARS病毒的10到20倍,从而揭晓了新冠病毒肺炎强传染性的原因。

  该研究从分子间相互作用的角度,揭示了新冠病毒的最新研究成果,及SPR检测技术在研究中的关键作用,充分验证并肯定了SPR(表面等离子共振作用)技术及仪器领域对当代世界的医学研究、病毒及疫苗研究起到的关键作用。

  三其他应用领域

  1、生物制剂质量控制

  2、食品安全评价

  SPR生物分析仪应用于食品安全(Food safety using SPR bioanalyzer)

SPR生物分析

本文链接:https://www.zjby-biotech.com/news/hyzx/462.html

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