表面等離子體共振生物傳感器的研究進(jìn)展

表面等離子體共振生物傳感器的研究進(jìn)展

1983年，瑞典科學(xué)家利德利德皮頓斯皮爾（spr）首次將表面活性劑（spr）應(yīng)用于igg抗體-對(duì)抗相互作用的測(cè)定，并生成了世界第一個(gè)spr生物傳感器。從那時(shí)起，spr生物傳感器迅速應(yīng)用于臨床檢驗(yàn)、疾病診斷、藥物篩選、基質(zhì)研究等領(lǐng)域。由于其高度靈活圖明、實(shí)時(shí)在線、簡(jiǎn)單、快速、抗旱性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天醫(yī)學(xué)研究中具有吸引力。本文簡(jiǎn)要介紹了spr生物傳感器的原理、特點(diǎn)、應(yīng)用于長(zhǎng)壽研究和航空航天醫(yī)學(xué)研究的應(yīng)用前景。1共振角的影響SPR是一種物理光學(xué)現(xiàn)象.一束平面單色偏振光以一定范圍的入射角照射在玻璃—金屬界面時(shí),可發(fā)生全內(nèi)反射.若入射光的波向量與金屬膜(通常是金或銀)內(nèi)表面電子的振蕩頻率相匹配,入射光被耦合入表面等離子體內(nèi),引起電子發(fā)生共振,電子吸收該能量使界面反射光的強(qiáng)度急劇下降.其中反射光強(qiáng)度最小的入射角稱共振角,它與結(jié)合在金屬膜表面樣品的折射率有關(guān).附著在金屬膜表面上的電介質(zhì)不同或同種電介質(zhì)的質(zhì)量不同,則共振角不同.以棱鏡耦合SPR傳感器為例,其結(jié)構(gòu)包括鍍膜棱鏡、入射光源、樣品進(jìn)口、樣品出口、反應(yīng)池和檢測(cè)器,其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1.根據(jù)上述原理,SPR生物傳感器通常將已知的生物分子(如抗體)固定在幾十納米厚的金屬膜表面,加入與其互補(bǔ)的目標(biāo)生物分子(如目標(biāo)抗原),兩者結(jié)合或解離將使金屬膜溶液界面的折射率發(fā)生變化,據(jù)此反映生物分子間的相互作用.2在線血凝血素檢測(cè)SPR生物傳感器在問(wèn)世的短短20年間,已成為分析生物分子間相互作用的重要手段,并成為傳感器領(lǐng)域令人矚目的研究熱點(diǎn),主要由于其具有如下顯著特點(diǎn).(1)檢測(cè)靈敏度高.分子量為20Kd的大分子物質(zhì),其檢測(cè)限大約為1—10nmol/L.Miura等用競(jìng)爭(zhēng)法測(cè)定苯并芘,檢測(cè)區(qū)間可達(dá)到(0.01—1000)×10-6,而同種方法ELISA的檢測(cè)最低限為2×10-6.本實(shí)驗(yàn)室利用抑制檢測(cè)法,對(duì)小分子2,4-二硝基苯肼的檢測(cè)范圍為10nM—5μM,其檢測(cè)范圍與ELISA結(jié)果基本相同(已接收).該技術(shù)與質(zhì)譜(MS)技術(shù)聯(lián)用,生物分子的檢測(cè)極限可達(dá)到fmol級(jí)甚至更低.在1μl含600pmol人血清白蛋白溶液中,能分離鑒定到120fmol的人肌球蛋白,而單純使用MS,由于高濃度的白蛋白的干擾,檢測(cè)不到人肌球蛋白的質(zhì)譜峰.如此高的檢測(cè)靈敏度使之適用于體液中的少量激素濃度測(cè)定及環(huán)境中微量微生物的檢測(cè).(2)可用于樣品的實(shí)時(shí)在線檢測(cè),同時(shí)完成各種生物分子的功能分析,在分析多種生物分子逐步作用時(shí)更具有優(yōu)勢(shì).加入影響反應(yīng)的調(diào)節(jié)因子,還能實(shí)時(shí)觀察以確定其在哪個(gè)環(huán)節(jié)發(fā)揮作用.這是ELISA、放射免疫等傳統(tǒng)免疫分析技術(shù)所不具備的優(yōu)點(diǎn).Hide等利用該技術(shù),實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)IgE介導(dǎo)的肥大細(xì)胞超敏反應(yīng)的早期,部分揭示了細(xì)胞內(nèi)參與反應(yīng)的各種迅速且復(fù)雜的信號(hào)分子相互作用.(3)抗干擾能力強(qiáng).SPR傳感器通過(guò)光學(xué)信號(hào)的變化來(lái)反映分子間的相互作用,不會(huì)受到電、磁、力的干擾,明顯優(yōu)于電化學(xué)免疫傳感器.尤其是在空間環(huán)境中,其信號(hào)不會(huì)因失重受影響,明顯優(yōu)于壓電傳感器.(4)樣品無(wú)需預(yù)處理.所用生物分子無(wú)需酶、熒光或同位素標(biāo)記,操作簡(jiǎn)單;信號(hào)不受樣品顏色、濁度的影響,可直接檢測(cè)血液等體液標(biāo)本.該技術(shù)已實(shí)現(xiàn)全血凝血素時(shí)間(PT)的測(cè)定.若將此技術(shù)用于空間飛行中航天員的體液標(biāo)本檢測(cè),實(shí)驗(yàn)人員經(jīng)簡(jiǎn)單的培訓(xùn)即可掌握操作程序,大大提高了工作效率和可操作性;同時(shí)無(wú)需樣品預(yù)處理設(shè)備,節(jié)約了飛船內(nèi)寶貴空間.(5)快速、高通量分析.SPR生物傳感器單通道檢測(cè)一個(gè)樣品需要2—10min.以BiacoreQ傳感器為例,它有4個(gè)反應(yīng)池,可以同時(shí)在線檢測(cè)4個(gè)樣品或進(jìn)行4個(gè)獨(dú)立的實(shí)驗(yàn).既可用于高通量自動(dòng)化分析,也可以進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)對(duì)照,并保證其他條件完全一致.利用Biacore傳感器技術(shù),篩選400個(gè)抗體的配體需要不到5天,而傳統(tǒng)的篩選方法則需要耗時(shí)數(shù)月.(6)試劑和樣品用量少,適用于珍貴樣品的檢測(cè).牟潁等實(shí)驗(yàn)證明經(jīng)親和素-生物素系統(tǒng)連接到金膜表面的抗體可反復(fù)使用50次左右.檢測(cè)牛奶中的IgG含量和食物中的真菌霉素的SPR傳感器的重復(fù)使用次數(shù)更是分別達(dá)到了200次和500次.空間飛行中,根據(jù)檢測(cè)要求,攜帶不同傳感器芯片,可實(shí)現(xiàn)航天員微量血液、尿液、唾液等標(biāo)本在線檢測(cè).既滿足多指標(biāo)分析需求,又避免大量取樣及樣品預(yù)處理所需的復(fù)雜、耗時(shí)操作.隨著近年來(lái)相關(guān)理論和方法學(xué)的完善,SPR生物傳感器在生命科學(xué)研究中發(fā)揮出越來(lái)越重要的作用,廣泛應(yīng)用于臨床檢驗(yàn)及疾病機(jī)理研究、新藥研發(fā)等研究領(lǐng)域.3spr檢測(cè)腫瘤的臨床應(yīng)用SPR傳感器能夠準(zhǔn)確、靈敏、快速、簡(jiǎn)便地檢測(cè)多種生化指標(biāo),并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)生物分子間的相互作用及影響因素的作用環(huán)節(jié),可作為疾病診斷和機(jī)理研究的有效工具.該技術(shù)證明系統(tǒng)性紅斑狼瘡(SLE)患者血漿中含有C4bBP,它與PS結(jié)合并阻斷后者的抗凝血作用,揭示了SLE患者常伴有血栓發(fā)生的機(jī)理.SPR傳感器技術(shù)從腫瘤相關(guān)抗體的選擇、血管的形成、細(xì)胞周期的調(diào)控、腫瘤免疫機(jī)理等多個(gè)方面,對(duì)癌癥進(jìn)行了研究,加深了人類對(duì)腫瘤發(fā)生機(jī)理的認(rèn)識(shí)及診治技術(shù)的提高.同時(shí),該技術(shù)在生化指標(biāo)的檢測(cè)方面得到了廣泛應(yīng)用.用其測(cè)定糖尿病腎病患者尿樣中的蛋白含量,靈敏度和精確度比現(xiàn)行臨床方法都有很大提高,為疾病的早期診斷及治療提供了依據(jù).如果能利用該技術(shù),實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)航天員體液中與機(jī)體的健康狀態(tài)密切相關(guān)的生化指標(biāo),就可以對(duì)生理功能的異常與損傷提供預(yù)警,為在空間實(shí)施相應(yīng)的防護(hù)治療措施提供醫(yī)學(xué)參考.4發(fā)中或代內(nèi)毒及耐藥藥物的研究,為進(jìn)一步發(fā)展提供了可能。在一般就其與相關(guān)藥物SPR生物傳感器能實(shí)時(shí)、平行性地分析核酸、蛋白質(zhì)、多肽和細(xì)胞間的相互作用,研究藥物的作用機(jī)理,篩選并優(yōu)化合成藥物中的有效成分,已成為藥物研發(fā)中的有效技術(shù).如對(duì)硫酸寡糖在骨關(guān)節(jié)炎發(fā)生中的抑制機(jī)理研究、雙效DNA插入劑抗癌效果的優(yōu)化研究、新霉素B及相關(guān)的氨基糖苷類藥物治療HIV的作用機(jī)理研究等領(lǐng)域,降低了研究費(fèi)用,加快了相關(guān)新藥的進(jìn)一步開(kāi)發(fā).資料證實(shí),中藥能有效對(duì)抗空間飛行導(dǎo)致的心肌收縮力下降、骨質(zhì)疏松等問(wèn)題,但其成分復(fù)雜,仍需對(duì)其有效成分做進(jìn)一步的分離純化與鑒定.如能將SPR生物傳感器應(yīng)用于其防護(hù)機(jī)理與相關(guān)新藥的開(kāi)發(fā)研究,必將大大推動(dòng)空間防護(hù)醫(yī)學(xué)的發(fā)展.5基于spr生物傳感器檢測(cè)的期間檢測(cè)系統(tǒng)在瞳體內(nèi)的應(yīng)用前景我國(guó)目前制定的載人航天計(jì)劃分為三個(gè)發(fā)展步驟.第一步是實(shí)現(xiàn)載人航天飛行,開(kāi)展空間應(yīng)用實(shí)驗(yàn);第二步是突破載人飛船和空間飛行器的交會(huì)對(duì)接技術(shù),發(fā)射一個(gè)空間實(shí)驗(yàn)室;第三步是建造一個(gè)長(zhǎng)期有人照料的空間站.以“神舟”五號(hào)飛船成功返回地球?yàn)闃?biāo)志,我國(guó)的載人航天事業(yè)已圓滿完成第一步.隨著載人航天事業(yè)向二步邁進(jìn),我國(guó)的航天醫(yī)學(xué)研究也面臨著巨大的挑戰(zhàn).隨著中國(guó)載人航天事業(yè)向著二步邁進(jìn),我國(guó)的航天醫(yī)學(xué)研究也面臨著巨大的挑戰(zhàn).研究已經(jīng)證實(shí),空間飛行中失重、輻射、活動(dòng)空間狹小、精神緊張等復(fù)合因素,會(huì)對(duì)航天員健康產(chǎn)生不良影響.如何評(píng)價(jià)航天員中長(zhǎng)期空間飛行過(guò)程中的健康狀況,保障乘員安全,對(duì)于順利完成航天任務(wù)具有重要意義.已知某些生化指標(biāo)在體液中的水平同健康狀態(tài)密切相關(guān),如能建立一種便攜、靈敏、操作簡(jiǎn)便的生化指標(biāo)分析系統(tǒng),對(duì)其進(jìn)行在軌監(jiān)測(cè),則能實(shí)現(xiàn)對(duì)航天員健康狀態(tài)的前瞻性、預(yù)警性監(jiān)控,并根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果采取積極措施,更好地保障航天員飛行安全.SPR生物傳感器檢測(cè)靈敏度高,能滿足血液、尿液、唾液等體液標(biāo)本中含量極低的生物分子的檢測(cè)要求;檢測(cè)結(jié)果可轉(zhuǎn)化為電信號(hào),與航天員的生理信息一同實(shí)時(shí)傳輸給地面醫(yī)監(jiān)人員,以便對(duì)航天員身體健康狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控,指導(dǎo)航天員采取積極有效的應(yīng)對(duì)措施;該檢測(cè)所需樣品少、樣品無(wú)需預(yù)處理,降低了空間采樣的難度,避免了樣品分離、標(biāo)記等繁瑣步驟,整個(gè)操作過(guò)程簡(jiǎn)便且易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化,極大地提高了實(shí)驗(yàn)人員的工作效率;SPR傳感器根據(jù)光學(xué)信號(hào)的變化來(lái)反映分子間相互作用,不會(huì)受電、磁、力的干擾,適用于空間失重條件,也保證了其在空間環(huán)境中的正常應(yīng)用.除此之外,基于地面已經(jīng)建立的應(yīng)用技術(shù),SPR傳感器還可以用于坐艙密閉環(huán)境中的微生物監(jiān)測(cè)、空間防護(hù)藥物的作用機(jī)理研究,以及相關(guān)新藥的進(jìn)一步開(kāi)發(fā).綜上所述,SPR生物傳感器由于其檢測(cè)非重力