表面等離子體共振技術(shù)在藥物研究中的應(yīng)用

鄭曦妍，劉宇，賈錫榮，董萌，李旭蕊

(遼寧大學(xué)藥學(xué)院，遼寧 沈陽 110000)

表面等離子體共振技術(shù)是一種利用生物傳感芯片分析分子間的作用關(guān)系的一種生物技術(shù)，可以簡稱為SPR技術(shù)，在許多領(lǐng)域中被廣泛應(yīng)用[1]。1983年，瑞典科學(xué)家Liedberg首次將SPR 技術(shù)應(yīng)用于抗體抗原相互作用的測定，因此世界上第一臺(tái)表面等離子體傳感器就此誕生了[2]。在生物技術(shù)的迅猛發(fā)展的情形下，SPR技術(shù)作為一種新興的生物檢測技術(shù)，被應(yīng)用于許多領(lǐng)域，如食品殘留檢測、環(huán)境質(zhì)量檢測、藥物研究領(lǐng)域、生物各個(gè)領(lǐng)域的研究上。該技術(shù)成為新興的一種生物技術(shù)，在與傳統(tǒng)的檢測技術(shù)進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，表面等離子體共振傳感技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)十分突出，其中包括在檢時(shí)不需要做標(biāo)記、靈敏度比傳統(tǒng)技術(shù)強(qiáng)許多倍，在檢測時(shí)能快速、準(zhǔn)確、高效、有針對(duì)性的檢測出相應(yīng)的結(jié)果，而且在進(jìn)樣量的要求上較少，可以減少投入。其中，早就報(bào)道了關(guān)于傳感技術(shù)的應(yīng)用、傳感芯片的研究、配位體固體化、表面等離子體傳感技術(shù)的原理分析以及該技術(shù)在生物電阻抗中的應(yīng)用的信息[3]。在藥物檢測研究、食品檢測、生物化學(xué)等方面創(chuàng)造了巨大的價(jià)值，在技術(shù)不斷創(chuàng)新發(fā)展的進(jìn)程中，尤其是在對(duì)于藥物研究的領(lǐng)域中發(fā)揮著重要的作用，在生物制藥工程、藥學(xué)、食品檢測工業(yè)等許多領(lǐng)域有廣闊的前景，在世界也是新型生物技術(shù)中的研究熱點(diǎn)。本文主要在表面等離子體傳感技術(shù)的原理，發(fā)展路線，在藥物研究中的應(yīng)用，在疾病中的應(yīng)用等方面進(jìn)行綜述。

1 表面等離子體傳感技術(shù)

1.1 簡介 在高速發(fā)展的技術(shù)更新的時(shí)代，大家也越來越追求更加靈敏高效、更加簡單快速的檢測技術(shù)進(jìn)行生物檢測，促使了許多新技術(shù)的誕生，比如生物傳感器法、紅外光譜分析法、熒光偏振免洗分析法等方法。表面等離子共振生物傳感器檢測法(也可簡稱為SPR生物傳感器法)該法的應(yīng)用廣泛，主要被用于食品殘留檢測、環(huán)境衛(wèi)生檢測、生物醫(yī)藥檢測、臨床診斷疾病、新藥開發(fā)研究、分子生物工程等領(lǐng)域[4]。該法具備靈敏度高、高效簡單、檢測時(shí)不需要做標(biāo)記、進(jìn)樣量少、減少工作量、前處理簡單、可以隨時(shí)對(duì)結(jié)果進(jìn)行檢測檢查糾錯(cuò)等優(yōu)勢，比傳統(tǒng)檢測方法更加好使用。表面等離子體共振技術(shù)主要是涉及物理復(fù)雜的光反應(yīng)，在20世紀(jì)初被研究發(fā)現(xiàn)，但是由于當(dāng)時(shí)的研究水平較低，還沒有對(duì)這種物理現(xiàn)象沒有過多的解釋，直到20世紀(jì)50年代末期對(duì)這個(gè)說法有了新的解釋，他們指出這種現(xiàn)象是由于金屬表面沿金屬和介質(zhì)的表面之間電子傳播的電子疏密波[5]。表面等離子技術(shù)所產(chǎn)生的光譜中 當(dāng)金屬與共振角接觸時(shí)中間的介質(zhì)的折射率會(huì)發(fā)生微妙的變化，并且又利用衰減全反射的方法證明了表面等離子體共振現(xiàn)象，為研究表面等離子體傳感生物器的發(fā)明提供了強(qiáng)有力的理論基礎(chǔ)，在1983年瑞典科學(xué)家就在此基礎(chǔ)上成功發(fā)明創(chuàng)造了表面等離子體共振傳感器[6]。就此，對(duì)該技術(shù)的研究與創(chuàng)造成了研究熱點(diǎn)，并且不斷取得技術(shù)創(chuàng)新和改進(jìn)的勝利，尤其在應(yīng)用于生物技術(shù)和醫(yī)藥研究領(lǐng)域方面有很大優(yōu)勢凸顯，其應(yīng)用領(lǐng)域包括薄膜、大分子蛋白質(zhì)、大分子核酸等分子間的交互作用[7]。

1.2 原理 表面等離子體共振技術(shù)，簡稱SPR技術(shù)，主要是由于被光照射后入射光表面的等離子與介質(zhì)表面產(chǎn)生了表面等離子的光波形成的表面等離子共振的現(xiàn)象，屬于一種光學(xué)檢測系統(tǒng)[8]。假定一束偏振光在規(guī)定的范圍角度內(nèi)進(jìn)入到兩種不同的介質(zhì)平面中，一個(gè)是表面鍍上厚厚的金膜的棱鏡端面，就在兩個(gè)接觸面之間會(huì)產(chǎn)生等離子電波，當(dāng)入射光光波的傳播系數(shù)與表面等離子體產(chǎn)生的光波系數(shù)互相匹配時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)表面等離子體的共振現(xiàn)象，金屬內(nèi)的電子共振稱為表面等離子體共振。共振角就是當(dāng)入射光進(jìn)入金屬表面時(shí)，會(huì)有一部分的電子發(fā)生轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致反射光中的離子大大減少，使反射光在一定角度內(nèi)發(fā)生消失的入射角。折射率的變化會(huì)影響共振角的變化，而金屬表面的生物活性分子又會(huì)影響折射率發(fā)生變化，他們的關(guān)系一般會(huì)成正比，因此該技術(shù)就是利用共振角的改變，接收到生物分子之間存在的聯(lián)系與特異性信息傳遞。在檢測生物分子的運(yùn)動(dòng)動(dòng)態(tài)的前提，要先在金屬表面放上一層生物分子的反應(yīng)膜，在將待測的樣品經(jīng)過金屬，如果樣品中存在與生物反應(yīng)膜互相識(shí)別的分子，那么一定會(huì)引起折射率的變化，導(dǎo)致共振角的變化，從而得出檢測結(jié)果。通過不斷的實(shí)驗(yàn)和檢測的結(jié)果得出，共振角能表現(xiàn)出生物分子動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)的過程[9]。

2 表面等離子體共振技術(shù)的應(yīng)用

2.1 在抗腫瘤藥物研究中的應(yīng)用 隨著生物技術(shù)的不斷發(fā)展，人類發(fā)現(xiàn)了許多肽類可抑制癌細(xì)胞的增長，可與癌細(xì)胞中的組織位點(diǎn)相結(jié)合，控制腫瘤的形成。在2000年就有研究學(xué)者將表面等離子體共振技術(shù)應(yīng)用在了開發(fā)抗癌肽類的研究中[10]。主要的研究方法就是將葡聚糖作為傳感芯片的骨架，經(jīng)過免疫球蛋白的可結(jié)晶片段與外細(xì)胞的配位體的親和抗體的肽類化合物進(jìn)行作用篩選。經(jīng)過篩選作用的肽類化合物的相對(duì)分子量為15 000，此種肽類的作用廣泛，不光能減緩癌細(xì)胞的生長增殖，還能加強(qiáng)化療和放療藥物對(duì)癌細(xì)胞作用的結(jié)果。同年還有研究學(xué)者在表面等離子體共振技術(shù)中應(yīng)用了疏水性吸附骨架的傳感芯片在體外進(jìn)行了對(duì)抗RAS癌細(xì)胞功能的完整的研究。RAS基因可誘發(fā)細(xì)胞分化突變?yōu)榘┘?xì)胞，并且該基因在跨膜運(yùn)輸能量轉(zhuǎn)化時(shí)會(huì)刺激細(xì)胞分裂劑蛋白激酶的形成路徑。對(duì)鼠嗜鉻細(xì)胞瘤細(xì)胞中的特定基因進(jìn)行誘導(dǎo)和分化。若可以阻斷兩種致癌基因的組合，即形成癌細(xì)胞的拮抗劑，阻止癌細(xì)胞進(jìn)一步的擴(kuò)散和增殖。這就是運(yùn)用表面等離子體共振技術(shù)在抗癌藥中的基因篩選的過程。生物傳感器可對(duì)人血清中的生物藥劑和抗體的存在進(jìn)行檢測和定量分析，在動(dòng)物中的模型建立和人類臨床實(shí)驗(yàn)的檢測也有應(yīng)用。運(yùn)用表面等離子體共振技術(shù)對(duì)細(xì)胞外的細(xì)胞分裂、凋亡、細(xì)胞周期和基因轉(zhuǎn)錄等信息進(jìn)行運(yùn)輸，進(jìn)而更加準(zhǔn)確地生產(chǎn)出用于治療癌癥的癌細(xì)胞拮抗劑[11]。

2.2 在抗艾滋病治療藥物中的應(yīng)用 有研究顯示有學(xué)者曾對(duì)艾滋病病毒的核酸蛋白與HIV基因組的結(jié)合點(diǎn)的結(jié)合采用自動(dòng)檢測儀進(jìn)行了鑒定和篩選[12]。運(yùn)用表面等離子體共振技術(shù)的檢測方法對(duì)有抑制艾滋病病毒的天然提取物進(jìn)行篩選和鑒定。將該天然提取物質(zhì)在巰基乙醇的條件下進(jìn)行培養(yǎng)，然后將此放入以羧甲基葡聚糖為骨架的傳感芯片的表面上進(jìn)行結(jié)合測定。檢測的結(jié)果顯示，溶于二甲基亞砜的天然提取物在傳感芯片上會(huì)有折光率的改變，也就說明表面等離子體共振技術(shù)檢測的共振角也會(huì)發(fā)生改變，會(huì)出現(xiàn)不同的檢測結(jié)果。

2.3 在對(duì)藥物篩選中的應(yīng)用 對(duì)藥物進(jìn)行篩選是進(jìn)行藥物研究必不可少的環(huán)節(jié)之一。通過對(duì)新研制的藥物進(jìn)行篩分和挑選可以更加高效地找到針對(duì)疾病的最有效的藥物，找出最適合的、具有相應(yīng)的活性成分的藥物，提高新藥的創(chuàng)新速度和效率，減少了在新藥研制過程中的經(jīng)費(fèi)支出[13]。在生物技術(shù)發(fā)展迅速的現(xiàn)代社會(huì)中，表面等離子體共振技術(shù)已經(jīng)被應(yīng)用在對(duì)于新藥的篩選的過程中，該技術(shù)的有許多優(yōu)點(diǎn)，比如檢測的靈敏度高、方便快捷、需要的樣品較少，對(duì)于應(yīng)用在企業(yè)研究中可大大降低生產(chǎn)成本。在不同技術(shù)之間的相互結(jié)合和滲透，加快了生物科學(xué)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)程，表面等離子共振技術(shù)的檢測對(duì)象也不存在只檢測大分子物質(zhì)的局限了，現(xiàn)在也可以被應(yīng)用在小分子蛋白質(zhì)、小分子的核酸等物質(zhì)之間的測定了。也可運(yùn)用該技術(shù)直接檢測在兩個(gè)分子之間建立一個(gè)動(dòng)力的模型[14]。將表面等離子體共振技術(shù)用于對(duì)蛋白質(zhì)中靶向小分子活性化合物進(jìn)行檢測，檢測結(jié)果顯示，該技術(shù)得到的結(jié)果比傳統(tǒng)技術(shù)所得到的結(jié)果更加豐富，且真實(shí)可靠性比傳統(tǒng)方法也高，說明SPR技術(shù)的檢測結(jié)果更加穩(wěn)定[15]。許多研究人員研究了表面等離子體共振技術(shù)在篩選蛋白質(zhì)偶聯(lián)抗體的相關(guān)藥物的研制。G-蛋白偶聯(lián)受體在細(xì)胞信息傳導(dǎo)中是個(gè)重要蛋白質(zhì)的存在，其中存在7次抗體，有相對(duì)較低的同源性，當(dāng)配體作用在抗體上時(shí)，讓受體與相應(yīng)蛋白質(zhì)結(jié)合，使蛋白質(zhì)被激活。細(xì)胞激素與神經(jīng)遞質(zhì)細(xì)胞通過配體進(jìn)行內(nèi)外的信息交流，使藥物達(dá)到藥到病除的效果。直到現(xiàn)在有500多個(gè)靶向蛋白被發(fā)現(xiàn)，其中大部分都是配體蛋白質(zhì)[16]。

2.4 在抗感染中藥中的應(yīng)用 為使得抗原和抗體的充分發(fā)揮作用，采用表面等離子體共振生物傳感器直接對(duì)其進(jìn)行檢測。將傳感芯片與吸附法吸附出的抗感染藥物中的有效成分進(jìn)行結(jié)合[17]。為方便檢測，將進(jìn)樣系統(tǒng)管道設(shè)計(jì)成U形，在管道中傳感芯片上的骨架物質(zhì)將與抗感染中藥中所含的有效成分進(jìn)行偶聯(lián)作用，然后經(jīng)過靈敏度較高的電荷耦合器件接受光信號(hào)進(jìn)行檢測，在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，輸出相應(yīng)的參數(shù)。為了更加接近現(xiàn)實(shí)的環(huán)境，必須選擇合適的研究對(duì)象與受體，要提前將受體細(xì)胞進(jìn)行粉碎或者細(xì)胞培養(yǎng)放在傳感芯片表面，還要避免在操作過程中對(duì)蛋白質(zhì)組織和活性的破壞，檢查完畢后在進(jìn)行相關(guān)有效成分的檢驗(yàn)和互相作用的過程，由此可得到抗感染中藥的有效成分在被檢測時(shí)所得出的參數(shù)常數(shù)，說明抗感染中藥中的有效成分對(duì)相應(yīng)抗體的影響作用。這種方法的生物傳感器的靈敏度高、高效快捷、可以準(zhǔn)時(shí)地對(duì)樣品測定完畢。運(yùn)用直接測定法對(duì)抗感染中藥和相關(guān)受體進(jìn)行相互作用的測定與研究，可確定存在中藥中的有效成分對(duì)哪些受體可產(chǎn)生作用，并能直接獲取相關(guān)的參數(shù)信息，對(duì)研究表面等離子體共振技術(shù)在藥物研究中應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)，給出了以后研究者的參考數(shù)值和依據(jù)，為發(fā)展中醫(yī)藥研究創(chuàng)新也打下了基礎(chǔ)[18]。

2.5 在醫(yī)藥學(xué)中的應(yīng)用 在現(xiàn)代的臨床治療中要求對(duì)病癥快速定義，準(zhǔn)確治療，為患者贏得一切機(jī)會(huì)。這就需要在治療和診治過程中要做到技術(shù)和醫(yī)術(shù)完美結(jié)合，要求的現(xiàn)代技術(shù)水平也十分高?，F(xiàn)在的許多檢測方法的檢測時(shí)間長，過程麻煩，等待時(shí)間過長，可能導(dǎo)致患者的病情被耽誤，就比如酶聯(lián)免疫吸附法、化學(xué)發(fā)光法、射線放射檢測、病理組織切片檢測等檢測方法的操作就比較復(fù)雜，所需的樣品的數(shù)量也多，而且檢測過程中需要標(biāo)記。這也促使了生物技術(shù)進(jìn)步，使高靈敏度、方便、快捷、免標(biāo)記的檢測方法不斷出現(xiàn)，解決現(xiàn)在在檢測技術(shù)上的缺陷。表面等離子體共振技術(shù)就具備上述優(yōu)點(diǎn)，在檢測方面成為研究的熱點(diǎn)話題，不斷更新。有研究人員將患有癌癥的人的癌細(xì)胞與正常人的血清中白細(xì)胞的黏附因子進(jìn)行比對(duì)分析，分別采用表面等離子體共振技術(shù)和酶聯(lián)免疫吸附法兩種方法分別進(jìn)行測定比較[19]。經(jīng)檢測結(jié)果顯示，兩種方法所得的結(jié)果相同，但是在檢測速度和效率上，酶聯(lián)免疫吸附法卻比表面等離子體共振技術(shù)較弱，并沒有表面等離子體共振技術(shù)的高效快捷，許多學(xué)者也認(rèn)為二者的作用可以相互互換，用生物傳感器代替酶聯(lián)免疫檢測技術(shù)的測定。經(jīng)過多年的研究結(jié)果顯示，表面等離子體共振生物傳感器可檢測出人血清中的癌細(xì)胞的存在，說明可以作為臨床上癌癥患者診斷是否患癌癥的手段。表面等離子體共振技術(shù)在研究老年人阿爾茲海默癥的治療中也有重要的作用，可通過對(duì)健康人和患有阿爾茲海默癥患者的抗原和抗體結(jié)合的特點(diǎn)，為研究如何治療老年癡呆癥提供了條件。該技術(shù)的生物傳感器還可用于新藥篩選、檢測藥物殘留等，檢測靶向蛋白質(zhì)的受體與配體的特異性結(jié)合的關(guān)系。利用該技術(shù)的生物傳感器還可檢測艾滋病病毒與其相應(yīng)抗體之間的結(jié)合作用，為臨床上治療提供了科學(xué)的依據(jù)。表面等離子體共振技術(shù)與其他的技術(shù)相結(jié)合，可以更加快捷便利的區(qū)分出不同藥物與蛋白質(zhì)的結(jié)合情況。利用SPR生物傳感器研究了殺鼠靈與人血白蛋白的結(jié)合、解離常數(shù)，該研究表明SPR生物傳感器可以用于藥物與病毒的相互作用研究[20]。表面等離子抗體共振生物傳感器還可以檢測藥物殘留，有研究顯示相關(guān)的對(duì)動(dòng)物尿液中的二甲嘧啶檢測可說明這一問題[21]。表面等離子體共振傳感器的發(fā)明創(chuàng)造對(duì)醫(yī)藥行業(yè)的發(fā)展起到了重大的推動(dòng)作用，使得在臨床研究和醫(yī)藥研究發(fā)展的過程中可以節(jié)省時(shí)間，節(jié)約成本，創(chuàng)造更大的奇跡。

3 結(jié)束語

表面等離子體共振技術(shù)在許多領(lǐng)域都取得了不少的成就，如在食品安全監(jiān)測、藥物殘留檢測、生命科學(xué)研究、環(huán)境檢測、中醫(yī)藥發(fā)展領(lǐng)域等都取得了非凡的成就，也有不少驚人的成果研究。并且現(xiàn)在該技術(shù)在國際上也深受歡迎，成了研究熱點(diǎn)。還要繼續(xù)加大對(duì)該技術(shù)的研究與創(chuàng)新，使多技術(shù)聯(lián)用解決現(xiàn)有的缺點(diǎn)。表面等離子體共振技術(shù)與傳統(tǒng)的檢測技術(shù)相比，高效快捷、方便、節(jié)約成本、靈敏度高，但是也存在缺點(diǎn)，例如作為新技術(shù)的儀器費(fèi)用較高，檢測芯片的制備較麻煩，注意事項(xiàng)較多，希望在不斷研究創(chuàng)新的過程中能對(duì)這些不足之處進(jìn)行改進(jìn)。盡量將儀器微型化、優(yōu)化數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、提高靈敏度、擴(kuò)大檢測范圍，發(fā)展多技術(shù)聯(lián)用、降低費(fèi)用等。在現(xiàn)代技術(shù)的迅猛發(fā)展穩(wěn)定時(shí)代，表面等離子體共振技術(shù)會(huì)被大面積應(yīng)用在臨床、醫(yī)藥、食品等各個(gè)方面的檢測，會(huì)成為未來的新星。