表面等離子體共振技術在藥物研究中的應用

鄭曦妍，劉宇，賈錫榮，董萌，李旭蕊

(遼寧大學藥學院，遼寧 沈陽 110000)

表面等離子體共振技術是一種利用生物傳感芯片分析分子間的作用關系的一種生物技術，可以簡稱為SPR技術，在許多領域中被廣泛應用[1]。1983年，瑞典科學家Liedberg首次將SPR 技術應用于抗體抗原相互作用的測定，因此世界上第一臺表面等離子體傳感器就此誕生了[2]。在生物技術的迅猛發展的情形下，SPR技術作為一種新興的生物檢測技術，被應用于許多領域，如食品殘留檢測、環境質量檢測、藥物研究領域、生物各個領域的研究上。該技術成為新興的一種生物技術，在與傳統的檢測技術進行比較發現，表面等離子體共振傳感技術的優點十分突出，其中包括在檢時不需要做標記、靈敏度比傳統技術強許多倍，在檢測時能快速、準確、高效、有針對性的檢測出相應的結果，而且在進樣量的要求上較少，可以減少投入。其中，早就報道了關于傳感技術的應用、傳感芯片的研究、配位體固體化、表面等離子體傳感技術的原理分析以及該技術在生物電阻抗中的應用的信息[3]。在藥物檢測研究、食品檢測、生物化學等方面創造了巨大的價值，在技術不斷創新發展的進程中，尤其是在對于藥物研究的領域中發揮著重要的作用，在生物制藥工程、藥學、食品檢測工業等許多領域有廣闊的前景，在世界也是新型生物技術中的研究熱點。本文主要在表面等離子體傳感技術的原理，發展路線，在藥物研究中的應用，在疾病中的應用等方面進行綜述。

1 表面等離子體傳感技術

1.1 簡介 在高速發展的技術更新的時代，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進行生物檢測，促使了許多新技術的誕生，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)該法的應用廣泛，主要被用于食品殘留檢測、環境衛生檢測、生物醫藥檢測、臨床診斷疾病、新藥開發研究、分子生物工程等領域[4]。該法具備靈敏度高、高效簡單、檢測時不需要做標記、進樣量少、減少工作量、前處理簡單、可以隨時對結果進行檢測檢查糾錯等優勢，比傳統檢測方法更加好使用。表面等離子體共振技術主要是涉及物理復雜的光反應，在20世紀初被研究發現，但是由于當時的研究水平較低，還沒有對這種物理現象沒有過多的解釋，直到20世紀50年代末期對這個說法有了新的解釋，他們指出這種現象是由于金屬表面沿金屬和介質的表面之間電子傳播的電子疏密波[5]。表面等離子技術所產生的光譜中 當金屬與共振角接觸時中間的介質的折射率會發生微妙的變化，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象，為研究表面等離子體傳感生物器的發明提供了強有力的理論基礎，在1983年瑞典科學家就在此基礎上成功發明創造了表面等離子體共振傳感器[6]。就此，對該技術的研究與創造成了研究熱點，并且不斷取得技術創新和改進的勝利，尤其在應用于生物技術和醫藥研究領域方面有很大優勢凸顯，其應用領域包括薄膜、大分子蛋白質、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，簡稱SPR技術，主要是由于被光照射后入射光表面的等離子與介質表面產生了表面等離子的光波形成的表面等離子共振的現象，屬于一種光學檢測系統[8]。假定一束偏振光在規定的范圍角度內進入到兩種不同的介質平面中，一個是表面鍍上厚厚的金膜的棱鏡端面，就在兩個接觸面之間會產生等離子電波，當入射光光波的傳播系數與表面等離子體產生的光波系數互相匹配時，就會出現表面等離子體的共振現象，金屬內的電子共振稱為表面等離子體共振。共振角就是當入射光進入金屬表面時，會有一部分的電子發生轉移，導致反射光中的離子大大減少，使反射光在一定角度內發生消失的入射角。折射率的變化會影響共振角的變化，而金屬表面的生物活性分子又會影響折射率發生變化，他們的關系一般會成正比，因此該技術就是利用共振角的改變，接收到生物分子之間存在的聯系與特異性信息傳遞。在檢測生物分子的運動動態的前提，要先在金屬表面放上一層生物分子的反應膜，在將待測的樣品經過金屬，如果樣品中存在與生物反應膜互相識別的分子，那么一定會引起折射率的變化，導致共振角的變化，從而得出檢測結果。通過不斷的實驗和檢測的結果得出，共振角能表現出生物分子動態運動的過程[9]。

2 表面等離子體共振技術的應用

2.1 在抗腫瘤藥物研究中的應用 隨著生物技術的不斷發展，人類發現了許多肽類可抑制癌細胞的增長，可與癌細胞中的組織位點相結合，控制腫瘤的形成。在2000年就有研究學者將表面等離子體共振技術應用在了開發抗癌肽類的研究中[10]。主要的研究方法就是將葡聚糖作為傳感芯片的骨架，經過免疫球蛋白的可結晶片段與外細胞的配位體的親和抗體的肽類化合物進行作用篩選。經過篩選作用的肽類化合物的相對分子量為15 000，此種肽類的作用廣泛，不光能減緩癌細胞的生長增殖，還能加強化療和放療藥物對癌細胞作用的結果。同年還有研究學者在表面等離子體共振技術中應用了疏水性吸附骨架的傳感芯片在體外進行了對抗RAS癌細胞功能的完整的研究。RAS基因可誘發細胞分化突變為癌細胞，并且該基因在跨膜運輸能量轉化時會刺激細胞分裂劑蛋白激酶的形成路徑。對鼠嗜鉻細胞瘤細胞中的特定基因進行誘導和分化。若可以阻斷兩種致癌基因的組合，即形成癌細胞的拮抗劑，阻止癌細胞進一步的擴散和增殖。這就是運用表面等離子體共振技術在抗癌藥中的基因篩選的過程。生物傳感器可對人血清中的生物藥劑和抗體的存在進行檢測和定量分析，在動物中的模型建立和人類臨床實驗的檢測也有應用。運用表面等離子體共振技術對細胞外的細胞分裂、凋亡、細胞周期和基因轉錄等信息進行運輸，進而更加準確地生產出用于治療癌癥的癌細胞拮抗劑[11]。

2.2 在抗艾滋病治療藥物中的應用 有研究顯示有學者曾對艾滋病病毒的核酸蛋白與HIV基因組的結合點的結合采用自動檢測儀進行了鑒定和篩選[12]。運用表面等離子體共振技術的檢測方法對有抑制艾滋病病毒的天然提取物進行篩選和鑒定。將該天然提取物質在巰基乙醇的條件下進行培養，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行結合測定。檢測的結果顯示，溶于二甲基亞砜的天然提取物在傳感芯片上會有折光率的改變，也就說明表面等離子體共振技術檢測的共振角也會發生改變，會出現不同的檢測結果。

2.3 在對藥物篩選中的應用 對藥物進行篩選是進行藥物研究必不可少的環節之一。通過對新研制的藥物進行篩分和挑選可以更加高效地找到針對疾病的最有效的藥物，找出最適合的、具有相應的活性成分的藥物，提高新藥的創新速度和效率，減少了在新藥研制過程中的經費支出[13]。在生物技術發展迅速的現代社會中，表面等離子體共振技術已經被應用在對于新藥的篩選的過程中，該技術的有許多優點，比如檢測的靈敏度高、方便快捷、需要的樣品較少，對于應用在企業研究中可大大降低生產成本。在不同技術之間的相互結合和滲透，加快了生物科學技術的發展進程，表面等離子共振技術的檢測對象也不存在只檢測大分子物質的局限了，現在也可以被應用在小分子蛋白質、小分子的核酸等物質之間的測定了。也可運用該技術直接檢測在兩個分子之間建立一個動力的模型[14]。將表面等離子體共振技術用于對蛋白質中靶向小分子活性化合物進行檢測，檢測結果顯示，該技術得到的結果比傳統技術所得到的結果更加豐富，且真實可靠性比傳統方法也高，說明SPR技術的檢測結果更加穩定[15]。許多研究人員研究了表面等離子體共振技術在篩選蛋白質偶聯抗體的相關藥物的研制。G-蛋白偶聯受體在細胞信息傳導中是個重要蛋白質的存在，其中存在7次抗體，有相對較低的同源性，當配體作用在抗體上時，讓受體與相應蛋白質結合，使蛋白質被激活。細胞激素與神經遞質細胞通過配體進行內外的信息交流，使藥物達到藥到病除的效果。直到現在有500多個靶向蛋白被發現，其中大部分都是配體蛋白質[16]。

2.4 在抗感染中藥中的應用 為使得抗原和抗體的充分發揮作用，采用表面等離子體共振生物傳感器直接對其進行檢測。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行結合[17]。為方便檢測，將進樣系統管道設計成U形，在管道中傳感芯片上的骨架物質將與抗感染中藥中所含的有效成分進行偶聯作用，然后經過靈敏度較高的電荷耦合器件接受光信號進行檢測，在計算機中進行數據處理，輸出相應的參數。為了更加接近現實的環境，必須選擇合適的研究對象與受體，要提前將受體細胞進行粉碎或者細胞培養放在傳感芯片表面，還要避免在操作過程中對蛋白質組織和活性的破壞，檢查完畢后在進行相關有效成分的檢驗和互相作用的過程，由此可得到抗感染中藥的有效成分在被檢測時所得出的參數常數，說明抗感染中藥中的有效成分對相應抗體的影響作用。這種方法的生物傳感器的靈敏度高、高效快捷、可以準時地對樣品測定完畢。運用直接測定法對抗感染中藥和相關受體進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哪些受體可產生作用，并能直接獲取相關的參數信息，對研究表面等離子體共振技術在藥物研究中應用奠定了基礎，給出了以后研究者的參考數值和依據，為發展中醫藥研究創新也打下了基礎[18]。

2.5 在醫藥學中的應用 在現代的臨床治療中要求對病癥快速定義，準確治療，為患者贏得一切機會。這就需要在治療和診治過程中要做到技術和醫術完美結合，要求的現代技術水平也十分高。現在的許多檢測方法的檢測時間長，過程麻煩，等待時間過長，可能導致患者的病情被耽誤，就比如酶聯免疫吸附法、化學發光法、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雜，所需的樣品的數量也多，而且檢測過程中需要標記。這也促使了生物技術進步，使高靈敏度、方便、快捷、免標記的檢測方法不斷出現，解決現在在檢測技術上的缺陷。表面等離子體共振技術就具備上述優點，在檢測方面成為研究的熱點話題，不斷更新。有研究人員將患有癌癥的人的癌細胞與正常人的血清中白細胞的黏附因子進行比對分析，分別采用表面等離子體共振技術和酶聯免疫吸附法兩種方法分別進行測定比較[19]。經檢測結果顯示，兩種方法所得的結果相同，但是在檢測速度和效率上，酶聯免疫吸附法卻比表面等離子體共振技術較弱，并沒有表面等離子體共振技術的高效快捷，許多學者也認為二者的作用可以相互互換，用生物傳感器代替酶聯免疫檢測技術的測定。經過多年的研究結果顯示，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，可通過對健康人和患有阿爾茲海默癥患者的抗原和抗體結合的特點，為研究如何治療老年癡呆癥提供了條件。該技術的生物傳感器還可用于新藥篩選、檢測藥物殘留等，檢測靶向蛋白質的受體與配體的特異性結合的關系。利用該技術的生物傳感器還可檢測艾滋病病毒與其相應抗體之間的結合作用，為臨床上治療提供了科學的依據。表面等離子體共振技術與其他的技術相結合，可以更加快捷便利的區分出不同藥物與蛋白質的結合情況。利用SPR生物傳感器研究了殺鼠靈與人血白蛋白的結合、解離常數，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，有研究顯示相關的對動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明創造對醫藥行業的發展起到了重大的推動作用，使得在臨床研究和醫藥研究發展的過程中可以節省時間，節約成本，創造更大的奇跡。

3 結束語

表面等離子體共振技術在許多領域都取得了不少的成就，如在食品安全監測、藥物殘留檢測、生命科學研究、環境檢測、中醫藥發展領域等都取得了非凡的成就，也有不少驚人的成果研究。并且現在該技術在國際上也深受歡迎，成了研究熱點。還要繼續加大對該技術的研究與創新，使多技術聯用解決現有的缺點。表面等離子體共振技術與傳統的檢測技術相比，高效快捷、方便、節約成本、靈敏度高，但是也存在缺點，例如作為新技術的儀器費用較高，檢測芯片的制備較麻煩，注意事項較多，希望在不斷研究創新的過程中能對這些不足之處進行改進。盡量將儀器微型化、優化數據處理系統、提高靈敏度、擴大檢測范圍，發展多技術聯用、降低費用等。在現代技術的迅猛發展穩定時代，表面等離子體共振技術會被大面積應用在臨床、醫藥、食品等各個方面的檢測，會成為未來的新星。