表面等离子共振显微镜SPRm 200

表面等离子共振显微镜SPRm 200

       2017年R&D100获奖产品   

     表面等离子体共振(SPR)是一种广泛用于研究生物分子结合的免标记检测技术。 从90 年代商品化以来，SPR 在仪器的发展和应用层面上已日臻完善，并成为在生物医学、传感器研发、药物开发等领域的关键技术之一。近年来与SPR 相关的最重大的突破就是表面等离子体共振显微镜技术（SPRM）的出现。       SPRM 将高分辨显微镜成像与表面等离子体共振相结合，充分利用了前者的空间成像和后者实时测量亲和力和动力学的功能。用传统的SPR 研究膜蛋白和待筛选的药物和其他配体的相互作用是有难度的，这是因为传统方法需要繁琐地提取细胞中的蛋白，并将纯化过的蛋白固定在芯片表面。 这样多步的程序不但耗费人力，而且改变了蛋白在细胞膜中所处的环境。SPRM 由于可以直接在芯片上固定或培养细胞，因此可以无需提取细胞中的蛋白，就可在原位研究其结合过程。另外，每一细胞上膜蛋白局部和整体的结合都可以测定和观察到。 

SPRM 模式 (高分辨显微技术) 集成光学显微镜与SPR技术       

SPRM 是一种基于高分辨成像技术的SPR 检测模式。它同时对芯片表面提供明场光学图像和亲和力和动力学常数。获得的图像中的每个像素都可提供一个传感谱图，因此可以对芯片表面的各个微小区域的分子结合情况予以空间上的示踪，从而提供远多于传统SPR 的信息。换言之，SPRM 不但以提供传统SPR 获取的信息，还可以对诸如细胞表面与药物分子作用的异相性进行研究。正是其微米级的高分辨率使得传统SPR 不能直接检测的细菌或病毒结合过程成为可能。SPRM 特别有利于检测药物分子与处于活细胞中天然态的膜蛋白的相互作用。

 SPRm200是世界上首台将表面等离子体共振技术和光学显微镜巧妙结合为一体的生物传感检测仪。它为免标记研究分子相互作用的领域开辟一个崭新的前沿。专门针对细胞膜蛋白和相关分子免标记检测而设计的SPRm200， 使您在不需要从细胞中提取和分离膜蛋白的前提下实时观察细胞结构并同时测量药物和靶点在细胞上的结合过程。还可进行对药物和在天然状态下的膜蛋白之间相互作用的测量。由于出色的灵敏度和稳定性，SPRm200能够测量纳米尺度上的结合行为，可用于研究细菌或病毒与抗菌性药物的相互作用，以及发展新型药物载递纳米颗粒。

        活细胞上免标记生物分子结合过程的检测

    实时结合力及动力学定量测量像图? 光学和表面等       离子体共振同时成像

    药物分子对多细胞或单细胞作用的检测

    纳米尺度上分子结合过程的跟踪检测      

SPRm 200 系统主要参数一览表 

典型应用：

        相比传统的SPR技术只能在整体传感区域内（通常称之为通道）测量平均共振角度的变化， SPRm200探测器能够测量局部像素点上的共振角度变化并且记录每一个像素点上的传感曲线图。如图2 就显示了SPRm200同时记录的明视场图和SPR像图以及图中任何一点或区域的传感曲线图。因此它能提供更多的局部信息，并且可以在自然状态下研究膜蛋白的非均相表面结合以及它们和药物之间的相互作用。 

 SPRM 图像 – 同时的明场图像(A) 和SPR 图像(B).各部位的结合亲和力和动力学数据可从传感谱图(C)中算出。 

凝集素 - 糖蛋白相互作用

    基本的细胞和治疗过程通常开始于配体与膜蛋白的结合，并且膜蛋白在其天然状态中的结合活性研究对于理解它们的生物学功能至关重要。这里是研究糖蛋白（膜蛋白）和凝集素（配体）之间的特异性相互作用以及单个细胞膜上的受体的结合活性和空间分布的实例。   

神经瘤细胞SHEP1在芯片上的细胞室中被孵化，然后置于SPRM样品台上。 将PBS缓冲液在25℃以300ul/min的流速加入细胞室。将凝集 素，80ug/ml的小麦胚芽凝集素（WGA），注入细胞室，然后用PBS缓冲液冲洗。用不同的WGA浓度（5, 10, 40, 80, 100, 200ug/ml）重复对细胞的类似测量。使用50mM GlcNAc 溶液来再生细胞表面上 的膜糖蛋白受体。用不同的WGA浓度（5, 10, 40, 80,100, 200 μg/ml）重复对细胞的进行类似测量，则可以得到如右图所示的一系列传感曲线图。将每个像素的数据予以平均后，可以使用一级结合动力学模型（参见下文）推导出细胞不同部位上的结合动力学参数。我们仪器测量结果与以前发表的数据十分吻合[4]。 

nACHRs 的结合行为的定位

nAChR膜受体在神经传递和尼古丁成瘾中起着关键作用，通常测定受体在细胞中的分布使用荧光标记的二抗。由于荧光检测不能提供直接的动力学数据而容易导致假阳性的结论，SPRm200因为直接测量一抗与不含二抗的nAChR的结合，该过程不仅更加简单，且克服了被标记的二抗所引起的不确定因素。  

上图中，工程化SH-EP1细胞在膜上表达α4β2 受体，并结合初代抗体抗α4（右图）。通过SPR 像图所显示的nAChR 同其初代抗体结合的分布（粉红色），可以明显看出这是一个非均相的表面结合。用SH-EP1野生型细胞来作为对照， 传感曲线右下图A显示了两种类型的细胞对nAChR的反应具有显著差异。如传感图B中所示，从SH-EP1工程化细胞反应减去野生型细胞反应（主要出于体积折射率效应）可以得到nAChR与其第一抗体的结合动力学，它们分别为kon = 6×104/Ms，koff = 3×10-3/s 和KD=45nM。 

纳米颗粒检测

    SPR光源按共振角度投射到传感器芯片上使其产生一个沿着金属膜表面传播的表面等离子体(SP)波，如图3所示。当一个纳米颗粒结合到芯片表面时，它便成为SP波的散射点，因而会在SPR像中产生波纹图案。其形状远远大于纳米颗粒的实际尺寸（100 倍以上）。这放大的波纹图案使得SPRm200能够检测到粒子尺度远小于其光学衍射的极限，通过对这个放大的波纹图案进行跟踪和测量，就能实现对分子在纳米尺度下的结合行为进行监测和研究。 

       在纳米尺度上，由一个纳米颗粒所产生的SPR响应信号非常独特。就好像把一个小石子放在一个缓缓流动的浅溪中，水面上就会产生一个波纹图案（参考左图）。     在SPR像中，这些波纹的产生以及其强度的变化为纳米颗粒和芯片表面或和溶液中其它分子的相互作用提供了非常丰富的信息[1，5]。   

细菌和抗生素

活的大肠杆菌O157:H7 在LB肉汤培养基中通过抗体偶联被系在传感器芯片上。他们因散射芯片中的SP波而在SPR像上产生许多点波纹如下图右边所示。 

虽然明视场的细菌细胞像（小黑点）稳定，SPR像中的点波纹强度有着显著的变化。通过监测这些波纹在纳米尺度下的强度波动，可为我们提供细菌细胞的新陈代谢的重要信息。当将500μg/mL的杀菌性抗生素多粘菌素B（PMB）加入细胞室时，细菌细胞的波动急剧减弱（下右图），从而表征细菌的死亡。