表面等离子体共振技术在药物研究中的应用

郑曦妍，刘宇，贾锡荣，董萌，李旭蕊

(辽宁大学药学院，辽宁 沈阳 110000)

表面等离子体共振技术是一种利用生物传感芯片分析分子间的作用关系的一种生物技术，可以简称为SPR技术，在许多领域中被广泛应用[1]。1983年，瑞典科学家Liedberg首次将SPR 技术应用于抗体抗原相互作用的测定，因此世界上第一台表面等离子体传感器就此诞生了[2]。在生物技术的迅猛发展的情形下，SPR技术作为一种新兴的生物检测技术，被应用于许多领域，如食品残留检测、环境质量检测、药物研究领域、生物各个领域的研究上。该技术成为新兴的一种生物技术，在与传统的检测技术进行比较发现，表面等离子体共振传感技术的优点十分突出，其中包括在检时不需要做标记、灵敏度比传统技术强许多倍，在检测时能快速、准确、高效、有针对性的检测出相应的结果，而且在进样量的要求上较少，可以减少投入。其中，早就报道了关于传感技术的应用、传感芯片的研究、配位体固体化、表面等离子体传感技术的原理分析以及该技术在生物电阻抗中的应用的信息[3]。在药物检测研究、食品检测、生物化学等方面创造了巨大的价值，在技术不断创新发展的进程中，尤其是在对于药物研究的领域中发挥着重要的作用，在生物制药工程、药学、食品检测工业等许多领域有广阔的前景，在世界也是新型生物技术中的研究热点。本文主要在表面等离子体传感技术的原理，发展路线，在药物研究中的应用，在疾病中的应用等方面进行综述。

1 表面等离子体传感技术

1.1 简介 在高速发展的技术更新的时代，大家也越来越追求更加灵敏高效、更加简单快速的检测技术进行生物检测，促使了许多新技术的诞生，比如生物传感器法、红外光谱分析法、荧光偏振免洗分析法等方法。表面等离子共振生物传感器检测法(也可简称为SPR生物传感器法)该法的应用广泛，主要被用于食品残留检测、环境卫生检测、生物医药检测、临床诊断疾病、新药开发研究、分子生物工程等领域[4]。该法具备灵敏度高、高效简单、检测时不需要做标记、进样量少、减少工作量、前处理简单、可以随时对结果进行检测检查纠错等优势，比传统检测方法更加好使用。表面等离子体共振技术主要是涉及物理复杂的光反应，在20世纪初被研究发现，但是由于当时的研究水平较低，还没有对这种物理现象没有过多的解释，直到20世纪50年代末期对这个说法有了新的解释，他们指出这种现象是由于金属表面沿金属和介质的表面之间电子传播的电子疏密波[5]。表面等离子技术所产生的光谱中 当金属与共振角接触时中间的介质的折射率会发生微妙的变化，并且又利用衰减全反射的方法证明了表面等离子体共振现象，为研究表面等离子体传感生物器的发明提供了强有力的理论基础，在1983年瑞典科学家就在此基础上成功发明创造了表面等离子体共振传感器[6]。就此，对该技术的研究与创造成了研究热点，并且不断取得技术创新和改进的胜利，尤其在应用于生物技术和医药研究领域方面有很大优势凸显，其应用领域包括薄膜、大分子蛋白质、大分子核酸等分子间的交互作用[7]。

1.2 原理 表面等离子体共振技术，简称SPR技术，主要是由于被光照射后入射光表面的等离子与介质表面产生了表面等离子的光波形成的表面等离子共振的现象，属于一种光学检测系统[8]。假定一束偏振光在规定的范围角度内进入到两种不同的介质平面中，一个是表面镀上厚厚的金膜的棱镜端面，就在两个接触面之间会产生等离子电波，当入射光光波的传播系数与表面等离子体产生的光波系数互相匹配时，就会出现表面等离子体的共振现象，金属内的电子共振称为表面等离子体共振。共振角就是当入射光进入金属表面时，会有一部分的电子发生转移，导致反射光中的离子大大减少，使反射光在一定角度内发生消失的入射角。折射率的变化会影响共振角的变化，而金属表面的生物活性分子又会影响折射率发生变化，他们的关系一般会成正比，因此该技术就是利用共振角的改变，接收到生物分子之间存在的联系与特异性信息传递。在检测生物分子的运动动态的前提，要先在金属表面放上一层生物分子的反应膜，在将待测的样品经过金属，如果样品中存在与生物反应膜互相识别的分子，那么一定会引起折射率的变化，导致共振角的变化，从而得出检测结果。通过不断的实验和检测的结果得出，共振角能表现出生物分子动态运动的过程[9]。

2 表面等离子体共振技术的应用

2.1 在抗肿瘤药物研究中的应用 随着生物技术的不断发展，人类发现了许多肽类可抑制癌细胞的增长，可与癌细胞中的组织位点相结合，控制肿瘤的形成。在2000年就有研究学者将表面等离子体共振技术应用在了开发抗癌肽类的研究中[10]。主要的研究方法就是将葡聚糖作为传感芯片的骨架，经过免疫球蛋白的可结晶片段与外细胞的配位体的亲和抗体的肽类化合物进行作用筛选。经过筛选作用的肽类化合物的相对分子量为15 000，此种肽类的作用广泛，不光能减缓癌细胞的生长增殖，还能加强化疗和放疗药物对癌细胞作用的结果。同年还有研究学者在表面等离子体共振技术中应用了疏水性吸附骨架的传感芯片在体外进行了对抗RAS癌细胞功能的完整的研究。RAS基因可诱发细胞分化突变为癌细胞，并且该基因在跨膜运输能量转化时会刺激细胞分裂剂蛋白激酶的形成路径。对鼠嗜铬细胞瘤细胞中的特定基因进行诱导和分化。若可以阻断两种致癌基因的组合，即形成癌细胞的拮抗剂，阻止癌细胞进一步的扩散和增殖。这就是运用表面等离子体共振技术在抗癌药中的基因筛选的过程。生物传感器可对人血清中的生物药剂和抗体的存在进行检测和定量分析，在动物中的模型建立和人类临床实验的检测也有应用。运用表面等离子体共振技术对细胞外的细胞分裂、凋亡、细胞周期和基因转录等信息进行运输，进而更加准确地生产出用于治疗癌症的癌细胞拮抗剂[11]。

2.2 在抗艾滋病治疗药物中的应用 有研究显示有学者曾对艾滋病病毒的核酸蛋白与HIV基因组的结合点的结合采用自动检测仪进行了鉴定和筛选[12]。运用表面等离子体共振技术的检测方法对有抑制艾滋病病毒的天然提取物进行筛选和鉴定。将该天然提取物质在巯基乙醇的条件下进行培养，然后将此放入以羧甲基葡聚糖为骨架的传感芯片的表面上进行结合测定。检测的结果显示，溶于二甲基亚砜的天然提取物在传感芯片上会有折光率的改变，也就说明表面等离子体共振技术检测的共振角也会发生改变，会出现不同的检测结果。

2.3 在对药物筛选中的应用 对药物进行筛选是进行药物研究必不可少的环节之一。通过对新研制的药物进行筛分和挑选可以更加高效地找到针对疾病的最有效的药物，找出最适合的、具有相应的活性成分的药物，提高新药的创新速度和效率，减少了在新药研制过程中的经费支出[13]。在生物技术发展迅速的现代社会中，表面等离子体共振技术已经被应用在对于新药的筛选的过程中，该技术的有许多优点，比如检测的灵敏度高、方便快捷、需要的样品较少，对于应用在企业研究中可大大降低生产成本。在不同技术之间的相互结合和渗透，加快了生物科学技术的发展进程，表面等离子共振技术的检测对象也不存在只检测大分子物质的局限了，现在也可以被应用在小分子蛋白质、小分子的核酸等物质之间的测定了。也可运用该技术直接检测在两个分子之间建立一个动力的模型[14]。将表面等离子体共振技术用于对蛋白质中靶向小分子活性化合物进行检测，检测结果显示，该技术得到的结果比传统技术所得到的结果更加丰富，且真实可靠性比传统方法也高，说明SPR技术的检测结果更加稳定[15]。许多研究人员研究了表面等离子体共振技术在筛选蛋白质偶联抗体的相关药物的研制。G-蛋白偶联受体在细胞信息传导中是个重要蛋白质的存在，其中存在7次抗体，有相对较低的同源性，当配体作用在抗体上时，让受体与相应蛋白质结合，使蛋白质被激活。细胞激素与神经递质细胞通过配体进行内外的信息交流，使药物达到药到病除的效果。直到现在有500多个靶向蛋白被发现，其中大部分都是配体蛋白质[16]。

2.4 在抗感染中药中的应用 为使得抗原和抗体的充分发挥作用，采用表面等离子体共振生物传感器直接对其进行检测。将传感芯片与吸附法吸附出的抗感染药物中的有效成分进行结合[17]。为方便检测，将进样系统管道设计成U形，在管道中传感芯片上的骨架物质将与抗感染中药中所含的有效成分进行偶联作用，然后经过灵敏度较高的电荷耦合器件接受光信号进行检测，在计算机中进行数据处理，输出相应的参数。为了更加接近现实的环境，必须选择合适的研究对象与受体，要提前将受体细胞进行粉碎或者细胞培养放在传感芯片表面，还要避免在操作过程中对蛋白质组织和活性的破坏，检查完毕后在进行相关有效成分的检验和互相作用的过程，由此可得到抗感染中药的有效成分在被检测时所得出的参数常数，说明抗感染中药中的有效成分对相应抗体的影响作用。这种方法的生物传感器的灵敏度高、高效快捷、可以准时地对样品测定完毕。运用直接测定法对抗感染中药和相关受体进行相互作用的测定与研究，可确定存在中药中的有效成分对哪些受体可产生作用，并能直接获取相关的参数信息，对研究表面等离子体共振技术在药物研究中应用奠定了基础，给出了以后研究者的参考数值和依据，为发展中医药研究创新也打下了基础[18]。

2.5 在医药学中的应用 在现代的临床治疗中要求对病症快速定义，准确治疗，为患者赢得一切机会。这就需要在治疗和诊治过程中要做到技术和医术完美结合，要求的现代技术水平也十分高。现在的许多检测方法的检测时间长，过程麻烦，等待时间过长，可能导致患者的病情被耽误，就比如酶联免疫吸附法、化学发光法、射线放射检测、病理组织切片检测等检测方法的操作就比较复杂，所需的样品的数量也多，而且检测过程中需要标记。这也促使了生物技术进步，使高灵敏度、方便、快捷、免标记的检测方法不断出现，解决现在在检测技术上的缺陷。表面等离子体共振技术就具备上述优点，在检测方面成为研究的热点话题，不断更新。有研究人员将患有癌症的人的癌细胞与正常人的血清中白细胞的黏附因子进行比对分析，分别采用表面等离子体共振技术和酶联免疫吸附法两种方法分别进行测定比较[19]。经检测结果显示，两种方法所得的结果相同，但是在检测速度和效率上，酶联免疫吸附法却比表面等离子体共振技术较弱，并没有表面等离子体共振技术的高效快捷，许多学者也认为二者的作用可以相互互换，用生物传感器代替酶联免疫检测技术的测定。经过多年的研究结果显示，表面等离子体共振生物传感器可检测出人血清中的癌细胞的存在，说明可以作为临床上癌症患者诊断是否患癌症的手段。表面等离子体共振技术在研究老年人阿尔兹海默症的治疗中也有重要的作用，可通过对健康人和患有阿尔兹海默症患者的抗原和抗体结合的特点，为研究如何治疗老年痴呆症提供了条件。该技术的生物传感器还可用于新药筛选、检测药物残留等，检测靶向蛋白质的受体与配体的特异性结合的关系。利用该技术的生物传感器还可检测艾滋病病毒与其相应抗体之间的结合作用，为临床上治疗提供了科学的依据。表面等离子体共振技术与其他的技术相结合，可以更加快捷便利的区分出不同药物与蛋白质的结合情况。利用SPR生物传感器研究了杀鼠灵与人血白蛋白的结合、解离常数，该研究表明SPR生物传感器可以用于药物与病毒的相互作用研究[20]。表面等离子抗体共振生物传感器还可以检测药物残留，有研究显示相关的对动物尿液中的二甲嘧啶检测可说明这一问题[21]。表面等离子体共振传感器的发明创造对医药行业的发展起到了重大的推动作用，使得在临床研究和医药研究发展的过程中可以节省时间，节约成本，创造更大的奇迹。

3 结束语

表面等离子体共振技术在许多领域都取得了不少的成就，如在食品安全监测、药物残留检测、生命科学研究、环境检测、中医药发展领域等都取得了非凡的成就，也有不少惊人的成果研究。并且现在该技术在国际上也深受欢迎，成了研究热点。还要继续加大对该技术的研究与创新，使多技术联用解决现有的缺点。表面等离子体共振技术与传统的检测技术相比，高效快捷、方便、节约成本、灵敏度高，但是也存在缺点，例如作为新技术的仪器费用较高，检测芯片的制备较麻烦，注意事项较多，希望在不断研究创新的过程中能对这些不足之处进行改进。尽量将仪器微型化、优化数据处理系统、提高灵敏度、扩大检测范围，发展多技术联用、降低费用等。在现代技术的迅猛发展稳定时代，表面等离子体共振技术会被大面积应用在临床、医药、食品等各个方面的检测，会成为未来的新星。