新一代平行分析的SPR生物传感器

摘要：基于表面等离子体共振的生物传感器是一种非标记的，实时生物分子相互作用检测工具。由于技术的限制，早先的SPR技术采用顺序分析的方式。现在，最新一代的SPR仪采用平行分析的方式，单次进样就可以测定1－6对相互作用的动力学。与传统技术相比，平行分析具有数据质量好、基线联动和通量高的优点。

表面等离子体共振（Surface Plasmon Resonance, SPR）技术研究生物分子以及和小分子药物之间的相互作用，具有非标记、实时检测和样品用量小的特点，因而在基础生命科学、医学研究和药物开发中应用越来越广泛[1]，几乎成为研究生物分子相互作用必不可少的一种方法。

基于SPR技术的生物传感器，只有大约20年的历史。根据美国Utah大学David Myszka教授的相关文献，我们可以将SPR生物传感器的发展划分成5代，其中最先进的一代传感器具有高通量和平行分析的特点[2]。美国Bio-Rad公司最新推出的一款ProteOn XPR36蛋白相互作用阵列系统，就是其中的优秀代表，本文将着重介绍它的技术特点以及给互做研究带来的提升。

与传统的SPR生物传感器一样，最新一代技术也是将一个分子固定在芯片上，叫做ligand，另一个分子在溶液中流过ligand，叫做analyte。所不同的是两者的工作方式。以Bio-Rad公司的ProteOn XPR36系统为例，它有一套非常独特的流动池，称之为MCM（Multi- Channel Module）。MCM上有6条平行的凹槽，它先以垂直方向扣在芯片表面上，就形成了垂直方向上的6条平行通道，用以标记ligand，如下图“Step 1”。随后MCM旋转90°后再芯片表面结合，就形成6条与原先交叉的通道，可以同时流过6个不同浓度的analyte，如下图“Step 2”。这样两组通道交叉形成36个互做位点，如下图“Step 3”所示，可以实现一次analyte注入就完成它和最多6个ligand结合的动力学常数（K_on、K_off）和解离平衡常数（K_D）的测定[3]，而无需反复再生ligand。这种分析方式就称之为平行分析。而此前的SPR传感器芯片上不管有多少位点，都只能一次让一个浓度的analyte溶液流过芯片，叫做顺序分析。

很多人会直观地认为，平行分析极大提高了通量。这固然不错，但除了一些药厂进行药物筛选以外，对于大多数实验室而言，平行分析的最大好处是方便了实验条件的摸索，提高了数据质量。传统的SPR传感器采用顺序分析，一次注入一个浓度的analyte，在两次注入之间，需要用酸、碱、高浓度盐等试剂把和ligand结合的analyte全部洗脱下来，叫做再生。再生条件的摸索经常是一件很困难的事，过于温和的试剂不能洗脱干净，强烈一些的试剂又很容易破坏ligand，从而使最终动力学数据与实际发生偏离，有时偏离还非常明显，相差可达100倍以上。

平行分析的另外一大好处是基线联动，使基线更平稳，信号更准确。对于通过捕获方式标记ligand或者存在明显非特异性反应的实验来讲，基线是不平的，而且每次再生后的基线漂移水平都不一样，很难通过一个固定的校准参数进行校准。而ProteOn系统采用的平行分析方式，可以在流过样品的同时，留出一个通道走缓冲液，观察基线漂移的情况，然后通过软件处理实时校准基线，就能得到基线平稳的、不含非特异性反应的信号。下图就是一个抗体筛选的例子。芯片上首先标记抗小鼠IgG，用来捕获培养上清中的单抗，然后流过抗原，测量单抗和抗原的结合力。因为单抗和抗原在结合的时候，单抗本身还在跟芯片上的IgG逐渐解离，使基线不断降低，而且降低的速率在不同的时间也不均匀；所以只有通过基线联动，才能知道什么时候基线在什么位置，如下左图，从而通过软件校准基线，如下右图。如果用传统的SPR传感器反复再生，就无法保证每次注入时的基线漂移完全一样，自然也就得不到准确的结果。

总之，新一代SPR生物传感器突破了传统的顺序分析模式，提高了数据质量，加快了分析速度，而且还可以降低使用成本。它把广大科研工作者从条件摸索的繁琐劳动中解放出来，从而得到了科研工作者的青睐。