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SPR Microscopy技术及细胞原位分子互作动态分析系统SPRm200介绍

表面等离子体共振 (SPR) 是一种广泛使用的无标记互作检测技术,用于研究生物分子的结合行为。自 20 世纪 90 年代商业化 [1] 以来,SPR 在技术开发和应用方面都取得了巨大进步。它已成为生物医学研究、生物传感器开发和药物发现的核心工具。在过去十年中,SPR 还与其他技术结合联用,例如电化学 (EC-SPR) [2]、液相色谱 (HPLC) 和质谱 (SPR-MS) [3],并已用于气相痕量检测(SPR-气相检测)。近年来最重要的发展之一是 SPR Microscopy (SPRM),这是一种将高分辨率光学显微镜与表面等离子共振相结合的技术。SPRM 兼具两种技术的优势,可直接对样品进行空间可视化定位分析,并实时测量结合亲和力和动力学。利用传统的(基于通道的)SPR技术,研究细胞膜蛋白与候选药物或其他配体的结合一直具有挑战性,因为从细胞中提取蛋白并将纯化的蛋白固定在 SPR 传感器上不仅耗时费力,而且改变了蛋白质的天然微环境。SPRM 通过将细胞直接固定在 SPR 传感器上,从而保持了蛋白质的天然状态,显著改善了此类测量的结果 [4]。此外,还可以确定和绘制每个细胞中膜蛋白的分布和局部结合活性。

在本技术说明中,着重介绍 SPRM 技术及其与传统 SPR 技术的比较。

1 传统(基于通道)SPR

基于流体通道的SPR检测模式是最常见的分子结合研究方法(图 1)。传感器顶部安装有多个通道的微流控模块,样品通过泵系统传输送到每个通道。配体分子被固定在每个通道的传感区域上,随后分析物分子被传输到每个通道中与特定配体结合。对每个通道的传感区域(紫色区域)的数据进行平均,以产生 SPR 传感图(如图 1 右侧所示)。每个通道在一次测量循环中都会生成一个传感图(或表面再生后的多个传感图),结合亲和力和动力学参数可从这些传感图中分析得出。

SPR Microscopy技术及细胞原位分子互作动态分析系统SPRm200介绍

图 1 传统(基于通道)SPR模式

2 SPRM(高分辨率显微镜)

SPRM 是一种基于高分辨率成像的 SPR 模式。它提供明场光学图像和传感区域的 SPR 数据(亲和力和动力学常数)(图 2)。SPRM(例如 SPRm200)在图像的每个像素处生成一个 SPR 传感图,提供任何给定传感区域上结合事件的空间映射,并提供比传统 SPR 模式更多的信息。SPRM 不仅可用于传统的 SPR 结合分析测量,还可用于细胞对候选药物反应的异质性研究。由于其高空间分辨率(~ 1 µm),它可以监测和测量病毒、细菌的结合事件,而这些无法通过传统 SPR 模式直接测量。SPRM 在测量药物与天然状态下的膜蛋白相互作用方面尤其有效,因为蛋白质分子位于活细胞膜内。

SPR Microscopy技术及细胞原位分子互作动态分析系统SPRm200介绍

图 2 基于高分辨率成像的SPR模式

 

细胞在传感器表面孵育或固定,分析物或药物分子被传输到传感区域。图 3 显示了传感器上药物分子与细胞之间相互作用的示例。实时 SPR 图像 (3B,蓝色图像) 表示细胞受体与药物分子的相互作用或结合反应 (粉红色区域)。通过明场图像 (3A,绿色图像) 选择感兴趣的区域,生成传感图 (3C) 并分析得出结合信息。当选择许多不同的细胞区域时,可以用具有统计意义的数据确定细胞和细胞膜的异质性。

SPR Microscopy技术及细胞原位分子互作动态分析系统SPRm200介绍

图 3 SPRM 同时提供明场图像 (A) 和 SPR 图像 (B)。结合参数由传感图 (C) 得出

 

总之,SPRM 提供了一种独特的功能来可视化细胞膜的结合活性。与传统的基于通道的 SPR 模式相比,SPRM 还具有额外的优势,即可以通过空间映射细胞膜蛋白天然状态下的结合亲和力和动力学,从而提供更多生物学相关信息。由于其高空间分辨率,SPRM 可用于监测其他表面发生过程,例如标记有生物分子的纳米颗粒的结合或纳米颗粒包被药物的递送。

3 SPRM与SPR要点比较

 

_

SPR

SPRM(SPRm200)

检测技术

SPR

SPR显微镜、光学成像

传感器区域

平均通道面积

每个像素

样品递送

基于通道的微流控传输

微流控传输

样品类型

药物分子

蛋白质

脂质

DNA

药物分子

蛋白质

脂质

DNA

细胞

病毒

细菌

纳米粒子

数据类型

每个通道的传感图曲线

每个像素的传感图曲线

明场光学图像与实时SPR图像

实际测量

亲和力

动力学常数

亲和力

动力学常数

细胞响应的异质性研究

纳米颗粒活性

明场图像

4 SPRM 200介绍

SPRM 200是美国BI公司细胞原位分子互作动态分析系统


应用

小分子药物或抗体药物与细胞膜蛋白(受体、离子通道等)原位结合分析;抗体药物与单细胞或多细胞的结合筛选;细胞结合统计学分布分析,开展细胞异质性研究;细菌或病毒与抗性药物的相互作用;其他分子与细胞/活细胞层面原位相互作用研究。

功能

亲和力测定;动力学分析;同步于SPR测量的光学成像;药物对多细胞或单细胞作用的研究;细菌或病毒与抗性药物相互作用的纳米级观察。

特点无标记

  • 实时定量

  • 细胞膜蛋白原位分析

  • 细胞膜上指定区域分析

  • 细胞或细胞膜异质性研究

  • 电化学联合分析

参考文献

1. Liedberg, B et al, Biosens. Bioelectron. 10, i-ix, 1995

2. Patskovsky, S et al, Analyst, 139, 596-602, 2014

3. Nedelkov, D and Nelson, R, Trends in Biotechnology, 21, 7, 301-305, 2004

4. Wang, W et al, Nature Chemistry, 3, 249-255, 2011


来源于:普瑞麦迪(北京)实验室技术有限公司

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表面等离子体共振 (SPR) 是一种广泛使用的无标记互作检测技术,用于研究生物分子的结合行为。自 20 世纪 90 年代商业化 [1] 以来,SPR 在技术开发和应用方面都取得了巨大进步。它已成为生物医学研究、生物传感器开发和药物发现的核心工具。在过去十年中,SPR 还与其他技术结合联用,例如电化学 (EC-SPR) [2]、液相色谱 (HPLC) 和质谱 (SPR-MS) [3],并已用于气相痕量检测(SPR-气相检测)。近年来最重要的发展之一是 SPR Microscopy (SPRM),这是一种将高分辨率光学显微镜与表面等离子共振相结合的技术。SPRM 兼具两种技术的优势,可直接对样品进行空间可视化定位分析,并实时测量结合亲和力和动力学。利用传统的(基于通道的)SPR技术,研究细胞膜蛋白与候选药物或其他配体的结合一直具有挑战性,因为从细胞中提取蛋白并将纯化的蛋白固定在 SPR 传感器上不仅耗时费力,而且改变了蛋白质的天然微环境。SPRM 通过将细胞直接固定在 SPR 传感器上,从而保持了蛋白质的天然状态,显著改善了此类测量的结果 [4]。此外,还可以确定和绘制每个细胞中膜蛋白的分布和局部结合活性。

在本技术说明中,着重介绍 SPRM 技术及其与传统 SPR 技术的比较。

1 传统(基于通道)SPR

基于流体通道的SPR检测模式是最常见的分子结合研究方法(图 1)。传感器顶部安装有多个通道的微流控模块,样品通过泵系统传输送到每个通道。配体分子被固定在每个通道的传感区域上,随后分析物分子被传输到每个通道中与特定配体结合。对每个通道的传感区域(紫色区域)的数据进行平均,以产生 SPR 传感图(如图 1 右侧所示)。每个通道在一次测量循环中都会生成一个传感图(或表面再生后的多个传感图),结合亲和力和动力学参数可从这些传感图中分析得出。

SPR Microscopy技术及细胞原位分子互作动态分析系统SPRm200介绍

图 1 传统(基于通道)SPR模式

2 SPRM(高分辨率显微镜)

SPRM 是一种基于高分辨率成像的 SPR 模式。它提供明场光学图像和传感区域的 SPR 数据(亲和力和动力学常数)(图 2)。SPRM(例如 SPRm200)在图像的每个像素处生成一个 SPR 传感图,提供任何给定传感区域上结合事件的空间映射,并提供比传统 SPR 模式更多的信息。SPRM 不仅可用于传统的 SPR 结合分析测量,还可用于细胞对候选药物反应的异质性研究。由于其高空间分辨率(~ 1 µm),它可以监测和测量病毒、细菌的结合事件,而这些无法通过传统 SPR 模式直接测量。SPRM 在测量药物与天然状态下的膜蛋白相互作用方面尤其有效,因为蛋白质分子位于活细胞膜内。

SPR Microscopy技术及细胞原位分子互作动态分析系统SPRm200介绍

图 2 基于高分辨率成像的SPR模式

 

细胞在传感器表面孵育或固定,分析物或药物分子被传输到传感区域。图 3 显示了传感器上药物分子与细胞之间相互作用的示例。实时 SPR 图像 (3B,蓝色图像) 表示细胞受体与药物分子的相互作用或结合反应 (粉红色区域)。通过明场图像 (3A,绿色图像) 选择感兴趣的区域,生成传感图 (3C) 并分析得出结合信息。当选择许多不同的细胞区域时,可以用具有统计意义的数据确定细胞和细胞膜的异质性。

SPR Microscopy技术及细胞原位分子互作动态分析系统SPRm200介绍

图 3 SPRM 同时提供明场图像 (A) 和 SPR 图像 (B)。结合参数由传感图 (C) 得出

 

总之,SPRM 提供了一种独特的功能来可视化细胞膜的结合活性。与传统的基于通道的 SPR 模式相比,SPRM 还具有额外的优势,即可以通过空间映射细胞膜蛋白天然状态下的结合亲和力和动力学,从而提供更多生物学相关信息。由于其高空间分辨率,SPRM 可用于监测其他表面发生过程,例如标记有生物分子的纳米颗粒的结合或纳米颗粒包被药物的递送。

3 SPRM与SPR要点比较

 

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SPR

SPRM(SPRm200)

检测技术

SPR

SPR显微镜、光学成像

传感器区域

平均通道面积

每个像素

样品递送

基于通道的微流控传输

微流控传输

样品类型

药物分子

蛋白质

脂质

DNA

药物分子

蛋白质

脂质

DNA

细胞

病毒

细菌

纳米粒子

数据类型

每个通道的传感图曲线

每个像素的传感图曲线

明场光学图像与实时SPR图像

实际测量

亲和力

动力学常数

亲和力

动力学常数

细胞响应的异质性研究

纳米颗粒活性

明场图像

4 SPRM 200介绍

SPRM 200是美国BI公司细胞原位分子互作动态分析系统


应用

小分子药物或抗体药物与细胞膜蛋白(受体、离子通道等)原位结合分析;抗体药物与单细胞或多细胞的结合筛选;细胞结合统计学分布分析,开展细胞异质性研究;细菌或病毒与抗性药物的相互作用;其他分子与细胞/活细胞层面原位相互作用研究。

功能

亲和力测定;动力学分析;同步于SPR测量的光学成像;药物对多细胞或单细胞作用的研究;细菌或病毒与抗性药物相互作用的纳米级观察。

特点无标记

  • 实时定量

  • 细胞膜蛋白原位分析

  • 细胞膜上指定区域分析

  • 细胞或细胞膜异质性研究

  • 电化学联合分析

参考文献

1. Liedberg, B et al, Biosens. Bioelectron. 10, i-ix, 1995

2. Patskovsky, S et al, Analyst, 139, 596-602, 2014

3. Nedelkov, D and Nelson, R, Trends in Biotechnology, 21, 7, 301-305, 2004

4. Wang, W et al, Nature Chemistry, 3, 249-255, 2011