表面等离子共振的原理及在生物医学中的应用

表面等离子共振的原理及在生物医学中的应用
精神卫生研究所张瀚迪学号：10281335
摘要：表面等离子共振技术是近年来迅速发展起来的用于分析生物分子相互作用的一项技术，它利用全反射时入射光可以和金属表面的等离子发生共振的原理，探测生物分子之间是否发生作用以及反应的动力学参数。

该技术目前已广泛应用于免疫学、蛋白质组学、药物筛选、蛋白质与核酸相互作用等各个领域，并获得了许多用其它方法无法得到的动力学数据。

导言：表面等离子共振技术是一项用于分析生物大分子之间的相互作用的技术，它可以定性的判断两分子之间是否有相互作用，比较一种分子与其他几种分子之间相互作用的强弱，也可以实时定量的测定分子间相互作用的亲和力参数（平衡常数）和动力学参数（速率常数），甚至热力学参数（反应的焓）。

该技术是利用了物理光学的原理（下文详述），在研究两分子相互作用时，将一种分子固定在传感片表面，而另一种分子的溶液流过其表面，两种分子的结合会使传感片表面的折射率改变，因此检测两分子间的相互作用。

1983年，瑞典LINKOPING理工学院应用物理实验室Liedberg等人首先把它用于IgG与其抗原相互作用的检测[1]，并由BIAcore公司开发出SPR传感器。

此后SPR传感器的研究与改进迅速发展，其在生物医学中的应用也日益广泛。

表面等离子共振技术的基本物理光学原理：如果光波从光密介质（折射率大）射向光疏介质（折射率小），比如由玻璃射向空气，且入射角大于临界角时，没有折射光产生，入射光全部反射回去，这一现象称为全反射。

全反射时光波在两介质分界面的行为是什么样的呢？深入研究指出，全反射时光波将透入第二介质（光疏介质）很薄的一层表面（深度约为光波的波长），并沿界面流动约半个波长再返回第一介质（光密介质）。

透入第二介质的光波称为倏逝波。

如Fig 1 所示。

倏逝波是一个沿x方向传播的振幅在z方向（垂直于两介质界面的方向）按指数衰减的波。

倏逝波最后仍返回第一介质，总的来说光的能量没有进入第二介质。

在两介质的界面镀上一层很薄的金属薄膜，薄膜厚度在倏逝
波进入第二介质深度之内。

当一束单频线偏振光以大于全反射临界角的某一角度入射时，如果其频率与金属表面振荡的自由电子（即等离子）频率一致，则金属表面的等离子就吸收入射光的能量发生共振，这一现象就是表面等离子共振（surface plasmon resonance, SPR），此时的入射角称为共振角。

激发表面等离子共振的实质在于光波以倏逝波的形式将能量转移成表面等离子共振波，这时，反射光的强度和相位均发生剧烈变化[2]。

如Fig 2所示。

Fig 2. 入射光（incident light）以入射角θ照SPR 传感器的工作原理：根据这一原理研制了SPR传感器，其工作原理如Fig3 所示。

根Fig 3 典型的SPR装置图。

被分析物——“配体”溶液流过固定有‘受体’的传感片表面，若发生作用而相互结合则会引起表面物质质量改变，而折射率与质在生物医学研究中适合应用SPR技术的工作有以下几方面：1、鉴定
大分子射到玻璃（glass）与空气（air）的界面，发生全反射，并产生倏势波（evanescent wave）.玻璃表面镀了一层很薄的金，由于入射光与金膜的表面等离子（振荡的表面自由电子）的频率相匹配，因此发生共振，入射光能量被吸收，反射光能量降低，出现一吸收峰。

根据这一原理研制了SPR传感器，其工作原理如Fig3 所示。

根据检测原理，共振角的变化就反应了结合在传感片表面的物质质量的变化。

因此通过分析共振角，我们就可以分析分子之间的相互作用了。

在SPR中，共振角的单位规定为RU，即反应单位或共振单位，1RU=10-4度，根据测量的经验显示，当有1ng/mm2的蛋白质连接到表面时，约导致共振角增大1000RU。

由于将分子直接固定到金膜表面很难达到有效的密度使检测信号足够强，因此发展了一种方法，即先在金表面铺一层100-200nm厚的葡聚糖基质，再将，两种反应分子中的一种作为“受体”固定在其表面，这样大大提高了“受体”的密度，但也带来一些不足，本文不详细讨论。

Fig 3 典型的SPR装置图。

被分析物——“配体”溶液流过固定有‘受体’的传感片表面，若发生作用而相互结合则会引起表面物质质量改变，而折射率与质量成正比，所以折射率改变，欲保证SPR发生，共振角也得随折射率改变，改变大小与结合的“配体”质量成正比。

反射光中的阴影表示有能量丢失，SPR仪器可以检测到这一变化，并给出传感图。

左图为共振角大小随传感片表面的分子质量改变而从Ⅰ移到Ⅱ；右图为实时监测共振角的变化，随时间延长，结合在表面的“配体”-“受体”复合物增多，共振角也随之增大。

在生物医学研究中适合应用SPR技术的工作有以下几方面：1、鉴定大分子：：许多实验室需要生产重组蛋白，很重要的
一项工作是确定重组蛋白与作为模本的原始蛋白结构保
持一致，这可以通过验证模本蛋白与原始蛋白的配体是否
能够结合来2、平衡反应的测量（测定反应亲和力与焓）确
定（酶蛋白除外）。

配体可以是天然配体，也可以是单克
隆抗体。

SPR仪器正适合这项工作。

2、平衡反应的测量（测定反应亲和力与焓）确定（酶蛋白除
外）。

配体可以是天然配体，也可以是单克隆抗体。

SPR
仪器正适合这项工作。

[3]（如Fig 4）亲和力通常用结
合常数（KA）或解离常数（KD）表示，多数人喜欢用KD。

测定亲和力需要准备一系列浓度的被测物，通过实时分析
所得的数据，可以计算得到反应的结合常数或解离常数。

焓的测定：SPR测定亲和力具有很高的可信度。

根据这一
点以及某些SPR仪器可以精确控制温度的特点，我们可
以根据van’t Hoff analysis 规则计算反应的焓。

3、动力学参数测量[3]
由于SPR仪器可以实时获得数据，因此可以分析反应动
力学。

然而，由于仪器本身的原因动力学分析受到一定的限制。

粗略来说，由于样品输送量的限制，SPR仪器难于准确测定较高的结合速率常数Kon(当Kon>106M-1s-1时)，而由于其它原因解离速率常数Koff（当K <10-5s-1 或K >1s-1 时）不能准确测得。

Fig 4. SPR传感器的一次典型的分析过程。

“配体”固定在传感片表面（经适当的化合物修饰的金薄膜表面），在0秒时，缓冲液流入微流小室与传感片接触。

在100秒时，“受体”溶液流入，“受体”—“配体”结合，传感片表面分子质量增加，使介质折射率升高，导致共振角增加。

反应达到平衡时，结合与解离速率相等，共振角升高的程度与“受体”的浓度正相关。

若制备几组已知浓度的“受体”，进行该分析过程，则可计算得到平衡常数（Ka）。

在320 秒时，停止注入受体，流入缓冲液，“受体”—“配体”解离。

Association 称为连接相，Dissociation 称为解离相，分析两相数据，可以得到结合速率常数（Kon）和解离速率常数（Koff）。

平衡常数也可以由速率常数计算得到（Ka= Koff / Kon）。

在380秒时，加入NaOH洗去“表面分子”，使得传感片再生，然后在注入“配体”，进行新的一轮分析。

SPR传感器在生物医学研究中的应用：如今，SPR技术已被广泛地用于研究蛋白质-蛋白质、核酸-蛋白质、核酸-核酸以及药物-蛋白质之间相互作用的反应动力学、亲和力，还有其他一些检测生物分子相互作用的技术，比如酶联免疫标记（ELISA）、平衡透析（equilibrium dialysis）、亲和层析（affinity chromatography）等，与这些技术相比较，SPR主要有两大优点：1、实时监测生物分子的相互作用。

2、不需要作标记。

自1983 年SPR 被首次应用与抗原-抗体的检测后，SPR应用领域逐渐扩大。

主要有免疫学、蛋白质相互作用（信号转导、肽库和抗体库筛选、分析蛋白质的突变等）、蛋白质- 核酸相互作用（修复、转录等），还有药物-蛋白质作用（药物筛选等）。

在免疫学中，SPR技术可以识别抗原的种类，获得抗原-抗体结合的动力学常数与亲和力常数。

T 淋巴细胞的激活是由T 细胞受体（TCR）与MHC 分子和抗原递呈细胞递呈的抗原（Ag）组成的复合物相互作用而启动的。

Margulies[4]等用该
方法研究了MHC 与Ag，TCR与MHC/Ag，TCR 与超抗原相互作用的动力学常数，结果发现MHC-抗原与TCR 相互作用的亲和力低、半衰期短，超抗原与TCR 比它略高，说明短暂而低亲和力的相互作用即可激活T淋巴细胞。

在蛋白质研究中，目前采用二维电泳来分离复杂的蛋白质并采用质谱法鉴定蛋白质，这些研究获得了丰富的数据，同时也给进一步研究蛋白质结构和功能的关系提出了许多问题。

要解决这些问题需要有能研究生物分子识别及相互作用的高特异性方法，SPR 技术正逐渐成为解决这一问题的主要手段。

apolipophorinⅢ是无脊椎动物血淋巴中的一种载脂蛋白，它有重要的运输功能，而且与脊椎动物的载脂蛋白有很大相似性，因此它与脂的相互作用很受关注。

Soulages 等通过SPR技术发现了这种蛋白质与类脂反应需要两个步骤，即两步反应机理。

在信号转导研究中，Schuster SC[6] 运用SPR技术研究了E.coli 中控制趋向性的信号通路中一个复合物，通过分析相互作用发现了一种以前没有认识到的蛋白激酶与底物的相互作用。

Bartly[7]等进行了一项快速鉴定、筛选未知受体和配体的比较有代表性的工作，他们在用配体垂钓方法筛选和确定了孤儿受体的未知配体时，将ECK 受体偶连与传感片上，然后用不同细胞株的上清液通过传感片表面，以测定培养液中有无生物分子能和ECK 受体结合。

一旦得到阳性结果，再进一步纯化该上
清液，最后得到足够的ECK 配体用于分析，确定此配体是B61。

由于使用SPR技术可以直接从粗提液中将欲被分析的蛋白质连接到传感片上，因此很方便用来分析蛋白的位点突变。

在研究CD22 分子的唾液酸识别位点的结构中，将侯选domains 中的某些残基突变，使用SPR技术测定突变后的亲和力等参数，确定连接位点的基序。

目前对蛋白质识别的特异结构的认识主要来自具有高亲和力的作用，如抗体、激素受体、蛋白酶等，而对亲和力较低的作用则研究很少，如细胞黏附与识别。

采用SPR技术研究了具有弱相互作用的鼠的CD2分子的识别位点，证实了CD2的识别位点的结构特性决定了其所具有的低亲和力和高特异性[9]。

SPR技术在肽库和抗体库的筛选上具有很大的优越性。

不仅可以给出结合与否的信息，还可以给出动力学数据进行结合力大小的比较，结合物还可以回收进行下一步研究。

Schie[10.11]等在利用抗体库筛选抗肿瘤抗体时使用了SPR技术，他们测定了利用ELISA 筛选得到的阳性克隆与特定抗原的亲和力，SPR 法比传统方法节省了时间，减轻了工作量。

在DNA 与蛋白质的相互作用的研究中，特别是反应动力学一直没有简捷的方法。

目前采用SPR技术，将含目的基因的DNA 片段偶连与传感片表面上，使不同浓度的蛋白流过传感片
表面，从SPR谱就可以计算出反应动力学常数和结合亲和力。

Galio[12]等研究了转录因子huGATA-3 和HIV-1 长末端三个GATA 调节元件之间的相互作用，并检测出了它们之间相对亲和力的大小，并且首次实时分析了原始的在核提取液中的转录因子的连接作用。

SPR技术的另一个热点是药物筛选。

在反义核酸与基因药物开发方面，肽核酸（PNA）正引起越来越广泛的关注。

Jense 等测定了PNA 与DNA 和RNA 的作用，结果显示PNA-RNA 复合物的稳定性比PNA-DNA 高。

多肽T22 具有和AZT 相似的很强的抗HIV 的活性，但其作用机制一直不知。

Hirokazu Tamamura[14]等使用SPR技术证实T22通过同时连接到T 细胞的CD4 分子和HIV 的gp120 分子，抑制病毒与细胞的融合过程而起到抗病毒的作用。

总之，SPR技术在生命科学领域的应用十分广泛，它为分析生物大分子之间的特异相互作用提供了一把钥匙，使得实时、免标记、动态分析生物分子的相互作用成为可能，为我们探索生命的奥秘又开辟了一条途径。

参考文献
1. B Liedberg, et al. Surface Plasmon Resonance for Gas Detection and Biosensing Sensors. Actuators B,1983, 4:299~304
2. 蔡强李翔等基于表面等离子共振的生物传感器的历史、现状与前景国外医学生物医学工程分册1999 vol22（2）：65-71。

3. R Karlsson er al. Kinetic analysis of monoclonal antibody-antigen interactions with a new biosensor based analytical system. J Immunol Methods 145(1991):229-240.
4. D H Margulies, Studying Interactions Involving the T-cell Antigen Receptor by Surface Plasmon Resonance. Cur. Opinion Immunol. 1996,8(2):262-270
5. J L Soulages, et al. Low concentration of diacylglycenrol promote the binding of apolipophorin to a phospholid bilayer a surface plasmon resonance study. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 1995, 92(12):5650~5654
6. Schuster SC, et al. Assembly and function of a quaternary signal transduction complex monitored by surface plasmon resonance. Nature. 1993; 365(6444): 343~347
7. Bartly, et al. B61 is a ligand for the ECK receptor protein-tyrosine kinase. Nature. 1994; 368(6466-6474): 558
8. Localization of the putative sialic acid-binding site on the immunoglobulin superfamily cell-surface molecule CD22. J. Bio. Chem. 271, 9273
9. Simon J. Davis, et al. The role of charged residues mediating low affinity protein-protein recognition at the cell surface by CD22. Proc. Natl. Acad. Sci. USA., 1998, 95: 5490~5494
10. R Schler, et al. Isolation of High-affinity Monomeric Human Anti-C-erbB-2 Single Chain Fv Using Affinity-driven Selection. J Mol Biol. 1996, 255(1-5):28~34
11. R Schler, et al. Isolation of Picomolar Affinity
Anti-C-erbB-2 Single Chain Fv by Molecular Evolution of the Complementarity Determining Regions in the Center of the Antibody Binding Site. J. Mol. Biol. 1996,
12. L Galio, et al. Analysis of Interactions Between huGAGA-3 Transcription Factor and Three GAGA
13. K K Jensen, et al. Kinetics for Hybridization Peptide Nucleic Acids(PNA) with DNA Studied with the BIAcore Technique. Biochem. 1997,36(16): 5072~5078
14. Surface Plasmon Resonance. Biochinica et biophysica Acta 1298(1996) 37-44。