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Method Article
* Diese Autoren haben gleichermaßen beigetragen
Die vorliegende Studie zielt darauf ab, das Prinzip und die Methodik der Oberflächenplasmonenresonanz (SPR)-Technologie aufzuklären, die vielseitige Anwendungen in mehreren Bereichen findet. Dieser Artikel beschreibt die SPR-Technologie, ihre einfache Bedienung und ihre bemerkenswerte Wirksamkeit, mit dem Ziel, ein breiteres Bewusstsein und eine breitere Akzeptanz dieser Technologie bei den Lesern zu fördern.
Die Oberflächenplasmonenresonanz (SPR)-Technologie ist eine empfindliche, präzise Methode zum Nachweis von Viren, pathogenen molekularen Proteinen und Rezeptoren, zur Bestimmung von Blutgruppen und zum Nachweis von Lebensmittelverfälschungen, neben anderen biomolekularen Nachweisen. Diese Technologie ermöglicht die schnelle Identifizierung potenzieller Bindungen zwischen Biomolekülen und ermöglicht ein schnelles und benutzerfreundliches, nicht-invasives Screening verschiedener Indikatoren, ohne dass eine Markierung erforderlich ist. Darüber hinaus erleichtert die SPR-Technologie die Echtzeit-Detektion für das Hochdurchsatz-Wirkstoffscreening. In diesem Programm werden das Anwendungsgebiet und die Grundprinzipien der SPR-Technologie kurz vorgestellt. Der Betriebsprozess wird detailliert beschrieben, beginnend mit der Instrumentenkalibrierung und dem grundlegenden Systembetrieb, gefolgt von der Ligandenerfassung und der Mehrzyklusanalyse des Analyten. Die Echtzeitkurve und experimentelle Ergebnisse der Bindung von Quercetin und Calycosin an das KCNJ2-Protein wurden ausgearbeitet. Insgesamt bietet die SPR-Technologie eine hochspezifische, einfache, empfindliche und schnelle Methode für das Wirkstoffscreening, den Echtzeitnachweis der damit verbundenen Pharmakokinetik, den Virusnachweis sowie die Identifizierung von Umwelt- und Lebensmittelsicherheit.
Die Oberflächenplasmonenresonanz (SPR)-Technologie ist eine optische Detektionstechnik, die eine Markierung des Analyten überflüssig macht. Es ermöglicht die Echtzeit- und dynamische Überwachung der quantitativen Bindungsaffinität, Kinetik und Thermodynamik. Diese hohe Durchsatzkapazität ist hochempfindlich und reproduzierbar und ermöglicht die Messung verschiedener Öffnungsraten, Ausweichraten und Affinitäten. Darüber hinaus erhöht die geringe erforderliche Probenmenge den Nutzen dieses Verfahrensweiter 1,2. Die biomolekulare Detektionsmethode3 mit schneller Reaktion, die die Affinitätsbindung zwischen Biomolekülen überwacht, hat sich zu einem prominenten Forschungsgebiet entwickelt.
Die SPR-Technologie hat verschiedene Anwendungen im Bereich der Arzneimittelforschung und -entwicklung4. Eine seiner Anwendungen besteht darin, die strukturellen Grundlagen spezifischer Wirkstoffziele zu entdecken. Es kann auch eingesetzt werden, um die Wirkstoffe chinesischer Kräuter zu identifizieren, die signifikante pharmakologische Aktivitäten besitzen, und ihre Mechanismen für das Wirkstoffscreening und die Verifizierung zu untersuchen. Gassner et al. haben eine lineare Dosis-Wirkungs-Kurve für bispezifische Antikörper durch SPR-Bestimmung erstellt, die eine Konzentrationsanalyse und Qualitätskontrolle ermöglicht5. Darüber hinaus kann SPR für die Durchführung klinischer Immunogenitätstests in der Pharmakopöe und in der Impfstoffentwicklung verwendet werden6.
Ein Bereich, in dem es eingesetzt werden kann, ist der Nachweis von Pestizidrückständen, Tierarzneimittelrückständen, illegalen Zusatzstoffen, pathogenen Bakterien und Schwermetallen 7,8,9,10 in landwirtschaftlichen Produkten und Lebensmittelsicherheitstests. Durch den Einsatz der SPR-Technologie können die Genauigkeit und Effizienz dieser Tests verbessert werden.
Ein weiterer Bereich, in dem die SPR-Technologie eingesetzt werden kann, ist der schnelle Nachweis von Toxinen und Antibiotika. Diese Technologie ermöglicht die Bindung von viralen Antikörpern, niedermolekularen Verbindungen und Aptameren an den SPR-Biosensorchip. Der SPR-Biosensor-Chip erkennt dann unterschiedliche Konzentrationen viraler RNA als Analyt11. Diese Methode wurde erfolgreich beim schnellen Nachweis von Viren wie H5N1, dem H7N9-Vogelgrippevirus und dem neuartigen Coronavirus 12,13,14 eingesetzt. Zusätzlich zu diesen Anwendungen ist die SPR-Technologie auch in der Proteomik, beim Wirkstoffscreening, beim Echtzeitnachweis der damit verbundenen Pharmakokinetik und bei der Untersuchung von Viren und pathogenen Proteinen und Rezeptoren nützlich 15,16,17,18. Es eignet sich besonders für wissenschaftliche Forschung und Lehrexperimente an Universitäten und Forschungsinstituten und ist ein wertvolles Werkzeug in verschiedenen Wissenschafts- und Forschungsumgebungen.
Das Prinzip der SPR ist die kollektive Schwingungsbewegung freier Elektronen an der Grenzfläche zwischen einer Metallschicht und einem Dielektrikum, die durch einfallende Lichtwellenhervorgerufen wird 19. Es ist im Wesentlichen die Resonanz zwischen der evaneszenten Welle und der Plasmawelle auf der Metalloberfläche20. Beim Übergang von einem photodichten Medium zu einem photophoben Medium tritt unter bestimmten Bedingungen eine Totalreflexion auf. Aus der Perspektive der Wellenoptik erzeugt das einfallende Licht, wenn es die Grenzfläche erreicht, nicht sofort reflektiertes Licht. Stattdessen durchdringt es das optisch phobische Medium zunächst in einer Tiefe von etwa einer Wellenlänge. Anschließend fließt es etwa eine halbe Wellenlänge entlang der Grenzfläche, bevor es wieder in das optisch dichte Medium zurückkehrt. Diese Welle, die das optisch phobische Medium durchdringt, wird als Ausweichwelle bezeichnet, solange die Gesamtenergie des Lichts konstant bleibt. Da Metall freies Elektronengas enthält, kann es als Plasma angesehen werden. Das einfallende Licht regt die Längsschwingung des Elektronengases an, was zur Erzeugung einer Ladungsdichtewelle entlang der Metall-Dielektrikum-Grenzfläche führt, die als Oberflächenplasmawelle bezeichnet wird. Diese Resonanz breitet sich in beiden Medien in Form einer exponentiellen Dämpfung aus. Dadurch wird die Energie des reflektierten Lichts deutlich reduziert. Der entsprechende Einfallswinkel, bei dem das reflektierte Licht vollständig verschwindet, wird als Resonanzwinkel21 bezeichnet. SPR ist sehr empfindlich gegenüber dem Brechungsindex des Mediums, das an der Metallfilmoberfläche20 haftet. Der SPR-Winkel variiert mit dem Brechungsindex der Metallfilmoberfläche, wobei die Brechungsindexänderung hauptsächlich proportional zur Molekülmasse der Metallfilmoberfläche22 ist. Jede Änderung der Eigenschaften des Oberflächenmediums oder des Ausmaßes der Adhäsion führt zu unterschiedlichen Resonanzwinkeln. So kann die molekulare Wechselwirkung analysiert werden, indem die Änderungen des Resonanzwinkels untersucht werden.
Diese zerstörungsfreie, markierungsfreie optische SPR-Analyse, die auf den oben genannten Prinzipien basiert, eignet sich für die Forschung in verschiedenen Bereichen. Daher haben wir die Winkelverschiebung der SPR-Kurve und experimentelle Ergebnisse durch Mehrzyklusanalyse am Beispiel der Kombination von Quercetin und Calycosin mit dem rekombinanten KCNJ2-Protein demonstriert.
HINWEIS: Die vollständige experimentelle Erfassungskurve zeigt, dass der experimentelle Prozess in acht verschiedene Stufen eingeteilt werden kann.
1. Proben- und Puffervorbereitung
2. Kalibrierung des Geräts
3. Grundlegende Systembedienung
4. Liganden-Erfassung
5. Mehrzyklen-Analyt-Methode
6. Regeneration
7. Datenanalyse
8. Wartung des Systems
Um zu bestimmen, ob das Protein auf der Chipoberfläche fixiert ist, wird die Ordinate (Antwortsignal) der SPR-Sensorkarte (Abbildung 1) verwendet, während die Winkelverschiebung der SPR-Kurve erhalten wird. Abbildung 2 und Abbildung 3 zeigen die SPR-Kurve der Wechselwirkung zwischen Quercetin und Calycosin mit dem rekombinanten KCNJ2-Protein auf der immobilisierten Oberfläche des rekombinanten KC...
Der SPR-Analysezyklus ist in vier Stufen unterteilt. Die erste Phase, die Baseline, beinhaltet die Injektion des Puffers. Darauf folgt die zweite Phase, die Ligandenerfassung. Der Sensorchip COOH wird mit EDC/NHS (1:1) bei einer Durchflussrate von 20 μL/min aktiviert. Anschließend wird der Chip mit 1 M Ethanolaminhydrochlorid-NaOH bei einer Durchflussrate von 20 μL/min deaktiviert. Weiter geht es mit der dritten Stufe, der Mehrzyklus-Analytmethode. Der Analyt wird mit einer Flussrate ...
Die Autoren haben nichts offenzulegen.
Diese Arbeit wurde durch das Sichuan Provincial Major R&D Project (2022YFS043), das Key Research and Development Program von Ningxia (2023BEG02012) und das Xinglin Scholar Research Promotion Project der Chengdu University of TCM (XKTD2022013) unterstützt.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
1-Ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl) carbodiimide hydrochloride (EDC) | Nan Jing Reagent,Nanjing,China | C08296594 | |
Anhydrous ethanol | Merck Chemical Technologies Ltd., Shanghai, China | 459836 | |
BIAnormalizing solution | Merck Chemical Technologies Ltd., Shanghai, China | 49781 | |
Blocking solution | Bosheng Biotechnology Co.,Ltd., Shanghai, China | 110050 | |
Bromoacetic acid | Merck Chemical Technologies Ltd., Shanghai, China | 17000 | |
Calycosin | Push Bio-technology Co., Ltd., Chengdu, China | PU0124-0025 | |
Dextran | Canspec Scientific Instruments Co., Ltd.,Shanghai, China | PM10036 | |
Epichlorohydrin | Merck Chemical Technologies Ltd., Shanghai, China | 492515 | |
Ethanolamine hydrochloride | Yuanye Biotech Co., Ltd., Shanghai, China | S44235 | |
Glycine-HCl | Merck Chemical Technologies Ltd., Shanghai, China | G2879 | |
H2O2 | Merck Chemical Technologies Ltd., Shanghai, China | 3587191 | |
H2SO4 | Nantong high-tech Industrial Development Zone,China | 2020001150C | |
HEPES | Xiya Reagent Co., Ltd., Shandong, China | S3872 | |
KCNJ2 (Human) Recombinant Protein | Abnova,West Meijie Technology Co., Ltd., Beijing, China | H00003759-Q01 | |
MUOH | Jizhi Biochemical Technology Co., Ltd., Shanghai, China | M40590 | |
NaOH | Merck Chemical Technologies Ltd., Shanghai, China | SX0603 | |
N-Hydroxysuccinimide(NHS) | Yuanye Biotech Co., Ltd., Shanghai, China | S13005 | |
OpenSPRTM | Nicoya | ||
Quercetin | Push Bio-technology Co., Ltd., Chengdu, China | PU0041-0025 | |
Sensor Chip COOH | Nicoya | ||
Sodium Acetate | Merck Chemical Technologies Ltd., Shanghai, China | 229873 |
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