技术简介
SPR(表面等离子共振)是一种基于光学原理的生物分子相互作用分析技术,能够实时、无标记地监测分子间的结合与解离过程。当分子结合到传感器芯片表面时,会引起折射率变化,通过检测这种变化可以精确测定分子间的结合动力学参数。
SPR技术广泛应用于药物筛选、抗体表征、蛋白质-蛋白质相互作用研究等领域,是药物研发和生物医学研究中的重要工具。通过SPR可以获得结合速率常数(ka)、解离速率常数(kd)和平衡解离常数(KD)等关键参数。
技术原理
SPR技术基于表面等离子共振现象:当偏振光以特定角度照射金属薄膜(通常为金膜)表面时,会激发金属表面的自由电子产生表面等离子波。当生物分子结合到芯片表面时,会引起折射率变化,导致共振角度发生偏移。通过实时监测这种角度变化,可以精确记录分子结合和解离的动力学过程,从而计算亲和力常数和动力学参数。
核心优势
实时监测
实时记录结合与解离过程,获取完整动力学曲线
无需标记
无需荧光或同位素标记,保持分子天然状态
高灵敏度
可检测低至pM级别的亲和力相互作用
高通量
支持多通道并行检测,适合化合物库筛选
定量分析
精确测定ka、kd和KD等动力学参数
多样本适用
适用于蛋白质、核酸、小分子等多种样本类型
技术对比
SPR与其他分子相互作用分析技术的比较:
| 对比维度 | SPR | BLI | MST |
|---|---|---|---|
| 检测原理 | 光学折射率变化 | 生物层干涉 | 微量热泳动 |
| 是否标记 | 无需标记 | 无需标记 | 无需标记 |
| 通量 | 高(多通道并行) | 高 | 中低 |
| 样品消耗 | 低(蛋白50 μg) | 低 | 极低 |
| 检测范围 | 亲和力范围广 | 亲和力范围广 | 亲和力范围中等 |
| 信息输出 | 动力学+亲和力 | 亲和力为主 | 亲和力 |
| 应用文献 | 最多,技术最成熟 | 较多 | 较多 |
| 自动化程度 | 高 | 高 | 较低 |
应用场景
药物筛选与优化
高通量筛选化合物库,优化先导化合物亲和力
抗体表征
测定抗体亲和力、表位分析和配体筛选
蛋白质相互作用研究
分析蛋白质-蛋白质、蛋白质-核酸相互作用
PROTAC三元复合物表征
验证PROTAC诱导的靶蛋白-E3连接酶三元复合物形成
小分子-靶点结合验证
确认小分子药物与靶蛋白的直接结合
竞争结合分析
评估化合物间的竞争或协同结合效应
研究案例
案例一:靶向KRAS G12D突变的新型抑制剂开发与SPR高通量筛选
研究背景与挑战
临床痛点:KRAS G12D是实体瘤中最常见的致癌KRAS突变亚型,在胰腺导管腺癌(PDAC)中尤为普遍,但在临床环境中仍然缺乏有效的靶向治疗药物。传统KRAS G12C抑制剂通过共价靶向获得性半胱氨酸起效,而G12D突变缺乏类似的亲核残基,导致共价抑制剂开发长期受阻。
SPR技术应用
研究团队采用表面等离子体共振(SPR)技术进行高通量化合物筛选与结合动力学表征:
• 亲和力筛选:将KRAS G12D蛋白固定在SPR芯片表面,对化合物文库进行系统性筛选,实时监测结合信号,快速锁定候选分子。
• 动力学表征:通过SPR测定候选化合物与KRAS G12D的结合和解离速率常数(ka/kd),计算平衡解离常数(KD),筛选出高亲和力抑制剂HRS-4642。
• 选择性评价:利用SPR评估HRS-4642对不同KRAS突变亚型的选择性,确认其对G12D的优先结合。SPR亲和力测定结果显示,HRS-4642与KRAS G12D的结合亲和力为0.083 nM。
主要研究发现
成功开发了非共价抑制剂HRS-4642,其SPR测定的结合亲和力高达0.083 nM,是目前报道的最高亲和力的非共价KRAS G12D抑制剂之一。1期临床试验显示积极抗肿瘤活性,为KRAS G12D突变患者提供了潜在治疗方案。
案例二:PROTAC三元复合物的SPR表征与靶向蛋白降解机制研究
研究背景与挑战
PROTAC(蛋白靶向嵌合体)是一种新型药物模式,通过同时结合靶蛋白和E3泛素连接酶,诱导靶蛋白降解。PROTAC分子的核心功能取决于其能否形成稳定的"靶蛋白-PROTAC-E3连接酶"三元复合物。然而,传统的亲和力测定方法难以直接表征三元复合物的形成过程和协同性,需建立可靠的生物物理检测方法。
SPR技术应用
研究团队利用表面等离子体共振(SPR)技术直接表征PROTAC诱导的三元复合物形成:
• 芯片固定:将生物素化的E3连接酶DCAF1固定在链霉亲和素(SA)传感器芯片上。
• 二元结合测定:分别注入PROTAC分子和靶蛋白WDR5,测定各自与DCAF1的二元结合亲和力(作为基线对照)。
• 三元复合物验证:以1:10的比例混合PROTAC与WDR5,注入芯片表面。在PROTAC和WDR5同时存在时,结合响应值(RU)显著增加,表明形成了DCAF1-PROTAC-WDR5三元复合物。
主要研究发现
通过SPR实验,研究团队直接证实了PROTAC分子能够介导DCAF1与WDR5之间形成稳定的三元复合物。PROTAC 4(OICR41114)诱导的三元复合物形成信号更强,且在细胞实验中表现出更优的WDR5降解效果。本研究为PROTAC分子的理性设计和优化提供了关键数据支持。