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sam5系列表面声波互作仪在肿瘤标志物筛查方面的应用[创新技巧]

【字体: 时间:2012年02月02日 来源:基因快讯

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  德国saw instruments公司出品的新一代的实时免标记生物传感器sam5,采用了**的表面声波检测技术,无需标记即可实时检测分子之间的相互作用以及分子构象的变化,可对肿瘤标志物进行灵敏、高效、快速、方便的筛查,现已广泛应用于检测肿瘤标志物的研究中。

肿瘤作为一类严重危害人们生命健康的恶性疾病,其早期诊断与治疗,对其预后具有十分重要的意义,对其复发与预后的监控是提高肿瘤患者生存率的一个重要方面。

肿瘤标志物(Tumor Marker, TM)这一名词是1978年Herberman在美国国立癌症研究所召开的人类肿瘤免疫诊断会上提出的。肿瘤标志物作为现在临床中诊断肿瘤的一项重要指标,已被广泛应用于临床。肿瘤标志物(TM)是存在于肿瘤细胞内或肿瘤细胞表面及脱落的物质,或宿主对于体内肿瘤反应的产物。其存在于细胞浆、胞核中、或细胞膜表面,也见于血液、其他体液或组织中。其对肿瘤的早期筛查、出现肿瘤症状或可疑肿物后的鉴别诊断、检测肿瘤的发生生长、侵袭、转移、疗效观察、监测复发及预后评价具有一定价值。

对肿瘤标志物的筛查检测方法很多,而免疫传感器分析法因其灵敏、特异、简便、快速且可精确定量和实时检测的替代新方法在临床实验诊断中具有重要的实用价值,在肿瘤标志物的免疫检测中受到人们的普遍关注。

目前市面上,有很多免疫传感器采用不同技术用于肿瘤标志物的筛查,其中以表面声波(Surface Acoustic Wave,SAW)发展*快。表面声波是用电场激励压电基片而使之振动,基片振动激励了周围介质粒子的振动,由此产生的弹性波就是SAW。SAW是机械波(声波)而不是电磁波,它的传播速度大大低于电磁波的传播速度(光速)。但它是由无线电波激励产生的机械波,因此频率和无线电波一致。又因它是沿着压电晶体表面传播的,所以称为表面声波。同时,随着检测试剂与检测仪器的不断进步,表面声波技术研究也在不断深入发展,作为检测肿瘤标志物的一种重要方法,将为肿瘤的早期诊断以及愈后的监测发挥更重要的作用。

德国saw instruments公司出品的新一代的实时免标记生物传感器sam5,采用了**的表面声波检测技术,无需标记即可实时检测分子之间的相互作用以及分子构象的变化,可对肿瘤标志物进行灵敏、高效、快速、方便的筛查,现已广泛应用于检测肿瘤标志物的研究中。表面声波检测技术(SAW)不仅具有可同表面等离子共振技术(surface plasmon resonance,SPR)相媲美的检测灵敏度,其机理为物理吸附和解吸作用引起薄膜质量和弹性常数发生变化,所以其不受以光学方法为基础的检测技术(如SPR)的局限性限制——目前在分子相互作用分析领域应用*广且*成功的莫过于表面等离子共振(SPR)技术,但由于该技术基于光学检测原理,因此,当样品被溶解在有色溶液、高黏稠度溶液、高盐溶液、或者高浓度DMSO中时,由于光学检测的特性,检测结果会受到较大干扰。而表面声波是研究抗体同完整细胞表面膜蛋白(如肿瘤标志物抗原)结合状况以及溶解在高盐、高黏稠度液体、高浓度DMSO中的候选小分子的理想工具。

德国康斯坦茨大学的Michael Przybylski 教授说:“在研究生物分子相互作用领域,表面声波技术正在变的越来越流行,主要是因为其在较稀溶液中具有较高的检测灵敏度以及带给我们很多启发的实验结果,这项令人激动的新技术必将得到非常广泛的应用。”

sam5生物传感器每个传感器芯片上包含5个独立的传感器元件,也即提供5个测量通道,每个反应区域为7.2mm2,可以装载更多的捕获蛋白。这种高通量的检测正好符合由于样本比较珍贵和耗费较大的问题,因此如果给5个通道分别包被不同的物质,就可以一次获得样本同5种不同物质的相互作用结果,也即在低样本体积的情况下实现高通量检测,同时采用专有的2频模式,无需参比通道。传感器芯片放置在位于中央的温度可控的检测装置中,整套系统还包括一个整合的自动进样装置。

sam5系统技术原理为:该系统将**的表面声波SAW技术应用于商品化的生物传感器,通过叉指换能器(Interdigital Transducers,IDT)的电信号-声信号-电信号的相互转换,可对生物分子间的相互作用状况进行实时、免标记的分析。其所采用的检测技术可比作是一台高灵敏度(0.5 pg/mm2)的微量天平:用芯片表面实质量(realmass)(“重量”)的变化来反映结合的过程。总的说来,传感器就是芯片,因此其表面可引起声学振动。由压电材料产生的横向声波可“之”字形在芯片表面传播,芯片表面结合物质的改变和其构象信息会表现为声波振动的变化。这种检测方法和其所采用的高工作频率显著降低了由于基质的复杂性造成的信号失真问题,因此样本纯化步骤可以省略。检测中,芯片表面质量的变化会引起声波的相位(phase)变化,而样本的粘弹性(Viscoelastic)和构象信息则通过振幅(amplitude)的变化来体现。在进行分子相互作用分析时,这两种影响可被区分且可独立被检测。根据实验需求,传感器表面可以包被不同的配体。这样,待分析的样本可以特异性的同传感器表面物质结合。检测过程中,样本溶液经过流通池会流过传感器芯片的表面,芯片表面包被物质的变化转变为测量信号被记录下来,这种变化是时间依赖性的,因此,可以获得结合速率和解离速率用于动力学分析。

sam5家族产品主要有sam5 BLUE以及sam5 GREEN,其中sam5 BLUE上不仅可使用现成的预包被的芯片,且用户可使用纯金芯片自行包被所需物质。并且,可将芯片上已包被的物质剥离后重新包被,*大程度上满足科研用户实验的灵活性要求。sam5 GREEN主要针对工业用户,使用预包被芯片,确保了重复性、精确性以及批量质控的要求,因此其上需使用预包被的芯片,并且芯片不可以被剥离后重新包被。

下面我们来看看sam5表面声波互作仪在肿瘤标志物筛查方面的应用:

一、乳腺癌

乳腺癌是欧美国家女性*常见的恶性肿瘤之一,近年来,在我国特别是上海、北京等发达地区已成为危害妇女健康的主要恶性肿瘤。乳腺癌的早期诊断(包括病人乳房的自我检查、乳房X射线检查、和临床检查)能够显著降低病人的死亡率。人类表皮生长因子受体2 (Human epidermal growth factor receptor -2,HER-2)作为乳腺癌的重要标肿瘤标志物之一,可以为病人的临床诊治提供非常有用的信息。如何检出低浓度的HER-2对乳腺癌的预防,治疗,预后就显得非常重要。Friederike等采用表面声波传感器,将抗体通过生物素化的蛋白A以及亲和素固定在一个SAW生物传感器表面,来检测HER-2,蛋白A与IgG的Fc区域具有很高的亲和力,抗体就很好的固定在SAW生物传感器表面,通过改变频率,孵育时间等条件,以及*后的数据分析我们可以检测出10ng/ml如此低浓度的HER-2因子,灵敏度非常高,实时检测。而且这种方法还为筛选其他的肿瘤标志物提供有效的检测手段。

二、胰腺癌

胰腺癌是一种常见的消化道恶性肿瘤。据世界卫生组织统计,世界上每年胰腺癌新发病例约为21.6万人,占全部恶性肿瘤的2%,胰腺癌的死亡率非常高,与发病率接近,在癌症死因中占第4位。间皮素(mesothelin, MSLN)是一种分化抗原,表达于正常的间皮组织中,但*新的研究发现间皮素在多种癌症中特异性的高表达,包括间皮瘤、胰腺癌、约70%的卵巢癌和50%的肺癌。根据Li M等的研究发现,间皮素的表达促进胰腺癌细胞的增殖与迁移。表面声波很早就在检测肿瘤标志物分子方面发挥作用。Christopher采用表面声波传感器等通过将抗间皮素抗体通过自组装的单层烷基硫醇方法固定在金膜表面,之后使从不同细胞株(PL1和 CAPAN2)的胰腺癌病人得到的未知浓度的间皮素上清通过流通池进行检测,*后通过实时数据分析显示,这种方法可以在室温条件下检测混合物中ng级别的间皮素,而且重复性很好。表面声波传感器灵敏度高,和操作简单快捷是筛选胰腺癌以及其他类型的癌症的肿瘤标志物的一个很有潜力价值的工具。

三、p53基因筛查

p53是一种肿瘤抑制基因,因编码一种分子质量为53 kDa的蛋白质而得名,是一种抗癌基因。其表达产物为基因调节蛋白(P53蛋白),当DNA受到损伤时表达产物急剧增加,可抑制细胞周期进一步运转。一旦p53基因发生突变,P53蛋白失活,细胞分裂失去节制,发生癌变,人类癌症中约有一半是由于该基因发生突变失活。因此,基因调节蛋白可作为肿瘤标志物,如果他们进行一定的点突变,比如寡核苷酸链诱导的突变等,我们可以运用表面声波通过杂交技术来查找突变基因。Gronewold [3]等就是用该技术来筛查p53抑癌基因蛋白,他们通过链霉亲和素修饰葡聚层的方法将生物素化的DNA片段包被在金膜表面,通过实时检测与其互补的DNA片段或者突变(一个位点)的互补DNA片段的结合、解离情况,分析其动力学数据,非常快速、灵敏(5-2000 nM)的筛查出突变型与野生型的DNA片段的差异。同时,他们也用该种方法很灵敏的筛查了乳腺癌易感基因(BRCA1)的突变。

sam5系列表面声波互作仪除了在肿瘤标志物筛查方面发挥作用外,在药物发现及研发、小分子结合、在线亲和质谱分析、分子构象变化的检测、完整细胞表面抗原抗体的结合分析、环境监测及农残分析、食品质量与安全等发面都有很广泛的应用。

下面以检测小分子结合为列进行说明:

长久以来低分子量化合物的检测一直是一个极具挑战的的应用,因为极大的宽高比(aspect ratios )意味着较低的信号。而且,在传统的依赖于光学检测的生物传感器上进行这种实验,较低的信号往往会受到DMSO这种较为粘稠的物质影响而被掩盖,而DMSO又是溶解有机药物的buffer中一种非常常见的成分。sam5因为基于表面声波,无需光学检测,所以可以避免DMSO带来的影响。sam5还可通过设参比来改善信号质量,而且对于sam5,这种参比样品运行一次即可,无需每个样品都采用。*近还有报道称sam5在DMSO存在下可以检测到约150 Da的小分子药物复合物,信号的宽高比为151(数据待发表)。

sam5表面声波传感器由于高灵敏度、高分辨率、高稳定性、作用面积大、作用范围广以及输出信号容易处理等优点将会在肿瘤标志物筛查以及其他领域发挥越来越重要的作用。

参考文献
1. Friederike J. Gruhl., Kerstin Lange.Surface modification of an acoustic biosensor allowing the detection of low concentrations of cancer markers. Analytical Biochemistry 2006.
2. Christopher D. Corso BSa., Desmond D. Stubbs MSb., Realtime detection of mesothelin in pancreatic cancer cell line supernatant using an acoustic wave immunosensor. Cancer Detection and Prevention 2006; 30: 180–187.
3. Gronewold T.M.A., Baumgartner A., Quandt E., Famulok M., Discrimination of single mutations in cancer-related gene fragments with a surface acoustic wave sensor. Anal. Chem 2006; 78(14): 4865-4871.

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