國內顛覆性突破新型高通量藥物篩選NanoSPR分子互作平臺

　　2022年9月1日，Advanced Functional Materials雜志以“An Nanoplasmonic Portable Molecular Interaction Platform for High-Throughput Drug Screening”為題在線發表了華中科技大學生命科學與技術學院劉鋼教授團隊完成的顛覆性突破研究成果。華中科技大學劉鋼教授、黃麗萍博士為論文的共同通訊作者。華中科技大學生命科學與技術學院樊洪利博士生、黃麗萍博士、李睿博士生為論文的共同第一作者。該研究成果目前已成功完成多種藥篩產品轉化。

圖1納米杯陣列增強表面等離子體共振（NanoSPR）芯片傳感器用于實時監測分子間相互作用示意圖。

近年來，生物藥的市場需求逐年擴容，其中抗體藥物因其靶向性好，治療效果顯著，在生物藥中占據著舉足輕重的地位，目前已經進入了抗體藥物發展的黃金時代。隨著抗體藥的需求越來越大，抗體篩選技術的發展也是日新月異。常規的藥物篩選技術研究成本極高且周期極長，找到有效的藥物就像大海撈針。分析生物分子之間的相互作用可深入理解動力學信息，并為早期治療提供寶貴的建議。目前，分子相互作用分析方法包括生物層干涉法（BLI），表面等離子體共振（SPR）和局域表面等離子體共振（LSPR），盡管它們都可以實現無標記、實時和高通量分子互作分析，這些方法仍具有局限性，例如芯片穩定性差、非特異性吸附強、僅適用于純化樣本類型、儀器成本高、精度低和設備體積大。這些限制了它們在個人、小型制藥公司和其他資源有限的環境的廣泛使用。因此，開發出一種快速、高通量、低成本的實時檢測分子間相互作用的方法對藥物篩選或臨床早期診斷是非常有必要的。

納米等離子共振（NanoSPR）技術是無需熒光或染料標記生物分子、病毒和細胞的一種光學分析測試技術。NanoSPR芯片表面對電介質的折射率變化非常靈敏，無需標記，就可以實現快速、實時、原位、無損、動態檢測分子的相互作用或溶液中目標物濃度的測定。我校生命學院劉鋼教授團隊利用其擁有的國際最新NanoSPR光學芯片ZL技術，首次將NanoSPR傳感芯片與標準微孔板（NanoSPR CP）和便攜式八聯微孔柱（NanoSPR CEP）集成并用于高通量實時檢測分子之間結合與解離過程的互作平臺，同時也構建了多種類型的即用型生物芯片篩選技術已成功用于抗體定量、抗體亞型鑒定、親和力檢測、抗體人源化改造、抗原表位分析，靶點篩選、抗體對篩選等，可助力基因治療、基因疫苗研究、抗原表位研究、藥物篩選與設計、細胞信號傳導研究等領域的研發生產效率。

該研究首先通過納米壓印光刻、電子束蒸發和接合技術設計并制造了晶圓級納米杯狀陣列增強的NanoSPR傳感芯片，并將NanoSPR芯片集成至標準的96孔板或簡單的八聯微孔柱裝置形成分子互作平臺，開發設計的兩種便攜式NanoSPR分子互作分析平臺，由于其獨特的光學特性，采用自制便攜式透射光強度檢測系統，就能進行高靈敏度、快速、高通量、無標記實時動態分析分子間的結合與解離過程。NanoSPR分子互作分析平臺可對各種不同的分子相互作用提供深入的無標記的結合動力學檢測和分析。研究中為了證明NanoSPR技術平臺的強大功能和準確性，研究人員選擇了包括新冠病毒蛋白與抗體系列在內的各種分子對分別與行業標準Biacore或Octet系統進行數據比較分析，在不同的比對數據中我們均獲得了NanoSPR分子互作平臺與Biacore儀器和Octet儀器對同一組分子對相似的動力學和親和力值，有力的支持了我們研發的具有100%自主知識產權的NanoSPR分子互作平臺可準確高效且經濟地進行分子間結合相互作用的檢測和研究。研究表明NanoSPR技術有望成為一種革命性新技術用于高靈敏度、快速、高通量、無標記、低成本和實時檢測分子相互作用的分析，應用于藥物篩選、臨床早期診斷和表位鑒定等領域，給研究人員提供可在自己的實驗室中完成深入的無標記結合動力學分析檢測技術。

圖2（a） SARS-CoV-2 Nucleocapsid Protein (Np)檢測示意圖。（b）固定SARS-CoV-2 Np抗體的傳感器檢測104 nM SARS-CoV-2 Np的結合與解離實時曲線圖。SARS-CoV-2 Np抗體與不同濃度SARS-CoV-2 Np（0-208nM）之間的結合動態擬合曲線（c），解離動態擬合曲線（d）和結合解離動力學曲線（e）。

該研究得到了國家重點研發計劃和國家自然科學基金等項目的資助。該研究聯合我校生命學院、量準（上海）實業有限公司、量準（武漢）生命科技有限公司等國內產、學、研多家單位共同參與研發。

劉鋼教授課題組簡介：

劉鋼教授團隊近年來致力于超靈敏度微納米新型生物傳感器以及移動傳感技術在醫學、生物學等方面的廣泛應用，并在基于NanoSPR生物傳感芯片在生物檢測，藥物篩選等領域進行了系統深入的研究，主要研究成果發表在BiosensorsBioelectronics（2018, 2021, 2022）、Sensors and Actuators B: Chemical（2021）、Advanced Functional Materials （2022）、 Materials Today Bio（2022）、Chemical Engineering Journal（2022）等期刊，部分研究成果已完成轉化。

劉鋼教授，博士生導師，國家高層次人才入選者、美國醫學生物工程院院士（AIMBE Fellow）、中國科協特聘海智專家、國際移動醫療診斷技術組委會主席團成員、國際電子電氣工程師協會（IEEE）高級會員及其生物醫學分會常任編委、美國科學促進協會（AAAS）會員、美國加州大學伯克利分校生物醫學工程專業博士，曾擔任美國伊利諾伊大學香檳分校終身副教授，現任華中科技大學特聘教授。主持國家重點研發計劃項目、國家自然科學基金重大研究計劃等多個項目。在Nature Materials、Nature Methods、ACS Nano、Small等國際權威學術專業期刊上共發表了80余篇文章和50余篇國際會議文章，其第一作者和通訊作者論文至目前累計總引用次數已超過5000余次，并已申請相關ZL數十項。

論文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202203635