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基于GCI技術(shù)的分子相互作用動(dòng)力學(xué)分析
在藥物開發(fā)中的應(yīng)用
本文由馬爾文帕納科醫(yī)藥行業(yè)業(yè)務(wù)發(fā)展專家范陽晶供稿
2022
WAVE分子相互作用分析儀亮相
2022年生物物理大會(huì)
在剛剛結(jié)束的2022年生物物理大會(huì)上，由馬爾文帕納科醫(yī)藥行業(yè)業(yè)務(wù)發(fā)展經(jīng)理/分子互作產(chǎn)品線經(jīng)理韓佩韋博士代表公司參與了結(jié)構(gòu)及計(jì)算生物學(xué)方向的分會(huì)報(bào)告，并向與會(huì)者推介了馬爾文帕納科最新推出的基于光柵耦合干涉GCI技術(shù)的分子互作分析儀WAVE，受到了與會(huì)者的廣泛關(guān)注。
此次大會(huì)雖受疫情影響臨時(shí)改為線上會(huì)議，但仍吸引了970余名參會(huì)代表注冊(cè)參會(huì)，為期三天的會(huì)議共有201位來自各大高校、科研專家的精彩報(bào)告，累計(jì)參會(huì)20萬人次。
關(guān)注馬爾文帕納科公眾號(hào)獲取分會(huì)場(chǎng)回看鏈接
那么會(huì)議中受人矚目的，具備先進(jìn)的GCI技術(shù)的WAVE分子互作分析儀，究竟能為生物開發(fā)領(lǐng)域帶來什么樣的支持呢？他和傳統(tǒng)的分子互作技術(shù)相比又有哪些差異和優(yōu)勢(shì)呢？本文將針對(duì)以上問題予以解答。
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關(guān)于光柵耦合干涉技術(shù)（GCI）
光柵耦合干涉技術(shù)（Grating-Coupled Interferometry, GCI）是一種近年發(fā)展起來的具有高靈敏度的基于芯片的非標(biāo)記生物傳感器技術(shù)，它區(qū)別于依賴熒光和免疫等標(biāo)記分子的傳統(tǒng)分子間相互作用技術(shù)。
通過一次GCI實(shí)驗(yàn)，用戶可以快速、準(zhǔn)確、可靠的獲取一整套描述分子間相互作用的信息，包括并不限于結(jié)合有無、結(jié)合特異性、描述結(jié)合強(qiáng)弱的親和力KD或鍵合常數(shù)KA、描述結(jié)合快慢與穩(wěn)定性的動(dòng)力學(xué)常數(shù)（結(jié)合速率常數(shù)ka與解離速率常數(shù)kd）、樣品活性濃度、分子間結(jié)合機(jī)制以及理論熱力學(xué)信息（范德霍夫焓變）等。GCI技術(shù)的商業(yè)化產(chǎn)品是Creoptix WAVE系列（2022年初被馬爾文帕納科收購作為旗下Label-Free分子互作分析平臺(tái)的一員）。
GCI技術(shù)具有高靈敏度、分析物的分子量無下限以及捕獲快速解離動(dòng)力學(xué)等優(yōu)勢(shì)，改進(jìn)了基于片段的小分子篩選和動(dòng)力學(xué)分析，與無堵塞的流路集成芯片配合使用，加速了藥物開發(fā)的過程。
圖1 光柵耦合干涉技術(shù)（GCI）示意圖
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弱相互作用也能得到很好的數(shù)據(jù)
在基于片段的篩選中發(fā)現(xiàn)的弱結(jié)合物通常是根據(jù)親和力而不是動(dòng)力學(xué)進(jìn)行排名的，因?yàn)樗鼈兊慕怆x速率常數(shù)kd非常快，這是傳統(tǒng)的SPR儀器無法解決的問題。然而，由于具有超快速的流路切換時(shí)間，Creoptix WAVE系統(tǒng)可以提供出色的分辨率，在高達(dá)10 s-1的解離速率下仍然能夠可靠地確定動(dòng)力學(xué)，提供了一個(gè)多功能的片段藥物篩選和分析平臺(tái)。
使用4PCZ WAVE芯片固定淀粉樣纖維蛋白（Amyloid Fibrils），小分子硫黃素（ThT，319 Da）以4種濃度（50 mM ~ 6.25 mM）注入，擬合后顯示出10 s-1左右的解離速率常數(shù)。
圖2 淀粉樣纖維蛋白與硫黃素的結(jié)合分析
下圖為在PCP WAVE芯片上捕獲的6-mer寡核苷酸（1.7 kDa）與其互補(bǔ)的ssDNA結(jié)合的傳感圖，擬合后顯示出10 s-1左右的解離速率常數(shù)。
圖3 寡核苷酸與其互補(bǔ)的ssDNA的結(jié)合分析
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創(chuàng)新的waveRAPID技術(shù)
加快藥物發(fā)現(xiàn)的早期階段對(duì)于更快地將新藥送到患者手中至關(guān)重要。為了滿足用戶需求，Creoptix推出了測(cè)量動(dòng)力學(xué)的新方法。在傳統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)中，分析物以不斷增加的濃度被注入，每次注射的持續(xù)時(shí)間一樣。然而，Creoptix創(chuàng)新的waveRAPID （Repeated Analyte Pulses of Increasing Duration）技術(shù)通過以不同時(shí)長注入單一濃度的分析物，不斷增加在芯片表面的脈沖時(shí)間來進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，該方法免去了濃度梯度的稀釋步驟，大大減少了人為稀釋誤差和實(shí)驗(yàn)前的準(zhǔn)備時(shí)間。
圖4 waveRAPID與傳統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的方法比較
用waveRAPID和傳統(tǒng)的多循環(huán)動(dòng)力學(xué)測(cè)量小分子化合物FUR（分析物）與碳酸酐酶CAII（配體）的結(jié)合。使用WAVEcontrol軟件的“Direct Kinetics"分析，兩種方法都能提供高度一致的結(jié)果。
圖5 waveRAPID與傳統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的數(shù)據(jù)比較
使用waveRAPID技術(shù)，在18小時(shí)內(nèi)完成了對(duì)90個(gè)小分子的動(dòng)力學(xué)分析，圖中顯示的結(jié)果為篩選過的具有低統(tǒng)計(jì)學(xué)誤差的速率常數(shù)，突出展示了三種不同結(jié)合強(qiáng)度的相互作用的傳感圖和擬合圖。
圖6 小分子藥物苗頭化合物的waveRAPID動(dòng)力學(xué)篩選
結(jié)論
Conclusion
通過Creoptix WAVE所提供的親和力和動(dòng)力學(xué)信息能夠表征藥物結(jié)合的詳細(xì)動(dòng)力學(xué)機(jī)制，為開發(fā)具有高選擇性的藥物提供了理論基礎(chǔ)，使得未來藥物設(shè)計(jì)中的計(jì)算和實(shí)驗(yàn)更加合理化。提高通量是藥物發(fā)現(xiàn)過程中經(jīng)常提到的需求，使用waveRAPID技術(shù)大大縮短了總測(cè)量時(shí)間，在藥物發(fā)現(xiàn)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。
參考文獻(xiàn)
[1] Kartal O, Andres F, Lai MP, et al. waveRAPID-A Robust Assay for High-Throughput Kinetic Screens with the Creoptix WAVEsystem. SLAS Discov. 2021; 26(8): 995-1003.
[2] FitzGerald EA, Butko MT, Boronat P, et al. Discovery of fragments inducing conformational effects in dynamic proteins using a second-harmonic generation biosensor. RSC Adv. 2021; 11(13): 7527-7537.
相關(guān)產(chǎn)品
WAVE 分子相互作用分析儀
WAVE分子相互作用分析儀擁有基于光柵耦合干涉技術(shù)（GCI）的光學(xué)生物傳感器，且具有創(chuàng)新性的微流控技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了在更廣泛的樣品范圍內(nèi)提供更高質(zhì)量的分子結(jié)合親和力數(shù)據(jù)和動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)，幫助藥物和生物科學(xué)研究人員加快新藥發(fā)現(xiàn)和開發(fā)的進(jìn)程。與傳統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分子互作分析技術(shù)相比具有如下優(yōu)勢(shì)：
無需配置濃度梯度樣品
10倍于傳統(tǒng)分子互作技術(shù)分析速度
超高靈敏度，捕獲快速動(dòng)力學(xué)
微流控技術(shù)，不堵塞流路
關(guān)注馬爾文帕納科公眾號(hào)獲取分會(huì)場(chǎng)回看鏈接
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