国内颠覆性突破 新型高通量药物筛选NanoSPR分子互作平台
2022年9月1日，Advanced Functional Materials杂志以“An Nanoplasmonic Portable Molecular Interaction Platform for High-Throughput Drug Screening”为题在线发表了华中科技大学生命科学与技术学院刘钢教授团队完成的颠覆性突破研究成果。华中科技大学刘钢教授、黄丽萍博士为论文的共同通讯作者。华中科技大学生命科学与技术学院樊洪利博士生、黄丽萍博士、李睿博士生为论文的共同第一作者。该研究成果目前已成功完成多种药筛产品转化。
图1纳米杯阵列增强表面等离子体共振（NanoSPR）芯片传感器用于实时监测分子间相互作用示意图。
近年来，生物药的市场需求逐年扩容，其中抗体药物因其靶向性好，治疗效果显著，在生物药中占据着举足轻重的地位，目前已经进入了抗体药物发展的黄金时代。随着抗体药的需求越来越大，抗体筛选技术的发展也是日新月异。常规的药物筛选技术研究成本极高且周期极长，找到有效的药物就像大海捞针。分析生物分子之间的相互作用可深入理解动力学信息，并为早期治疗提供宝贵的建议。目前，分子相互作用分析方法包括生物层干涉法（BLI），表面等离子体共振（SPR）和局域表面等离子体共振（LSPR），尽管它们都可以实现无标记、实时和高通量分子互作分析，这些方法仍具有局限性，例如芯片稳定性差、非特异性吸附强、仅适用于纯化样本类型、仪器成本高、精度低和设备体积大。这些限制了它们在个人、小型制药公司和其他资源有限的环境的广泛使用。因此，开发出一种快速、高通量、低成本的实时检测分子间相互作用的方法对药物筛选或临床早期诊断是非常有必要的。
纳米等离子共振（NanoSPR）技术是无需荧光或染料标记生物分子、病毒和细胞的一种光学分析测试技术。NanoSPR芯片表面对电介质的折射率变化非常灵敏，无需标记，就可以实现快速、实时、原位、无损、动态检测分子的相互作用或溶液中目标物浓度的测定。我校生命学院刘钢教授团队利用其拥有的国际最新NanoSPR光学芯片ZL技术，首次将NanoSPR传感芯片与标准微孔板（NanoSPR CP）和便携式八联微孔柱（NanoSPR CEP）集成并用于高通量实时检测分子之间结合与解离过程的互作平台，同时也构建了多种类型的即用型生物芯片筛选技术已成功用于抗体定量、抗体亚型鉴定、亲和力检测、抗体人源化改造、抗原表位分析，靶点筛选、抗体对筛选等，可助力基因治疗、基因疫苗研究、抗原表位研究、药物筛选与设计、细胞信号传导研究等领域的研发生产效率。
该研究首先通过纳米压印光刻、电子束蒸发和接合技术设计并制造了晶圆级纳米杯状阵列增强的NanoSPR传感芯片，并将NanoSPR芯片集成至标准的96孔板或简单的八联微孔柱装置形成分子互作平台，开发设计的两种便携式NanoSPR分子互作分析平台，由于其独特的光学特性，采用自制便携式透射光强度检测系统，就能进行高灵敏度、快速、高通量、无标记实时动态分析分子间的结合与解离过程。NanoSPR分子互作分析平台可对各种不同的分子相互作用提供深入的无标记的结合动力学检测和分析。研究中为了证明NanoSPR技术平台的强大功能和准确性，研究人员选择了包括新冠病毒蛋白与抗体系列在内的各种分子对分别与行业标准Biacore或Octet系统进行数据比较分析，在不同的比对数据中我们均获得了NanoSPR分子互作平台与Biacore仪器和Octet仪器对同一组分子对相似的动力学和亲和力值，有力的支持了我们研发的具有100%自主知识产权的NanoSPR分子互作平台可准确高效且经济地进行分子间结合相互作用的检测和研究。研究表明NanoSPR技术有望成为一种革命性新技术用于高灵敏度、快速、高通量、无标记、低成本和实时检测分子相互作用的分析，应用于药物筛选、临床早期诊断和表位鉴定等领域，给研究人员提供可在自己的实验室中完成深入的无标记结合动力学分析检测技术。
图2（a） SARS-CoV-2 Nucleocapsid Protein (Np)检测示意图。（b）固定SARS-CoV-2 Np抗体的传感器检测104 nM SARS-CoV-2 Np的结合与解离实时曲线图。SARS-CoV-2 Np抗体与不同浓度SARS-CoV-2 Np（0-208nM）之间的结合动态拟合曲线（c），解离动态拟合曲线（d）和结合解离动力学曲线（e）。
该研究得到了国家重点研发计划和国家自然科学基金等项目的资助。该研究联合我校生命学院、量准（上海）实业有限公司、量准（武汉）生命科技有限公司等国内产、学、研多家单位共同参与研发。
刘钢教授课题组简介：
刘钢教授团队近年来致力于超灵敏度微纳米新型生物传感器以及移动传感技术在医学、生物学等方面的广泛应用，并在基于NanoSPR生物传感芯片在生物检测，药物筛选等领域进行了系统深入的研究，主要研究成果发表在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转化。
刘钢教授，博士生导师，国家高层次人才入选者、美国医学生物工程院院士（AIMBE Fellow）、中国科协特聘海智专家、国际移动医疗诊断技术组委会主席团成员、国际电子电气工程师协会（IEEE）高级会员及其生物医学分会常任编委、美国科学促进协会（AAAS）会员、美国加州大学伯克利分校生物医学工程专业博士，曾担任美国伊利诺伊大学香槟分校终身副教授，现任华中科技大学特聘教授。主持国家重点研发计划项目、国家自然科学基金重大研究计划等多个项目。在Nature Materials、Nature Methods、ACS Nano、Small等国际权威学术专业期刊上共发表了80余篇文章和50余篇国际会议文章，其第一作者和通讯作者论文至目前累计总引用次数已超过5000余次，并已申请相关ZL数十项。
论文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202203635
