表面等離子體共振顯微鏡-免標(biāo)記檢測分析儀SPRm 200 系列
表面等離子體共振和光學(xué)顯微鏡巧妙地結(jié)合為研究細(xì)胞膜蛋白相互作用開辟一個(gè)嶄新的前沿
活細(xì)胞上免標(biāo)記生物分子結(jié)合過程的檢測
實(shí)時(shí)結(jié)合力及動(dòng)力學(xué)定量測量像圖
光學(xué)和表面等離子體共振同時(shí)成像
藥物分子對多細(xì)胞或單細(xì)胞作用的檢測
納米尺度上分子結(jié)合過程的跟蹤檢測
SPRm200是將表面等離子體共振技術(shù)和光學(xué)顯微鏡巧妙結(jié)合為一的生物傳感檢測儀。它為免標(biāo)記研究分子相互作用的領(lǐng)域開辟一個(gè)嶄新的前沿。專門針對細(xì)胞膜蛋白和相關(guān)分子免標(biāo)記檢測而設(shè)計(jì)的SPRm200儀器可幫助您在實(shí)時(shí)觀察細(xì)胞結(jié)構(gòu)的同時(shí)能夠測量藥物和靶點(diǎn)在細(xì)胞上的結(jié)合過程，并且可以在其自然狀態(tài)下完成對藥物和膜蛋白之間相互作用的測量。應(yīng)而不在需要從細(xì)胞中提取和分離膜蛋白。依靠它出色的靈敏度和穩(wěn)定性，SPRm200也能夠測量納米尺度的結(jié)合行為，可用于研究細(xì)菌或病毒與抗菌性藥物的相互作用，以及發(fā)展納米級顆粒藥物遞送的新方法。
集成光學(xué)顯微鏡與SPR技術(shù)
SPRm200把SPR技術(shù)和光學(xué)成像結(jié)合起來，能夠把活細(xì)胞成像和對藥物分子結(jié)合反應(yīng)定位分布圖像實(shí)時(shí)地表征出來。如圖1所示，明視場聚光燈將生長于芯片表面的細(xì)胞照亮，在底部的照相機(jī)捕獲活細(xì)胞的明視場。同時(shí)SPR光源沿共振角度投射光線到傳感器芯片上，由SPRm200探測器捕捉反射光，并把在每一個(gè)像素點(diǎn)上的SPR響應(yīng)信號記錄下來構(gòu)成SPR像圖。
相比傳統(tǒng)的SPR技術(shù)只能在整體傳感區(qū)域內(nèi)（通常稱之為通道）測量平均共振角度的變化，SPRm200探測器能夠測量局部像素點(diǎn)上的共振角度變化并且記錄每一個(gè)像素點(diǎn)上的傳感曲線圖。如圖2 就顯示了SPRm200同時(shí)記錄的明視場圖和SPR像圖以及圖中任何一點(diǎn)或區(qū)域的傳感曲線圖。因此它能提供更多的局部信息，并且可以在自然狀態(tài)下研究膜蛋白的非均相表面結(jié)合以及它們和藥物之間的相互作用。
凝集素- 糖蛋白相互作用
基本的細(xì)胞和治療過程通常開始于配體與膜蛋白的結(jié)合，并且膜蛋白在其天然狀態(tài)中的結(jié)合活性研究對于理解它們的生物學(xué)功能至關(guān)重要。這里是研究糖蛋白（膜蛋白）和凝集素（配體）之間的特異性相互作用以及單個(gè)細(xì)胞膜上的受體的結(jié)合活性和空間分布的實(shí)例。
將神經(jīng)瘤細(xì)胞SHEP1在芯片上的細(xì)胞室中被孵化，然后置于SPRM樣品臺上。將PBS緩沖液在25℃以300ul/min的流速加入細(xì)胞室。將凝集素，80ug/ml的小麥胚芽凝集素（WGA），注入細(xì)胞室，然后用PBS緩沖液沖洗。用不同的WGA濃度（5, 10, 40, 80, 100, 200ug/ml）重復(fù)對細(xì)胞的類似測量。使用50mM GlcNAc 溶液來再生細(xì)胞表面上的膜糖蛋白受體。
如下圖2所示在每個(gè)像素處記錄傳感曲線圖，通過平均細(xì)胞圖像內(nèi)的像素點(diǎn)，可以使用一級結(jié)合動(dòng)力學(xué)理論（參見下文）導(dǎo)出每個(gè)細(xì)胞的結(jié)合動(dòng)力學(xué)參數(shù)。這里的測量結(jié)果與以前發(fā)表的數(shù)據(jù)一致[4]。
繪制nACHRs的結(jié)合行為 nAChR膜受體在神經(jīng)傳遞和尼古丁成癮中起關(guān)鍵作用。確定它們在細(xì)胞中分布的常規(guī)方法基于熒光標(biāo)記的二次抗體，其不提供直接的動(dòng)力學(xué)并且易于發(fā)生假陽性。SPRm200直接測量抗體與不含第二抗體的nAChR的結(jié)合。該過程更加簡單，克服了使用被標(biāo)記的第二級抗體所帶來的缺陷。
上圖中，SH-EP1工程化細(xì)胞在細(xì)胞膜上表達(dá)α4β2受體，并結(jié)合初代抗體抗α4（右圖）。通過SPR 像圖所顯示的nAChR 同其初代抗體結(jié)合的分布（粉紅色），可以明顯看出這是一個(gè)非均相的表面結(jié)合。用SH-EP1野生型細(xì)胞來作為對照， 傳感曲線右下圖A顯示了兩種類型的細(xì)胞對nAChR的反應(yīng)具有顯著差異。如傳感圖B中所示，從SH-EP1工程化細(xì)胞反應(yīng)減去野生型細(xì)胞反應(yīng)（主要出于體積折射率效應(yīng)）給出nAChR與其抗體的結(jié)合動(dòng)力學(xué)，kon =6×104/Ms，koff = 3×10-3/s 和KD=45nM。
納米顆粒檢測
在納米尺度上，由一個(gè)納米顆粒所產(chǎn)生的SPR響應(yīng)信號非常。就好像把一個(gè)小石子放在一個(gè)緩緩流動(dòng)的淺溪中，水面上就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)波紋圖案（參考下圖）。SPR光源按共振角度投射到傳感器芯片上使其產(chǎn)生一個(gè)沿著金屬膜表面?zhèn)鞑サ谋砻娴入x子體(SP)波，如圖3所示。當(dāng)一個(gè)納米顆粒結(jié)合到芯片表面時(shí)，它便成為SP波的散射點(diǎn)，因而會(huì)在SPR像中產(chǎn)生波紋圖案。其形狀遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于納米顆粒的實(shí)際尺寸（100 倍以上）。這放大的波紋圖案使得SPRm200能夠檢測到粒子尺度遠(yuǎn)小于其光學(xué)衍射的極限，通過對這個(gè)放大的波紋圖案進(jìn)行跟蹤和測量，就能實(shí)現(xiàn)對分子在納米尺度下的結(jié)合行為進(jìn)行監(jiān)測和研究。
在SPR像中，這些波紋的產(chǎn)生以及其強(qiáng)度的變化為納米顆粒和芯片表面或和溶液中其它分子的相互作用提供了非常豐富的信息[1，5]。
細(xì)菌和抗生素 活的大腸桿菌O157:H7 在LB肉湯培養(yǎng)基中通過抗體偶聯(lián)被系在傳感器芯片上。他們因散射芯片中的SP波而在SPR像上產(chǎn)生許多點(diǎn)波紋如下圖右邊所示。
雖然明視場的細(xì)菌細(xì)胞像（小黑點(diǎn)）穩(wěn)定，SPR像中的點(diǎn)波紋強(qiáng)度有著顯著的變化。通過監(jiān)測這些波紋在納米尺度下的強(qiáng)度波動(dòng)，可為我們提供細(xì)菌細(xì)胞的新陳代謝的重要信息。當(dāng)將500μg/mL的殺菌性抗生素（PMB）加入細(xì)胞室時(shí)，細(xì)菌細(xì)胞的波動(dòng)急劇減弱（下右圖），從而表征細(xì)菌的死亡。
這個(gè)實(shí)驗(yàn)表明了SPRm200能對抗生素活動(dòng)的實(shí)時(shí)無標(biāo)記的檢測，并且提供了一個(gè)快速，簡單，和低成本的臨床微生物學(xué)檢測方法[1].
系統(tǒng)規(guī)格表
系統(tǒng)規(guī)格表
| 基礎(chǔ)配置 | 光源 | 690 nm |
| 入射角 | 40-76 Deg (連續(xù)) |
| 基線噪聲 | < 0.6 RU RMS (0.1 mDeg RMS) |
| 基線漂移 | 3 RU/hr (0.5 mDeg/hr) （當(dāng)周圍環(huán)境漂移< 1°C/hr) |
| 溫度控制范圍 | 15°C to 40°C （降溫限止在低于室溫10°C) |
| 視場 | Bright Field: 1200 x 900 um SPR: 600 x 450 um |
| 放大倍數(shù) | Bright Field: x10 SPR: x20 |
| 分辨率 | Bright Field & SPR: 1 μm |
| 平臺的平移和旋轉(zhuǎn)（范圍） | 3mm x 3mm / 360 deg |
| 外形尺寸 | 690 (w) x 330 (h) x 340 (d) mm |
| 重量 | 23 kg |
| 電源 | 110-230 V 50/60 Hz |
| 流體處理 | 樣品體積 | 1 to 1500 μL (application dependent) |
| 動(dòng)力學(xué)常量 | k a <1 X 107 M-1 s-1 k d >1 X 10-5 s-1 |
| 離解常量 | KD = 10-3 M (1 mM) to 10-12 M (1 pM) |
| 分子量篩截 | 200 Da |
| 控制體系 | 電腦 | 微軟Windows操作系統(tǒng) |
| 軟件 | ImageSPRTM 軟件，包括數(shù)據(jù)分析和動(dòng)力學(xué)分析包 |
| 自動(dòng)進(jìn)樣器 （可選） | 試樣容量 | 2 x SBS standards (384/96) 2 x 48 Vials (1.5ml) 2 x 12 Vials (10ml) |
| 注射體積 | 0ml to 9999ml |
| 樣品冷卻 | Minimum: 4℃+/-2℃ |
| 外圍尺寸 | 300(W) x 575 (h) x 360 (d) mm |
| 凈重 | 21kg
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傳感器和耗材 金傳感器晶片
高均一性金膜芯片確保SPR測量的一致性
細(xì)胞室裝備
硅膠池固定在金膜芯片上用于細(xì)胞培養(yǎng)；包括用于處理傳感器表面的化學(xué)藥品以及配件。
參考文獻(xiàn)
K Syal, R Iriya, Y Yang, H Yu, S Wang, S Haydel, HY Chen, NJ Tao, "Antimicrobial Susceptibility Test with Plasmonic Imaging and Tracking of Single Bacterial Motions on Nanometer Scale", ACS Nano, 10, 845-852, 2016
F Zhang, S Wang, L Yin, Y Yang, Y Guan, W Wang, H Xu, NJ Tao, “Quantification of Epidermal Growth Factor Receptor Expression Level and Binding Kinetics on Cell Surfaces by Surface Plasmon Resonance Imaging", Analytical Chemistry, 87(19), 9960-9965, 2015
W Wang, L Yin, L G-M, S Wang, X Yu, S Eaton, S Zhang, H Chen, J LaBaer, NJ Tao, “In situ drug-receptor binding kinetics in single cells: a quantitative label- free study of anti-tumor drug resistance”, Scientific reports, 4, 1-7, 2014
W Wang, Y Yang, S Wang, V Nagaraj, Q Liu, J Wu and NJ Tao, "Label-free measuring and mapping of binding kinetics of membrane proteins in single living cells", Nature Chemistry, 4, 846-853, 2012
Wang, Shaopeng, et al. "Label-free imaging, detection, and mass measurement of single viruses by surface plasmon resonance." Proceedings of the National Academy of Sciences 107.37 (2010): 16028-16032.
