刘钢/黄丽萍/孙春萌团队开发用于超灵敏分子互作分析的小型微流控设备

分子相互作用的研究对于新药开发和疾病治疗具有重要意义。近日，华中科技大学生命科学与技术学院刘钢教授、胡文君教授团队联合量准公司黄丽萍博士团队以及中国药科大学孙春萌教授团队，在 Chemical Engineering Journal 期刊发表了题为：A Miniaturized Microfluidic Nanoplasmonic Sensor with Cavity Reflection Enhancement for Ultrasensitive Molecular Interaction Analysis 的研究论文。

该研究开发了一种基于腔反射增强MetaSPR传感器的小型微流控装置，用于超灵敏分子相互作用分析，可广泛应用于早期诊断、小分子药物开发、药物靶点发现、分子垂钓、在线监测等领域。

研究分子之间的相互作用，可以设计出更有效的药物分子，提高药物的疗效和安全性，还有助于理解生物体内的复杂过程，为疾病的治疗提供新的策略。目前，实时检测分子相互作用的常规技术包括生物层干涉法（BLI）、传统表面等离子体共振（SPR）、局部表面等离子体共振（LSPR）等。这些方法已成功实现商业化产品如Octet、Biacore和OpenSPR等产品。尽管这些技术可以实现无标签、实时检测分子之间相互作用，但它们仍存在某些局限性，如高成本、笨重、有限的准确性和灵敏度，其阻碍了它们在小型实验室或资源有限的环境中的广泛应用。

因此，开发出一种实时、无标记、快速、高通量、高灵敏度、高选择性、低成本的生物传感器对药物筛选或临床早期诊断是非常有必要的。

MetaSPR芯片拥有纳米杯状阵列结构，对金属表面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。刘钢教授团队受光学谐振腔的启发，利用其拥有的国际最新MetaSPR光学芯片专利技术首次在MetaSPR芯片背面镀银作为全反射镜，芯片正面作为腔谐振器的部分反射以制作NSCRE传感器，用于超灵敏检测分子之间的相互作用以及对分析物的定量检测。

图1. 基于腔反射增强的便携式微流控装置及检测方法示意图。(a)基于腔反射增强（CRE）的MetaSPR (NSCRE)传感器原理。(b)测试芯片表面羧基化修饰与配体固定示意图。(c)该微流控设备包括光源、光谱仪、NSCRE传感器、自动注射装置和流道。(d)双通道测试芯片与参比芯片检测分析物示意图。

微流控技术指的是使用微管道处理或操纵微小流体的系统使得仪器小型化和便携化。微流控技术因其高灵敏度、简化的光学系统、低仪器成本、便携性、最大限度地减少昂贵样品的消耗以及增强的实时监测而引起越来越多的关注。鉴于微流控和NSCRE传感器技术的优势，两者结合可实现快速、便携、实时、无标记、高灵敏度、低成本的检测分子之间相互作用的动力学和定量检测。

在微流控系统中，样品与缓冲液之间可能会发生扩散效应，导致管道前后的样品浓度低于中间的样品浓度从而造成检测结果不准确。因此，该团队将空气段引入试剂和缓冲液之间，可以有效地阻止扩散效应，避免交叉污染。然而空气的引入使得数据波动巨大，因此，本研究开发了一种基于深度学习模型的神经网络数据处理系统以消除空气段引起数据的显著波动。

该团队开发的NSCRE传感器与没有CRE效应的芯片相比，反射强度检测值提高了7.2倍。该研究开发的便携式一体化微流控设备可以组装不同功能的NSCRE传感器（在NSCRE芯片表面进行不同的修饰包括羧基化、亲和素、抗Flag标签、三维葡聚糖和Nα， Nα-二(羧甲基)- l -赖氨酸水合物(NTA)等形成不同的生物传感器）以检测慢速或快速动力学结合特性的分子相互作用，同时该传感器可以实时检测小分子和大分子（0.259-150 kDa）之间的相互作用。采用NTA传感器可以无标记检测小分子分析物来那度胺（259Da）与Crbn的动态相互作用（图3）。该微流控设备检测IgG（免疫球蛋白G）的检测限（LOD）为73 pM，其灵敏度相比于之前传统SPR报道的结果提高了50倍。

图2. 采用一体化自动微流控设备检测慢速和快速动力学相互作用。(a)在羧基NSCRE芯片上固定化蛋白A检测IgG示意图。(b)某一IgG浓度的实时检测曲线包括羧基活化、失活、配体固定、芯片封闭和分析物检测。(c)蛋白A与IgG相互作用的结合和解离的动态实时曲线和拟合曲线。(d)通过四参数4-PL方程拟合反射强度与IgG浓度之间的相关性计算检测IgG的LOD值。(e)自动微流控装置检测FcRn 与IgG的相互作用示意图。(f) FcRn与不同浓度IgG(0 ~ 704 nM)的快速相互作用动态拟合曲线，包括结合和解离过程。(g)采用稳态函数模拟反射强度与IgG浓度的相关性以计算平衡解离常数(KD) 值。

图3. 使用葡聚糖和NTA传感器检测小分子和蛋白质之间的相互作用。(a)葡聚糖传感器检测雷帕霉素与FKBP12蛋白的相互作用示意图。(b)雷帕霉素与不同浓度FKBP12的实时动态模拟曲线。(c)反射强度随FKBP12浓度变化的稳态拟合曲线。(d) NTA传感器检测Crbn与来那度胺相互作用示意图。(e) Crbn与不同浓度来那度胺的实时动态模拟曲线，包括结合与解离部分。(f) 反射强度与不同浓度来那度胺的稳态模拟曲线。

该研究中的NSCRE传感器针对不同类型的分子相互作用包括快速动力学和慢速动力学可检测不同种类的分子之间的相互作用包括小分子和蛋白。虽然该NSCRE传感器检测灵敏度在皮摩尔水平，但是通过优化芯片的纳米结构、材料组成和芯片表面修饰方法，有望将传感器的灵敏度提升到飞摩尔水平。该团队开发的多功能NSCRE传感器可广泛应用于小分子药物开发、靶点发现、分子垂钓领域、生命科学研究、早期诊断、在线监测等生物医学领域。

华中科技大学生命科学与技术学院樊洪利博士生和陈铭潜博士生为论文共同第一作者。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。该研究联合华中科技大学生命学院、中国药科大学、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。