开启高通量低成本分子筛选新篇章​：刘钢/黄丽萍/尹少平团队开发新型MetaSPR生物传感器

近日，华中科技大学生命科学与技术学院刘钢教授团队携手量准公司黄丽萍博士团队以及南京中医药大学尹少平团队，在 Advanced Healthcare Materials 期刊发表了题为：Novel Multifunctional Meta-Surface Plasmon Resonance Chip Microplate for High-Throughput Molecular Screening 的研究论文。这篇高质量的研究成果在短短半年内得以发表，标志着产学研合作模式的成功转化和快速的知识创新。

该研究突破了传统表面等离子共振（SPR）传感器在检测通量上的限制，创新性地研发了具有纳米杯阵列表面结构的超表面等离子共振（MetaSPR）芯片，并据此设计开发了96孔和384孔的高通量MetaSPR生物传感器。经过精细的生化改性工艺，成功开发出一系列高性能的功能性生物传感器。

这些MetaSPR生物传感器结合分子互作技术，被应用于精准的亚型鉴定、表位分组、亲和力评价、抗体配对及定量检测，显著提升了早期抗体药物筛选与分析的效率和准确性。

图1：MetaSPR芯片传感器平台示意图。(a) 便捷式高通量生物传感器展示；(b) 分子互作原理及五大应用概览

图2：MetaSPR芯片表面特性概览。(a-b) AFM图像显示芯片的3D表面特征；(c) 芯片在自然光下呈现多彩色泽；(d) 芯片颜色随环境介质变化；(e) 蔗糖溶液的吸光度与折射率(RI)的关系；(f) 不同蔗糖浓度的差分光谱；(g) 双波长OD值差异与RI的强正相关性；(h) 不同RI蔗糖溶液的双波长OD差异

该研究中MetaSPR传感器的首项应用聚焦于抗体亚型鉴定领域。研究人员利用经羧化处理的MetaSPR传感器，实现了对小鼠IgG1、IgG2a和IgG2b亚型的快速鉴定。相较传统的ELISA技术，MetaSPR平台以10分钟的快速检测周期，显著提升了检测速率。更值得一提的是，MetaSPR平台的高通量优势，支持一次性处理多达96或384个分析物，超越了传统SPR技术的处理能力。此项技术革新为抗体亚型的快速鉴定和高通量筛选提供了全新策略。

图3：亚型鉴定分析。（a）亚型识别和检测过程及原理示意图；（b-d）将兔抗小鼠IgG1（b）、IgG2a（c）和IgG2b抗体（d）固定在羧化MetaSPR传感器芯片上，并实时检测小鼠IgG1、IgG2a和IgG2a抗体；（e）MetaSPR亚型鉴定结果；（f）在传感器芯片表面上的亚型识别之前和之后在575和595nm处的相对响应；（g）ELISA亚型鉴定结果

针对MetaSPR传感器在无标记分子互作中的应用，该研究构建了一个基于Protein G-IgG互作的MetaSPR芯片传感器平台，旨在实现对分子间亲和力的高效与精确评估。借助直接捕获方法，使用量准的WeSPR200设备，该生物芯片平台能够实时记录结合与解离过程，进而准确测定Protein G与IgG之间的亲和力常数（KD）为6.11×10-10 M（611 pM）。此项技术为药物筛选及生物分子相互作用的分析提供了一种新颖的亲和力测定、结合活性以及浓度测定的高通量解决方案，以其便捷性和高效率，为生物医学研究开辟了新途径。

图4：MetaSPR传感器亲和力评估图解。(a) Protein G-IgG亲和力测定原理；(b) IgG结合后的双波长差分光谱；(c) 实时结合与解离动力学曲线；(d) IgG稀释系列的相对反应差异；(e) 相对反应差异与亲和力的相关性

在MetaSPR传感器的第三项应用案例中，研究人员采用了NTA修饰的MetaSPR传感器，运用竞争法对SARS-CoV-2 N抗体（7B9）及其它八种商业N抗体进行了精细的表位分组。实验结果揭示了各抗体间在结合表位上的明显差异，并通过ELISA验证了MetaSPR技术筛选出的表位特异性，从而确证了MetaSPR技术在抗体表位分析方面的准确性与信赖度。

图5：MetaSPR传感器用于表位分组的分析图示。(a) 表位分组实验原理示意图；(b) 与抗体预饱和N蛋白后结合芯片的响应曲线；(c) 双抗体夹心法检测不同表位特异性抗体的相对反应；(d) 抗体7B9与其他抗体表位差异的鉴定结果；(e) 抗体7B9结合芯片后的双波长差分光谱；(f) 不同抗体结合N蛋白的双波长差分光谱；(g) MetaSPR传感器的表位分组结果概览；(h) ELISA验证的表位分组结果

在MetaSPR传感器的第四项应用中，研究团队运用了MetaSPR无标记系统进行SARS-CoV-2抗体的精准配对。利用夹心法检测原理，成功挑选出了具有高度兼容性的抗体对，其中R001与7B9的组合表现出最为显著的响应。MetaSPR平台所具备的高通量检测能力，为分子间相互作用的分析带来了一种既高效又快速的方法，极大地增强了在药物开发过程中识别具有独特药理特性候选抗体的概率。

图6：MetaSPR平台的无标记抗体配对。(a) 抗体配对原理与步骤；(b-f) 不同捕获抗体与N蛋白结合的检测结果；(g) 捕获抗体结合能力的对比；(h) 配对抗体的N蛋白检测结果；(i) 抗体与N蛋白结合能力对比

对于第五项应用，研究人员利用MetaSPR芯片技术识别出的最佳抗体对，并联合金纳米颗粒放大技术，成功实现了对新冠咽拭子样本的高灵敏度检测，检测限达到0.25ng/mL，为市售胶体金试纸条灵敏度的四倍。这一成果不仅验证了MetaSPR平台在有效性、精确性和灵敏度方面的卓越性能，也展现了其在IVD原材料筛选及检测试剂盒领域的重要应用潜力。

图7：MetaSPR平台的金纳米颗粒增强法（MetaPLSA）进行定量检测。(a) MetaPLSA检测原理示意图；(b) 核衣壳蛋白检测中的双波长差异；(c) 抗体对灵敏度的MetaPLSA验证；(d) 模拟感染样本的双波长差异检测；(e) 模拟样本检测结果概览；(f) 灵敏度验证对比：(i) MetaSPR筛选抗体对的灵敏度。(ii) 商用胶体金卡灵敏度

华中科技大学生命科学与技术学院2022级博士生陈友倩为论文的第一作者，华中科技大学生命科学与技术学院刘钢教授、量准（武汉）生命科技有限公司黄丽萍博士、南京中医药大学尹少平博士为该论文共同通讯作者。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、中央高校基本科研业务费等项目的支持。