表面等離子共振技術(shù)在中醫(yī)藥研究中應(yīng)用進展

尹磊淼

摘要 利用表面等離子共振現(xiàn)象制備的生物傳感技術(shù)具有無標記、靈敏度高、通量大、特異性強，樣品耗損少等優(yōu)點，在生命科學等眾多學科中得到了廣泛的關(guān)注和應(yīng)用。近年來該技術(shù)也被運用在不少中醫(yī)藥研究的重要領(lǐng)域。本文簡要介紹了表面等離子共振原理，總結(jié)并評述了在中醫(yī)藥新靶標發(fā)現(xiàn)、優(yōu)效小分子尋找等方向的研究進展和前景。

關(guān)鍵詞 表面等離子共振;中醫(yī)藥;針灸;靶標;生物傳感器;機制研究

Abstract Biosensor technology based on surface plasmon resonance （SPR） phenomenon has been widely concerned and applied in recent years because of its advantages，such as no labeling，sensitivity，high-throughput，specificity，low sample consumption，etc.In the study of the mechanism of traditional Chinese medicine （TCM），SPR biosensor technology has also been used in many fields in recent years.In this paper，the principle of SPR is briefly introduced.The research progress and prospect in the fields，including the new target discovery of TCM and searching for small molecules with best performance，are summarized and reviewed.

Keywords Surface plasmon resonance （SPR）; Traditional Chinese medicine; Acupuncture; Target; Biosensor; Mechanism research

中圖分類號：R285.5;R2-03文獻標識碼：Adoi：10.3969/j.issn.1673-7202.2020.11.008

隨著全國中醫(yī)藥大會召開和《中共中央國務(wù)院關(guān)于促進中醫(yī)藥傳承創(chuàng)新發(fā)展的意見》正式發(fā)布，我國蓬勃發(fā)展的中醫(yī)藥事業(yè)也邁入新的歷史時期[1]。科學化思維和工具的合理運用對中醫(yī)藥發(fā)展十分關(guān)鍵。因此，利用新技術(shù)方法推進并挖掘中醫(yī)、中藥蘊含的科學機制是當前重要任務(wù)之一[2]。目前對醫(yī)學和藥物的研究已逐漸從整體宏觀水平進入到微觀細胞、分子水平。故確定中醫(yī)藥優(yōu)勢病種的效應(yīng)蛋白、響應(yīng)基因等分子間的相互作用，深入圍繞中醫(yī)藥關(guān)鍵靶點開展特異性信號通路研究等，就成為當前中醫(yī)藥科學機制研究的當務(wù)之急。

基于表面等離子共振（Surface Plasmon Resonance，SPR）的檢測技術(shù)是一種檢測分子間相互作用關(guān)系的無標記、高靈敏度、高通量、特異性強、低耗量的生物傳感技術(shù)，是研究分子間相互作用最重要方法之一，已經(jīng)在生命科學等眾多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[3-4]。本文總結(jié)回顧了SPR原理，重點評述SPR技術(shù)在中醫(yī)藥新靶標發(fā)現(xiàn)及作用機制、尋找中藥優(yōu)效小分子等方面研究進展，并對前景進行展望。

1 SPR原理

SPR是一種物理現(xiàn)象，指當一束光照射到鍍在玻璃表面的金屬膜上發(fā)生全反射時，當入射光波向量與金屬膜內(nèi)表面電子的振蕩頻率相一致時，金屬電子吸收光能發(fā)生共振，從而使得被反射光的強度達到最小[5-6]。而SPR生物傳感器就是利用該現(xiàn)象制備的光學檢測系統(tǒng)，可對各種生物分子間相互作用（如蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)、蛋白質(zhì)-小分子、蛋白質(zhì)-核酸、核酸-核酸等）進行檢測[7]。

在SPR生物傳感器檢測分子相互作用過程中，一般分子量較大的蛋白被固定在傳感芯片的表面（稱固定相，如中醫(yī)藥相關(guān)效應(yīng)蛋白），另一種分子在溶液流過表面（稱流動相，如溶解的中藥有效成分），如二者有相互作用（即改變芯片表面結(jié)合的物質(zhì)質(zhì)量限度為1 pg/mm2），則導致表面折射率變化并引起SPR角度的變化[8]。見圖1。通過實時檢測上述變化不但能明確分子間是否發(fā)生特異性結(jié)合，還可精確獲得平衡解離常數(shù)（KD值，代表平衡時受體配體復合物解離程度，數(shù)值越小說明親和力越大）等動力學信息[9]。

2 SPR技術(shù)在中醫(yī)藥新靶標發(fā)現(xiàn)及作用機制中應(yīng)用

在中醫(yī)藥新靶標發(fā)現(xiàn)和作用機制研究方面，SPR技術(shù)對比傳統(tǒng)技術(shù)（如同位素標記的放射配體受體分析法、基于抗體識別的免疫共沉淀方法等）常顯示出安全、快速和特異性強等優(yōu)勢。研究發(fā)現(xiàn)針刺“大椎”“風門”“肺俞”等穴位后可顯著增加哮喘模型大鼠肺組織金屬硫蛋白-2（Metallothionein-2，MT-2）蛋白水平[10]。利用Pull down方法和質(zhì)譜檢測發(fā)現(xiàn)MT-2在氣管平滑肌細胞上結(jié)合蛋白是肌動蛋白結(jié)合蛋白-2（Transgelin-2，TG2）[11]。利用SPR技術(shù)驗證針刺抗哮喘效應(yīng)蛋白MT-2和相應(yīng)靶標TG2相互作用過程如下：將TG2蛋白作為固定相，依次把TG2抗體（陽性對照）、MT-2全長蛋白、MT-2的α、β亞基作為流動相，檢測獲得MT-2和TG2蛋白的KD值為442 nmol/L，而2個亞基均無法單獨結(jié)合靶標蛋白[12]。上述結(jié)果提示了MT-2蛋白三維結(jié)構(gòu)完整性在靶標結(jié)合中起重要作用[12]。

SPR技術(shù)還可用于確認中藥小分子靶點及其在相關(guān)疾病中作用機制。見表1。如牛蒡子主要成分牛蒡子苷元能夠通過增加足細胞黏附來保護高糖所致的細胞損傷，從而有效改善臨床糖尿病腎病的癥狀[13-14]。利用藥物親和反應(yīng)靶穩(wěn)定性方法（Drug Affinity Responsive Target Stability Assay）發(fā)現(xiàn)牛蒡子苷元可通過激活蛋白磷酸酶2A（Protein Phosphatase 2A，PP2A）緩解炎性反應(yīng)從而保護腎臟。利用SPR技術(shù)確認牛蒡子苷元和PP2A存在較強結(jié)合，KD值為0.662 μmol/L[14]。蘇木是傳統(tǒng)活血化瘀中藥，關(guān)鍵活性成分為蘇木酮A。通過構(gòu)建帶有生物素標記的探針，發(fā)現(xiàn)蘇木酮A發(fā)揮抗神經(jīng)炎性反應(yīng)的作用靶點為次黃嘌呤核苷磷酸脫氫酶（Inosine Monophosphate Dehydrogenase 2，IMPDH2），利用SPR技術(shù)檢測蘇木酮A和IMPDH2靶標的KD值為3.944 nmol/L[15]。小檗堿是從黃連等中草藥中提取分離得到的一類異喹啉類生物堿，具有抗炎、調(diào)節(jié)脂肪代謝等多種藥理作用，然而相應(yīng)生物學機制仍然不清楚[16]。利用Discovery Studio 2017 R2反向篩選小檗堿的潛在靶點是血管內(nèi)皮細胞生長因子受體2（Vascular Endothelial Growth Factor Receptor 2，VEGFR2），經(jīng)SPR技術(shù)確認小檗堿和VEGFR2在體外有良好的結(jié)合，KD值為0.65 μmol/L[17]。應(yīng)用熒光共振能量轉(zhuǎn)移技術(shù)（Forster Resonance Energy Transfer，F(xiàn)RET），從23個小分子中篩選出小檗堿是潛在的凝血酶抑制劑，兩者特異性結(jié)合KD值為16.39 μmol/L[18]。果膠是人參主要有效成分之一，人參果膠RG-I-4能夠特異性地與半乳凝集素-3的糖識別結(jié)構(gòu)域結(jié)合來抑制活性，KD值為22.2 nmol/L[19]。研究發(fā)現(xiàn)齊墩果酸等三萜類天然產(chǎn)物能夠和埃博拉等病毒的膜蛋白HR2結(jié)構(gòu)域結(jié)合，實現(xiàn)光譜抗感染作用。SPR技術(shù)檢測發(fā)現(xiàn)先導化合物Y11可和HR2結(jié)合，KD值為5.4 μmol/L[20]。甘草成分之一芹糖甘草苷能夠激活TGF/p38MAPK通路提高鹽皮質(zhì)激素受體蛋白表達，SPR技術(shù)檢測發(fā)現(xiàn)芹糖甘草苷和鹽皮質(zhì)激素受體結(jié)合KD值為0.11 μmol/L[21]。

3 SPR技術(shù)在尋找優(yōu)化中藥小分子中應(yīng)用

新藥研發(fā)過程中，針對靶標蛋白的活性化合物篩選尤為關(guān)鍵。中藥具有經(jīng)過臨床驗證的良好功效且不良反應(yīng)小，是有效化合物篩選的理想來源之一[22]。而SPR技術(shù)通量高（常規(guī)96孔或384孔進樣）、特異性強，對于候選小分子純度、溶解度（可含10%DMSO）要求不高，因此可以顯著地提高分析效率[23]。SPR技術(shù)和中藥分子庫結(jié)合有效突破了傳統(tǒng)藥篩方法制約，減小篩選盲目性和工作量，提高藥物篩選效率和成功率[24]。

應(yīng)用SPR技術(shù)可通過檢測靶標和小分子相互作用的KD值大小來快速篩選先導化合物。如針對炎性反應(yīng)遞質(zhì)半胱氨酰白三烯合成的限速酶5-脂氧酶（5-lipoxygenase），通過分子對接和藥效團構(gòu)建模塊進行計算機虛擬篩選后，利用SPR技術(shù)確認來源于17種中藥的11個黃酮類小分子能與5-脂氧酶結(jié)合[25]。以人表皮生長因子受體（Epithelial Growth Factor Receptor，EGFR）為靶標，利用SPR技術(shù)從新疆紫草所含的4種柰醌類活性成分中篩選出一種潛在的EGFR抑制劑2β-二甲基丙烯酰紫草素，KD值為2.31 μmol/L[26]。通過SPR技術(shù)分析確認結(jié)合小分子的作用方式和共性規(guī)律，上述結(jié)果均為開發(fā)靶向5-脂氧酶或EGFR的新藥研發(fā)提供思路和方法。

SPR技術(shù)還可通過和質(zhì)譜等技術(shù)共同配合，快速篩選相應(yīng)小分子。針對核受體超家族的核心成員維甲酸X受體α（Retinoid X Receptor α），將中藥淫羊藿抗炎活性餾分與該靶標蛋白共同孵育，利用含His標簽的重組蛋白進行Pull down捕獲結(jié)合小分子，進一步利用高效液相色譜儀、核磁和質(zhì)譜識別作用分子[27]。最終利用SPR技術(shù)檢測發(fā)現(xiàn)寶藿苷I和維甲酸X受體α能夠結(jié)合，KD值為8.6 μmol/L[27]。將腫瘤壞死因子受體1（Tumor Necrosis Factor Receptor Type 1）做固定相，篩選獲得有結(jié)合小分子后，利用質(zhì)譜確認為大黃素甲醚-8-O-β-D-葡萄糖苷，KD值為376 nmol/L[28]。針對乳腺癌新靶標14-3-3τ蛋白，先通過液相色譜-熒光檢測方法進行篩選，從82個不同類別的天然化合物中獲得苯乙醇苷類等17種化合物，通過SRP技術(shù)確認齊墩果酸、牛蒡子苷等10個特異性結(jié)合化合物[29]。分別將脂多糖和含胞嘧啶-磷酸鹽-鳥嘌呤基序的寡脫氧核苷酸（CpG DNA）固定在SPR芯片上，從114種中藥候選小分子中發(fā)現(xiàn)地骨皮乙素是有效的脂多糖和CpG DNA雙靶點抑制劑[30]。

4 SPR技術(shù)在中藥小分子藥代動力學研究中應(yīng)用

在藥代動力學研究方面，血清白蛋白對藥物小分子的吸收、結(jié)合起著關(guān)鍵作用。以SPR技術(shù)為核心的檢測平臺從黃芩中快速篩選出了針對人血清白蛋白的11個異黃酮類小分子和9個黃芪皂苷類小分子[31]。利用SPR技術(shù)平臺將人血清白蛋白固定在檢測芯片表面，檢測發(fā)現(xiàn)紫草素KD值為21.24 μmol/L[32]。牛磺熊去氧膽酸鈉與牛血清白蛋白存在確定的相互作用，KD值為0.547 μmol/L[33]。雙黃連注射液中的4種類黃酮（黃芩素、黃芩苷、燈盞花乙素和白楊素-7-O-β-D-葡萄糖醛酸苷）均能夠和牛血清白蛋白結(jié)合，KD值范圍在（4～30）×10-4 M[34]。上述結(jié)果均有助于提示紫草素、?；切苋パ跄懰徕c等中藥小分子可和血清白蛋白有效結(jié)合，從而借助血清白蛋白運輸?shù)竭_作用靶點?；赟PR技術(shù)的藥代動力學特性評價可以有效補充相關(guān)中藥小分子與其藥理靶點相互作用關(guān)系。

5 總結(jié)和展望

中醫(yī)藥是一個復雜的體系，但常常由于效應(yīng)物質(zhì)和作用靶點不明確而難以深入揭示其治療疾病的分子機制[35]。“工欲善其事，必先利其器”。以SPR為代表的各種生物傳感技術(shù)以其無標記、靈敏度高、篩選通量大、特異性強，耗損少等優(yōu)點，逐漸成為中醫(yī)藥機制研究中的重要工具之一。目前SPR技術(shù)已經(jīng)在中醫(yī)藥新靶標和潛在作用機制發(fā)現(xiàn)、優(yōu)效中藥小分子尋找等多方面獲得了不錯的成績。結(jié)合確有臨床療效的中醫(yī)藥方法，也隨著SPR技術(shù)本身的不斷發(fā)展與完善，相信必將在今后的中醫(yī)藥機制研究中有更廣泛的應(yīng)用。

參考文獻

[1]潘鋒.我國中醫(yī)藥事業(yè)已進入新的歷史發(fā)展時期——訪中國工程院院士、天津中醫(yī)藥大學校長張伯禮教授[J].中國醫(yī)藥導報，2019，16（22）：1-6.

[2]桑濱生.《中醫(yī)藥發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃綱要（2016-2030年）》解讀[J].世界科學技術(shù)-中醫(yī)藥現(xiàn)代化，2016，18（7）：1088-92.

[3]Bockova M，Slaby J，Springer T，et al.Advances in surface plasmon resonance imaging and microscopy and their biological applications[J].Annu Rev Anal Chem，2019，12（1）：151-76.

[4]Zhao Y，Tong RJ，Xia F，et al.Current status of optical fiber biosensor based on surface plasmon resonance[J].Biosens Bioelectron，2019，142：111505.

[5]Rich RL，Myszka DG.BIACORE J：a new platform for routine biomolecular interaction analysis[J].J Mol Recognit，2001，14（4）：223-8.

[6]Piliarik M，Homola J.Surface plasmon resonance（SPR）sensors：approaching their limits？[J].Opt Express，2009，17（19）：16505-17.

[7]Homola J.Present and future of surface plasmon resonance biosensors[J].Anal Bioanal Chem，2003，377（3）：528-39.

[8]Prabowo BA，Purwidyantri A，Liu KC.Surface plasmon resonance optical sensor：a review on light source technology[J].Biosensors，2018，8（3）：E80.

[9]Winzor DJ.Interpretation of results from the competitive Biacore procedure for characterizing immunochemical interactions in solution[J].J Mol Recognit，2018，31（7）：e2702.

[10]Zhou DD，Ran J，Li CC，et al.Metallothionein-2 is associated with the amelioration of asthmatic pulmonary function by acupuncture through protein phosphorylation[J].Biomed Pharmacother，2019，123：109785.

[11]Crunkhorn S.Asthma：Alternative route to airway relaxation[J].Nat Rev Drug Discov，2018，17（4）：241.

[12]Yin LM，Xu YD，Peng LL，et al.Transgelin-2 as a therapeutic target for asthmatic pulmonary resistance[J].Sci Transl Med，2018，10（427）：eaam8604.

[13]馬松濤，劉冬戀，牛銳，等.牛蒡子苷治療糖尿病腎病的隨機雙盲安慰劑多中心Ⅲ期臨床試驗學雜志[J].中國臨床藥理，2011，27（1）：15-8.

[14]Zhong Y，Lee K，Deng Y，et al.Arctigenin attenuates diabetic kidney disease through the activation of PP2A in podocytes[J].Nat Commun，2019，10（1）：4523.

[15]Liao LX，Song XM，Wang LC，et al.Highly selective inhibition of IMPDH2 provides the basis of antineuroinflammation therapy[J].Proc Natl Acad Sci USA，2017，114（29）：E5986-E94.

[16]劉昊，周志斌.小檗堿調(diào)脂的研究進展[J].藥物評價研究，2019，10（8）：1676-9.

[17]李力，武明飛，余宏鑄.小檗堿靶向結(jié)合VEGFR2抑制血管生成作用的研究[J].安徽醫(yī)科大學學報，2019，54（4）：503-8.

[18]Wang X，Zhang Y，Yang Y，et al.Identification of berberine as a direct thrombin inhibitor from traditional Chinese medicine through structural，functional and binding studies[J].Sci Rep，2017，7：44040.

[19]Gao X，Zhi Y，Sun L，et al.The inhibitory effects of a rhamnogalacturonan I（RG-I）domain from ginseng pectin on galectin-3 and its structure-activity relationship[J].J Biol Chem，2013，288（47）：33953-65.

[20]Si L，Meng K，Tian Z，et al.Triterpenoids manipulate a broad range of virus-host fusion via wrapping the HR2 domain prevalent in viral envelopes[J].Sci Adv，2018，4（11）：eaau8408.

[21]Fan S，Gu K，Wu Y，et al.Liquiritinapioside-A mineralocorticoid-like substance from liquorice[J].Food Chem，2019，289：419-25.

[22]Zhu Y，Zhang Z，Zhang M，et al.High-throughput screening for bioactive components from traditional Chinese medicine[J].Comb Chem High Throughput Screen，2010，13（10）：837-48.

[23]陳朗東，曹巖，朱臻宇，等.表面等離子共振生物傳感器在中藥活性分析中的應(yīng)用[J].藥物分析雜志，2016，36（2）：20-5.

[24]曾瑾，戴瑛，任思沖，等.基于表面等離子共振技術(shù)的藥物抗淀粉樣蛋白聚集作用的實驗方法研究[J].中藥藥理與臨床，2018，34（4）：183-6.

[25]邵欣欣，陳聰，王振國，等.靶向5-LOX中藥黃酮類化合物的活性篩選及其作用方式和共性規(guī)律研究[J].天然產(chǎn)物研究與開發(fā)，2019，31（9）：1506-14.

[26]王嫚，李書文，董旭，等.基于SPR技術(shù)的表皮生長因子受體與新疆紫草中4種活性成分的相互作用[J].中國實驗方劑學雜志，2018，24（13）：32-6.

[27]方慧，鄢慶枇.靶向核受體RXRα的淫羊藿抗炎活性成分的快速精準鑒定[J].國際檢驗醫(yī)學雜志，2017，38（23）：3245-8.

[28]Cao Y，Li YH，Lv DY，et al.Identification of a ligand for tumor necrosis factor receptor from Chinese herbs by combination of surface plasmon resonance biosensor and UPLC-MS[J].Anal Bioanal Chem，2016，408（19）：5359-67.

[29]何田，賈瑋娟，王彎彎，等.基于熒光光譜、表面等離子體共振、分子對接技術(shù)的天然產(chǎn)物中14-3-3τ蛋白抑制劑的篩選[J].國際藥學研究雜志，2019，46（8）：582-90.

[30]Liu X，Zheng X，Long Y，et al.Dual targets guided screening and isolation of Kukoamine B as a novel natural anti-sepsis agent from traditional Chinese herb Cortex lycii[J].Int Immunopharmacol，2011，11（1）：110-20.

[31]Zhang Y，Shi S，Guo J，et al.On-line surface plasmon resonance-high performance liquid chromatography-tandem mass spectrometry for analysis of human serum albumin binders from Radix Astragali[J].J Chromatogr A，2013，1293：92-9.

[32]路萍萍，孟志云，王敏偉，等.表面等離子共振技術(shù)測定藥物與人血清白蛋白的相互作用[J].中國藥理學與毒理學雜志，2007，21（2）：147-51.

[33]張鈴，蔡巧燕，陳達鑫，等.表面等離子共振技術(shù)研究?；切苋パ跄懰徕c與牛血清白蛋白的相互作用[J].福建中醫(yī)藥，2015，46（5）：39-42.

[34]Jiang H，Guan Y，Zhang X，et al.Analysis on molecular interaction mechanism of four hapten flavonoids in Shuang-huang-lian powder injection with bovine serum albumin[J].J Chin Pharm Sci，2017，26（5）：366-71.

[35]Liu S，Yi LZ，Liang YZ.Traditional Chinese medicine and separation science[J].J Sep Sci，2008，31（11）：2113-37.

[36]Wang Z，Li TE，Chen M，et al.miR-106b-5p contributes to the lung metastasis of breast cancer via targeting CNN1 and regulating Rho/ROCK1 pathway[J].Aging，2020，12（2）：1867-1887.

（2020-05-10收稿 責任編輯：徐穎）