光纖SPR傳感器在抗感染中藥作用機(jī)理的應(yīng)用*

張鶴林, 張 康, 張國龍, 陳慶梅

(江西中醫(yī)藥大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院，江西 南昌 330004)

光纖SPR傳感器在抗感染中藥作用機(jī)理的應(yīng)用*

張鶴林, 張 康, 張國龍, 陳慶梅

(江西中醫(yī)藥大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院，江西 南昌 330004)

提出一種基于光纖表面等離子體共振(SPR)傳感器的檢測(cè)法，檢測(cè)抗感染中藥與細(xì)胞因子和受體間的相互作用。采用真空熱蒸鍍法鍍雙層金屬膜制作一種雙金屬光纖SPR生物傳感器，應(yīng)用直接法完成中藥作用機(jī)理檢測(cè)。該傳感器具有快速、客觀、準(zhǔn)確、高效的中藥作用機(jī)理檢測(cè)功能，獲得了相應(yīng)數(shù)據(jù)。光纖SPR生物傳感器的應(yīng)用使得中藥作用機(jī)理過程的檢測(cè)具有實(shí)時(shí)高效的優(yōu)點(diǎn)，有望在抗感染中藥作用的靶點(diǎn)和分子機(jī)理研究中取得新的突破。

表面等離子體共振傳感器；中藥；作用機(jī)理

0 引 言

感染性疾病是由病毒、支原體、衣原體、真菌、分支桿菌、寄生蟲等所引起的疾病，嚴(yán)重危害著人類的生命與健康,抗生素的出現(xiàn)與應(yīng)用在預(yù)防和治療感染性疾病方面發(fā)揮了巨大作用，但同時(shí)抗生素的濫用也帶來了更為嚴(yán)重的問題[1]。中醫(yī)藥是一個(gè)偉大的寶庫，許多中藥制劑與抗生素類藥物相比，臨床療效好并且毒副作用小,在臨床治療中取得了確切的療效，但遺憾的是中藥的作用機(jī)理和靶點(diǎn)至今不甚明了，成為中藥不能被西方國家認(rèn)可和接受的重要原因[2]。對(duì)于中藥的作用機(jī)理的研究，目前較普遍的觀點(diǎn)是調(diào)節(jié)細(xì)胞因子網(wǎng)絡(luò)的功能態(tài)平衡；而細(xì)胞因子的調(diào)節(jié)作用是通過激活其特異性受體實(shí)現(xiàn)的[3]。

本文提出一種基于光纖表面等離子體共振(SPR)傳感器的檢測(cè)法，并給出一種較為客觀的抗感染中藥作用機(jī)理研究方案，為中醫(yī)藥現(xiàn)代化做出貢獻(xiàn)。

1 光纖SPR傳感器的制作

SPR傳感器檢測(cè)技術(shù)是一種基于物理光學(xué)特性的分析技術(shù)，其基本原理為當(dāng)入射光以臨界角入射到2種不同透明介質(zhì)的界面時(shí)將發(fā)生全反射，反射光強(qiáng)度在各個(gè)角度上都應(yīng)相同，但若在介質(zhì)表面鍍上一層金屬薄膜后，由內(nèi)全反射形成的衰減波會(huì)引起金屬中自由電子產(chǎn)生共振，從而導(dǎo)致反射光在一定角度內(nèi)大大減弱，其中使反射光完全消失的角度稱為SPR共振角[4]。共振角會(huì)隨金屬薄膜表面通過的液相的折射率而改變，折射率的改變又與結(jié)合在金屬表面的生物分子質(zhì)量呈正比，因此，可以進(jìn)行定性、定量分析。

設(shè)計(jì)的光纖SPR生物傳感器將波長范圍為300 nm左右的紫外光源作為入射光源，傳感部分采用了纖芯25 μm石英光纖作為信號(hào)傳輸通道[5]，考慮到銀的SPR特性最好,但是又不如金穩(wěn)定,較易氧化等原因，本文采用鍍雙層金屬膜的方法制作，內(nèi)層用厚度為40 nm的銀，外層再鍍一層厚度為10 nm左右的金，對(duì)其進(jìn)行保護(hù)與修飾，這樣制作的雙層膜相比單層在同等檢測(cè)方式下會(huì)使得傳感器具有更高的靈敏度。傳感器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 光纖SPR傳感器結(jié)構(gòu)Fig 1 Optical fiber SPR sensor structure

SPR傳感器是一種親和型光學(xué)生物傳感器，具有無標(biāo)記、實(shí)時(shí)、在線的檢測(cè)生物分子之間的相互作用的特點(diǎn)，抗感染中藥作用機(jī)理的研究中，SPR生物傳感器的應(yīng)用能較好地檢測(cè)中藥與細(xì)胞因子和受體間的相互作用，從而確定抗感染中藥有效成分對(duì)細(xì)胞因子及其相應(yīng)受體結(jié)合的影響，有望在抗感染中藥作用的靶點(diǎn)和分子機(jī)理研究中取得新的突破。

2 光纖SPR傳感器的應(yīng)用

2.1 實(shí)驗(yàn)方案

采用直接法進(jìn)行檢測(cè)，為保證抗體與抗原較為充分的作用，將進(jìn)樣系統(tǒng)設(shè)計(jì)成U 形試管，光纖SPR傳感器從中通過。采用吸附法將抗感染中藥有效成分與傳感器芯片結(jié)合。因此，在U形管中偶聯(lián)在傳感器芯片表面的生物識(shí)別中藥有效分子與待檢細(xì)菌溶液進(jìn)行作用。最后通過高靈敏度CCD來探測(cè)接收光纖末端輸出的光信號(hào)，并對(duì)該信號(hào)進(jìn)行初級(jí)放大進(jìn)而得到輸出光的強(qiáng)度參數(shù)。

采用真空熱蒸鍍法對(duì)所使用的ST光纖探針鍍雙層金屬膜[5]。為提高銀膜與光纖襯底之間的粘附力，先在光纖表面鍍上一層大約1 nm左右厚度的鉻層。合適選擇與研究對(duì)象作用相關(guān)的細(xì)胞因子受體體系，以求使實(shí)驗(yàn)過程更接近體內(nèi)環(huán)境。同時(shí)還應(yīng)避免在分離純化過程中破壞了蛋白質(zhì)的活性和特性，事先將富含相關(guān)受體的細(xì)胞膜碎片或培養(yǎng)細(xì)胞直接結(jié)合在傳感器芯片表面，再偶聯(lián)抗感染中藥有效成分，檢測(cè)相互作用過程，以獲得抗感染中藥藥物反應(yīng)過程中的吸附和解離常數(shù)以及被測(cè)對(duì)象濃度等相關(guān)參數(shù)，達(dá)到檢測(cè)抗感染中藥有效成分對(duì)細(xì)胞因子及其相應(yīng)受體結(jié)合的影響。

具體技術(shù)路線與實(shí)驗(yàn)方案如圖2。

圖2 光纖SPR傳感器應(yīng)用技術(shù)路線框圖Fig 2 Block diagram of application technology roadmap of optical fiber SPR sensor

2.2 抗感染中藥作用實(shí)驗(yàn)

在實(shí)驗(yàn)階段主要需解決以下4個(gè)問題：1)選擇具有代表性的細(xì)菌和抗感染中藥；2)對(duì)受體結(jié)合物分子進(jìn)行分析，改進(jìn)實(shí)驗(yàn)方案；根據(jù)改進(jìn)方案進(jìn)行監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)，分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果；3)評(píng)估基于光纖SPR傳感器的抗感染中藥作用機(jī)理中的可行性，并與其它方法進(jìn)行對(duì)比得出其優(yōu)勢(shì)和未來的應(yīng)用前景；4)確定抗感染藥物的作用靶點(diǎn)，完成檢測(cè)抗感染中藥與細(xì)胞因子和受體間的相互作用，微觀的解釋并闡明抗感染中藥的作用機(jī)理。

本研究選擇現(xiàn)今分離率較高并且與常見泌尿生殖道疾病有關(guān)解脲支原體(Uu)與抗感染中藥尿路清之間的作用過程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，通過設(shè)計(jì)的光纖SPR傳感器系統(tǒng)對(duì)其作用過程進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果如表1。

表1 光纖SPR傳感器應(yīng)用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果Tab 1 Experimental data result of optical fiber SPR sensor application

以上數(shù)據(jù)與采用傳統(tǒng)方法進(jìn)行檢測(cè)結(jié)果相符，但本方法具有更加快速與實(shí)時(shí)的特點(diǎn)。體現(xiàn)了光纖SPR傳感器在抗感染中藥的作用機(jī)理研究中的價(jià)值,有望為抗感染中藥的作用機(jī)理研究提供更合適有效的方案。

3 結(jié)束語

本文采用真空熱蒸鍍法對(duì)光纖鍍雙層金屬膜的方法制作了光纖SPR生物傳感器，該傳感器具有靈敏度高、實(shí)時(shí)、在線的特點(diǎn)，通過直接法檢測(cè)抗感染中藥與細(xì)胞因子和受體間的相互作用，確定抗感染中藥有效成分對(duì)細(xì)胞因子及其相應(yīng)受體結(jié)合的影響。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：該傳感器較好地完成了抗感染中藥作用過程中的相關(guān)必要參數(shù)的獲取，從而給出一種較為客觀的抗感染中藥作用機(jī)理研究方案，為闡明抗感染中藥作用機(jī)理給出依據(jù)，也推進(jìn)了中醫(yī)藥現(xiàn)代化的進(jìn)程。

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Application of optical fiber SPR sensor in anti infection mechanism of traditional Chinese medicine*

ZHANG He-lin, ZHANG Kang, ZHANG Guo-long, CHEN Qing-mei

(School of Computer,Jiangxi Traditional Chinese Medicine University,Nanchang 330004,China)

Put forward a detection method based on optical fiber SPR sensor，detect interaction of anti infection traditional Chinese medicine and cytokines and receptors.Vacuum thermal evaporation method is used to plate double layer metal film to fabricate a kind of double metal fiber SPR biosensor,direct method is applied to complete mechanism detection of traditional Chinese medicine.The sensor has working mechanism detection function of traditional Chinese medicine of fast，objective,accurate,and high efficient and corresponding datas are obtained.Application of fiber-optic SPR biosensor makes process detection of working mechanism of traditional Chinese medicine has advantages of high efficient and real time,it is expected to achieve new breakthroughs in target point of anti infection traditional Chinese medicine and molecular mechanism research.

SPR sensor; traditional Chinese medicine; working mechanism

10.13873/J.1000—9787(2014)10—0155—02

2014—03—06

江西省衛(wèi)生廳中醫(yī)藥科研項(xiàng)目(2013A088)；江西中醫(yī)藥大學(xué)重點(diǎn)學(xué)科資助項(xiàng)目(2013JZZDXK032)

TP 212.3

A

1000—9787(2014)10—0155—02

張鶴林(1979-)，男，湖北黃岡人，碩士,講師，研究方向?yàn)獒t(yī)療電子、傳感器技術(shù)。