基于细胞的生物传感器:用石英晶体微天平方法研究膜蛋白相互作用

　　现代药物的发展是一个耗时和昂贵的业务，从药物发现到进入市场需要10亿美元的投入[1]。开发成本在临床试验中升高，因此在药物开发早期选择最优的候选目标物对于避免后期药物研发失败是至关重要的。传统的传感器是药物发现的重要而强大的工具，因为它们能检测候选药物和靶体的相互作用。然而，大多数的生物传感器仅限于把纯化的目标分子固定在传感器的表面，这种方法把目标物的生物背景简单化了，提供的是一个不完整的体内信息。真核细胞膜蛋白，如G蛋白偶联受体(GPCRs)和离子通道是目前超过60%治疗药物的完美目标[2]。这些生物大分子需要脂质双层来保持它们的结构和功能，因此用传统的传感器不容易对它们进行分离和研究。另一方面，传统的细胞阵列适合于研究细胞的相互作用，但是不能解释细胞本身的全动态情况。200生物传感器(Attana AB, Stockholm,Sweden) 能检测目标物在生物基质条件下的无标、全实时动力学情况(见图1)。

　　细胞可以直接在传感器表面生长，和传统的传感器一样通过连续流引入相互作用的生物分子。该仪器还兼容标准生物传感器表面，因此可用于比较键合的纯化目标和相互作用的细胞。此生物传感器由石英晶体微天平和细胞传感芯片结合而成。

　　1 石英晶体微天平(QCM)技术

　　QCM就像一个非常灵敏的天平，可以通过测量分子的重量研究分子间相互作用。当在传感器表面添加或者减少分子时，传感器晶体的振荡频率会发生变化。振荡频率的变化同表面质量的变化相关。QCM技术不存在其他生物传感器常有的“表面亲和”效应，从而使其可能成为能检测键合大分子物质(例如细胞)的仪器。

　　2 细胞传感器芯片

　　细胞传感器芯片(图2)允许用户直接在细胞优化的聚苯乙烯表面培养哺乳动物细胞。细胞悬浊液加入培养体系，细胞吸附在其表面。可用荧光显微镜验证细胞生长和细胞密度。通过用栽培盖更换测量盖，细胞传感器芯片可以停靠在仪器中，用于实验测量目标与细胞表面上的相互作用的生物传感器实验就可以开始了。

　　3 生物基质背景下分子间相互作用

　　基于细胞的生物传感器可以用在研究天然细胞膜环境下的膜蛋白质。并且这一研究可以通过多种方法实现：从传感器表面膜固定化到直接在细胞上研究相互作用。以下两个例子涵盖了其可能的应用范围。第一个与脂肪颗粒有关，第二个与细胞有关系。天然细胞膜组成的脂肪颗粒都持久和稳定，因此非常适合于研究分子间的相互作用。在本应用实例中，直径150 nm的脂肪颗粒(Integral Molecular,Philadelphia, PA)结合GPCR趋化因子4 (CXCR4)用于研究CXCR4和抗CXCR4抗体间的相互作用。使用memLAYER试剂(Layerlab, Gothenburg, Sweden)把含有CXCR4的颗粒固定到Attana生物素传感器的表面(Attana AB)。该试剂是基于该公司专有的TetheredEnhanced Liposome Immobilisation (TELI)技术，由在脂质双层下天然结合的胆固醇-DNA链和固定在Neu-trAvidin涂层的传感器芯片(Pierce, Rockford, IL)上的互补的生物素-DNA链所组成。通过DNA杂交的方式使传感器表面稳定地捕获脂肪颗粒。