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【熱門應用】WAVE在本屆生物物理大會掀起GCI技術“熱浪”

釋出時間✘•☁│:2022-12-27      點選次數✘•☁│:243

基於GCI技術的分子相互作用動力學分析

在藥物開發中的應用


本文由馬爾文帕納科醫藥行業業務發展專家范陽晶供稿

2022

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WAVE分子相互作用分析儀亮相

2022年生物物理大會


在剛剛結束的2022年生物物理大會上╃◕▩·☁,由馬爾文帕納科醫藥行業業務發展經理/分子互作產品線經理韓佩韋博士代表公司參與了結構及計算生物學方向的分會報告╃◕▩·☁,並向與會者推介了馬爾文帕納科最新推出的基於光柵耦合干涉GCI技術的分子互作分析儀WAVE╃◕▩·☁,受到了與會者的廣泛關注▩▩₪₪。


此次大會雖受疫情影響臨時改為線上會議╃◕▩·☁,但仍吸引了970餘名參會代表註冊參會╃◕▩·☁,為期三天的會議共有201位來自各大高校╃✘、科研專家的精彩報告╃◕▩·☁,累計參會20萬人次▩▩₪₪。


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那麼會議中受人矚目的╃◕▩·☁,具備先進的GCI技術的WAVE分子互作分析儀╃◕▩·☁,究竟能為生物開發領域帶來什麼樣的支援呢↟☁·?他和傳統的分子互作技術相比又有哪些差異和優勢呢↟☁·?本文將針對以上問題予以解答▩▩₪₪。


1

關於光柵耦合干涉技術(GCI)


光柵耦合干涉技術(Grating-Coupled Interferometry, GCI)是一種近年發展起來的具有高靈敏度的基於晶片的非標記生物感測器技術╃◕▩·☁,它區別於依賴熒光和免疫等標記分子的傳統分子間相互作用技術▩▩₪₪。


透過一次GCI實驗╃◕▩·☁,使用者可以快速╃✘、準確╃✘、可靠的獲取一整套描述分子間相互作用的資訊╃◕▩·☁,包括並不限於結合有無╃✘、結合特異性╃✘、描述結合強弱的親和力KD或鍵合常數KA╃✘、描述結合快慢與穩定性的動力學常數(結合速率常數ka與解離速率常數kd)╃✘、樣品活性濃度╃✘、分子間結合機制以及理論熱力學資訊(範德霍夫焓變)等▩▩₪₪。GCI技術的商業化產品是Creoptix WAVE系列(2022年初被馬爾文帕納科收購作為旗下Label-Free分子互作分析平臺的一員)▩▩₪₪。


GCI技術具有高靈敏度╃✘、分析物的分子量無下限以及捕獲快速解離動力學等優勢╃◕▩·☁,改進了基於片段的小分子篩選和動力學分析╃◕▩·☁,與無堵塞的流路整合晶片配合使用╃◕▩·☁,加速了藥物開發的過程▩▩₪₪。


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圖1 光柵耦合干涉技術(GCI)示意圖


2

弱相互作用也能得到很好的資料


在基於片段的篩選中發現的弱結合物通常是根據親和力而不是動力學進行排名的╃◕▩·☁,因為它們的解離速率常數kd非常快╃◕▩·☁,這是傳統的SPR儀器無法解決的問題▩▩₪₪。然而╃◕▩·☁,由於具有超快速的流路切換時間╃◕▩·☁,Creoptix WAVE系統可以提供出色的解析度╃◕▩·☁,在高達10 s-1的解離速率下仍然能夠可靠地確定動力學╃◕▩·☁,提供了一個多功能的片段藥物篩選和分析平臺▩▩₪₪。


使用4PCZ WAVE晶片固定澱粉樣纖維蛋白(Amyloid Fibrils)╃◕▩·☁,小分子硫黃素(ThT╃◕▩·☁,319 Da)以4種濃度(50 mM ~ 6.25 mM)注入╃◕▩·☁,擬合後顯示出10 s-1左右的解離速率常數▩▩₪₪。

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圖2 澱粉樣纖維蛋白與硫黃素的結合分析


下圖為在PCP WAVE晶片上捕獲的6-mer寡核苷酸(1.7 kDa)與其互補的ssDNA結合的感測圖╃◕▩·☁,擬合後顯示出10 s-1左右的解離速率常數▩▩₪₪。


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圖3 寡核苷酸與其互補的ssDNA的結合分析


3

創新的waveRAPID技術


加快藥物發現的早期階段對於更快地將新藥送到患者手中至關重要▩▩₪₪。為了滿足使用者需求╃◕▩·☁,Creoptix推出了測量動力學的新方法▩▩₪₪。在傳統的動力學實驗中╃◕▩·☁,分析物以不斷增加的濃度被注入╃◕▩·☁,每次注射的持續時間一樣▩▩₪₪。然而╃◕▩·☁,Creoptix創新的waveRAPID (Repeated Analyte Pulses of Increasing Duration)技術透過以不同時長注入單一濃度的分析物╃◕▩·☁,不斷增加在晶片表面的脈衝時間來進行動力學分析╃◕▩·☁,該方法免去了濃度梯度的稀釋步驟╃◕▩·☁,大大減少了人為稀釋誤差和實驗前的準備時間▩▩₪₪。


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圖4 waveRAPID與傳統動力學的方法比較



用waveRAPID和傳統的多迴圈動力學測量小分子化合物FUR(分析物)與碳酸酐酶CAII(配體)的結合▩▩₪₪。使用WAVEcontrol軟體的“Direct Kinetics"分析╃◕▩·☁,兩種方法都能提供高度一致的結果▩▩₪₪。


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圖5 waveRAPID與傳統動力學的資料比較


使用waveRAPID技術╃◕▩·☁,在18小時內完成了對90個小分子的動力學分析╃◕▩·☁,圖中顯示的結果為篩選過的具有低統計學誤差的速率常數╃◕▩·☁,突出展示了三種不同結合強度的相互作用的感測圖和擬合圖▩▩₪₪。


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圖6 小分子藥物苗頭化合物的waveRAPID動力學篩選


結論

Conclusion


透過Creoptix WAVE所提供的親和力和動力學資訊能夠表徵藥物結合的詳細動力學機制╃◕▩·☁,為開發具有高選擇性的藥物提供了理論基礎╃◕▩·☁,使得未來藥物設計中的計算和實驗更加合理化▩▩₪₪。提高通量是藥物發現過程中經常提到的需求╃◕▩·☁,使用waveRAPID技術大大縮短了總測量時間╃◕▩·☁,在藥物發現領域得到了廣泛應用▩▩₪₪。



參考文獻

[1] Kartal O, Andres F, Lai MP, et al. waveRAPID-A Robust Assay for High-Throughput Kinetic Screens with the Creoptix WAVEsystem. SLAS Discov. 2021; 26(8): 995-1003.


[2] FitzGerald EA, Butko MT, Boronat P, et al. Discovery of fragments inducing conformational effects in dynamic proteins using a second-harmonic generation biosensor. RSC Adv. 2021; 11(13): 7527-7537.


相關產品

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WAVE 分子相互作用分析儀


WAVE分子相互作用分析儀擁有基於光柵耦合干涉技術(GCI)的光學生物感測器╃◕▩·☁,且具有創新性的微流控技術╃◕▩·☁,實現了在更廣泛的樣品範圍內提供更高質量的分子結合親和力資料和動力學資料╃◕▩·☁,幫助藥物和生物科學研究人員加快新藥發現和開發的程序▩▩₪₪。與傳統動力學分子互作分析技術相比具有如下優勢✘•☁│:


  • 無需配置濃度梯度樣品

  • 10倍於傳統分子互作技術分析速度

  • 超高靈敏度╃◕▩·☁,捕獲快速動力學

  • 微流控技術╃◕▩·☁,不堵塞流路



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