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表面等离子共振(SPR)技术助力中药现代化研究
来源:原创 | 作者:澳门沙金技术部 | 发布时间: 2020-12-30 | 5215 次浏览 | 分享到:

2020年接近尾声,突如其来的一场疫情给人们的生活带来巨大影响。中西医结合,中药与西药联用,在病毒感染引起的新冠肺炎治疗,挽救生命,战胜疫情中发挥着重要作用。但是因为中药成分多样,与疾病的相互作用非常复杂,难以分析其有效成分及作用机制,极大地限制了中药的广泛使用。近年来,随着生物信息学和其它分析技术的进展,中药活性成分表征、鉴定及分子机制方面的研究和应用越来越多,有望使中药更加造福于现代医疗。

作为生命科学研究最新手段之一的SPR技术由于其研究分子互作的实时性、超高灵敏度、高专一性、可以同时测定动力学常数和解离平衡常数等特点,已成为药物研发全流程和质量控制的必需技术,并被2020版中国药典收录。同样,在中药活性成分的表征鉴定、分子靶标的筛选、候选药物分子的改造以及药物质控等方面,SPR也发挥着非常重要的作用。

  1.               1. 中药活性分子直接作用靶点的识别与确证

苏木酮A(SA)是从传统中药苏木中分离得到的一个天然抗炎活性小分子,抗神经炎症效果明确,但是其作用靶点和机理尚不清楚。北京大学的研究团队先将苏木酮A改造成一个活性分子探针,从神经小胶质细胞中垂钓到其抗炎靶点蛋白为IMPDH2;然后利用SPR分析确认了苏木酮A与靶点蛋白IMPDH2之间具有较强的结合能力(KD=3.9 nM)。

2. 天然产物靶向垂钓

基于SPR-MS的垂钓技术能在分子水平上发现和鉴定新的天然产物药物,通过将“靶点蛋白”固定在芯片表面,当被检测样品流过芯片表面时,未知的互作因子能够与“靶点蛋白”相结合, 实现对未知相互作用分子的俘获,再结合质谱等技术鉴定出未知因子结构。




第二军医大学的研究人员以肿瘤坏死因子受体(TNFR)为“捕获蛋白”,采用SPR垂钓技术进行了5种中药的筛选和分离,最终从大黄中分离回收得到了TNFR的配体。

3. 先导化合物的优化与确认

天然产物雷公藤红素(celastrol )能够很好的抑制肿瘤靶点CDC37的活性。研究人员从celastrol的基本结构(三萜)出发合成了其他的化合物,然后用分子互作技术测定了所有化合物与药物靶点CDC37相互作用;通过对其他衍生物的亲和力比较,SPR技术给出了这种天然产物的先导化合物改造路径,为后续的药物开发提供了关键作用。

4. 传统中药抗病毒机制研究

三萜是一类含疏水五环骨架的植物次生代谢物,通常认为是植物防御病原体感染的重要化学成分,广泛存在于自然界。为了揭示这类三萜天然产物广谱抗病毒的作用机制,北京大学的研究人员利用SPR技术发现这些三萜物质通过结合到流感、埃博拉和HIV病毒等I型RNA病毒膜蛋白的HR2结构域,抑制了HR1-HR2三聚体发夹状结构形成,进而阻碍了病毒-细胞膜融合;最终揭示了三萜天然产物广谱抗病毒的分子机制。

5. 药材的质量控制 

中国医学科学院药用植物所杨美华研究员带领的团队利用Au/Fe3O4纳米复合材料为放大标签,借助澳门沙金的表面等离子体共振检测仪(MI-S200 SPR),实现了多菌灵农药残留检测的新方法。研究人员设计了合理的放大模式,利用MI-S200 SPR检测平台,检测多菌灵的检测下限(LOD)为0.44ng·ml1;对比酶联免疫分析方法,整个分析方法的灵敏度提高了近1个数量级。利用这种方法检测了药材枸杞,其添加回收率102.4%~115.0%,RSD<10%,检测结果与UPLC-MS/MS的检测结果完全一致。该研究成果以“A gold/Fe3O4 nanocomposite for use in a surface plasmon resonance immunosensor for carbendazim”为题发表在Microchimica Acta上 [1]

最近发表的两篇抗新冠病毒中药化合物筛选的文章,进一步显示了SPR在中药活性成分鉴定及分子机制研究方面发挥的重要作用[2][3]

1)Chinese herbal compounds against SARS-CoV-2: Puerarin and quercetin impair the binding of viral S-protein to ACE2 receptor

作者利用中药系统药理学分析数据库和分析平台(TCMSP),以及分子对接分析工具,筛选出与ACE2亲和力得分高的两个分子-葛根素和槲皮素。用SPR分析了它们与ACE2结合的动力学常数。在SPR上作竞争性抑制实验,发现它们可以显著抑制病毒S蛋白与ACE2的结合。



2)Network pharmacology, molecular docking integrated surface plasmon resonance technology reveals the mechanism of Toujie Quwen Granules against coronavirus disease 2019 pneumonia

第一个用于新冠肺炎的中成药-透解祛瘟颗粒,可以降低重症率和死亡率。作者将透解祛瘟颗粒中的所有药材做了基于SARS-CoV-2病毒靶点的生物信息学分析。分子对接结果显示其中四个分子(包括槲皮素)得分高于其它化合物。SPR实验显示槲皮素更多地与SARS-CoV-2的S蛋白结合,而不是与ACE2结合。




槲皮素与Spike蛋白的SPR实验,KD=1.69*10e-5M

上述两篇文章都利用生物信息学工具筛选出有潜在治疗作用的化合物,然后将其与新冠病毒的致病靶点(S蛋白和ACE2)做SPR分析,得到动力学常数,第一篇文章还做了基于SPR的竞争抑制实验,对分子机制做了一定探讨。

值得一提的是,目前已经有一项关于槲皮素磷脂复合物作为辅助疗法治疗新冠肺炎患者的临床II期实验在巴基斯坦注册,目前处于患者招募阶段(https://www.clinicaltrials.gov/ct2/show/NCT04578158?cond=quercetin&draw=2&rank=1)。

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参考文献:

  1. Li Q, Dou X, Zhao X, Zhang L, Luo J, Xing X, Yang M. A gold/Fe3O4 nanocomposite for use in a surface plasmon resonance immunosensor for carbendazim. Mikrochim Acta. 2019 Apr 30;186(5):313. doi: 10.1007/s00604-019-3402-0. PMID: 31041544.
  2. Pan B, Fang S, Zhang J, Pan Y, Liu H, Wang Y, Li M, Liu L. Chinese herbal compounds against SARS-CoV-2: Puerarin and quercetin impair the binding of viral S-protein to ACE2 receptor. Comput Struct Biotechnol J. 2020;18:3518-3527. doi:10.1016/j.csbj.2020.11.010. Epub 2020 Nov 11. PMID: 33200026; PMCID: PMC7657012.
  3. Ye M, Luo G, Ye D, She M, Sun N, Lu YJ, Zheng J. Network pharmacology, molecular docking integrated surface plasmon resonance technology reveals the mechanism of Toujie Quwen Granules against coronavirus disease 2019 pneumonia. Phytomedicine. 2020 Oct 28:153401. doi: 10.1016/j.phymed.2020.153401. Epub ahead of print. PMID: 33191068.