【熱門應用】WAVE在本屆生物物理大會掀起GCI技術“熱浪”

那么會議中受人矚目的，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(fā)領域帶來什么樣的支持呢？他和傳統(tǒng)的分子互作技術相比又有哪些差異和優(yōu)勢呢？本文將針對以上問題予以解答。

光柵耦合干涉技術（Grating-Coupled Interferometry, GCI）是一種近年發(fā)展起來的具有高靈敏度的基于芯片的非標記生物傳感器技術，它區(qū)別于依賴熒光和免疫等標記分子的傳統(tǒng)分子間相互作用技術。

通過一次GCI實驗，用戶可以快速、準確、可靠的獲取一整套描述分子間相互作用的信息，包括并不限于結合有無、結合特異性、描述結合強弱的親和力K_D或鍵合常數(shù)K_A、描述結合快慢與穩(wěn)定性的動力學常數(shù)（結合速率常數(shù)k_a與解離速率常數(shù)k_d）、樣品活性濃度、分子間結合機制以及理論熱力學信息（范德霍夫焓變）等。GCI技術的商業(yè)化產(chǎn)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(yōu)勢，改進了基于片段的小分子篩選和動力學分析，與無堵塞的流路集成芯片配合使用，加速了藥物開發(fā)的過程。

圖1 光柵耦合干涉技術（GCI）示意圖

在基于片段的篩選中發(fā)現(xiàn)的弱結合物通常是根據(jù)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(shù)k_d非?？?，這是傳統(tǒng)的SPR儀器無法解決的問題。然而，由于具有超快速的流路切換時間，Creoptix WAVE系統(tǒng)可以提供出色的分辨率，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芯片固定淀粉樣纖維蛋白（Amyloid Fibrils），小分子硫黃素（ThT，319 Da）以4種濃度（50 mM ~ 6.25 mM）注入，擬合后顯示出10 s^-1左右的解離速率常數(shù)。

圖2 淀粉樣纖維蛋白與硫黃素的結合分析

下圖為在PCP WAVE芯片上捕獲的6-mer寡核苷酸（1.7 kDa）與其互補的ssDNA結合的傳感圖，擬合后顯示出10 s^-1左右的解離速率常數(shù)。

圖3 寡核苷酸與其互補的ssDNA的結合分析

加快藥物發(fā)現(xiàn)的早期階段對于更快地將新藥送到患者手中至關重要。為了滿足用戶需求，Creoptix推出了測量動力學的新方法。在傳統(tǒng)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(xù)時間一樣。然而，Creoptix創(chuàng)新的waveRAPID （Repeated Analyte Pulses of Increasing Duration）技術通過以不同時長注入單一濃度的分析物，不斷增加在芯片表面的脈沖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。

圖4 waveRAPID與傳統(tǒng)動力學的方法比較

用waveRAPID和傳統(tǒng)的多循環(huán)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軟件的“Direct Kinetics"分析，兩種方法都能提供高度一致的結果。

圖5 waveRAPID與傳統(tǒng)動力學的數(shù)據(jù)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(tǒng)計學誤差的速率常數(shù)，突出展示了三種不同結合強度的相互作用的傳感圖和擬合圖。

圖6 小分子藥物苗頭化合物的waveRAPID動力學篩選