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IVD技术系列丨何谓生物偶联

2020-2-13| 编辑: 班木芙兰| 查看: 1319| 评论: 0|来源: 小桔灯网 |作者:奥斯不卡

摘要: 来源:小桔灯网作者:奥斯不卡生物偶联领域看似云淡风轻,但在生命科学和生物技术上具有巨大的影响。生物偶联的使用在无穷无尽的应用中也已经产生数百万美元的全球经济,包括治愈疾病的功能和发现生活的秘密。甚至现 ...

来源:小桔灯网

作者:奥斯不卡



生物偶联领域看似云淡风轻,但在生命科学和生物技术上具有巨大的影响。生物偶联的使用在无穷无尽的应用中也已经产生数百万美元的全球经济,包括治愈疾病的功能和发现生活的秘密。甚至现在很多最大的制药公司和技术公司根据生物偶联来设计未来产品流水线并且维持着生死攸关的竞争。


药物发展中经常期待的“魔弹”和“靶向药”,在制造高度特异性的具有治疗某些细胞、组织或疾病功效的生物偶联物是非常偶然的。


假如缺乏先进的生物偶联技术来实现这一过程,世界在未来的几十年里在生命科学和药物领域中将不会出现任何的发明和创新。事实上,大多数生物活动研究没有使用一种或多种生物偶联剂去测试、检测、追踪、反应或者捕获靶分子、或高效靶向治疗疾病的话则难以完成。


本文主要提供生物偶联的介绍,以帮助大家理解这一领域的宽度和深度。就最基本方面而言,生物偶联简单地包含一个分子常通过共价键附着到另一个分子上以产生一个由两分子连接在一起的复合物。


大致结构如下:



在大多数情况下,其中至少有一个分子是生物学出身或者生物分子的片段或衍生物。生物偶联最终采取的形式取决于预期的用途和不同组分以及偶联方法。在理解了生物偶联的基本原则后,这个偶联过程可以毫无难度地完成甚至通过选择合适的试剂、反应和条件而变得可控。


由不同分子组成的复合物具有各分子组分的特性,由此产生的新型物质结构通常在自然物质中也找不到。例如,将荧光标志物结合于抗体上形成靶向复合物,并可通过抗原抗体结合位点特异性结合预期生物分子,由于复合物又具有荧光特性,可通过荧光检测靶向生物分子。


因此,合成有效的生物偶联物开始于预期的设定用途,然后选择必要的组分进行合成。常见偶联物类型可通过两个或多个分子连接在一起而产生,其功能仅限制于想象力以及单独组分是否可用于连接。部分图示如下:

偶联物通常通过反应交联剂完成,或使用分子中的某一反应基团完成偶联。偶联反应也可通过第二活化试剂在某一组分产生中间产物或基团以完成连接,由此得到的绝大多数反应基团随后可用于连接一个或多个分子上特定的官能团以完成偶联并获得最终期望复合物。


部分活化试剂类型如下:



常用于共价偶联的官能团约有一二十种,但在大多数偶联过程中,可能只有不到十种可以达到偶联目的。成功形成偶联物的关键是选择合适的交联剂,交联剂包含适当的反应基团,用于偶联分子上的官能团以产生连接。在某种意义上,这恰似选择合适的建筑材料构建分子最终结构。


就像方形柱子不能插入圆孔一样,不合适的交联剂或反应基团也不会产生理想的偶联物或导至次优的产物。


因此,理解生物偶联反应的必要条件是理解如何构建特殊应用的有效偶联物,我们需要获得足够的知识量以确保选择合适的试剂。构建成功且有活性的生物偶联物第一步是选择正确的交联剂或反应基团与另一组分上的官能团反应。


构建生物偶联物可通过正确的偶联两个或多个单独组分以产生具有两个或多个功能的多功能复合物。偶联物可能包含一个或多个亲和分子,用于靶向捕获或检测其他生物分子;也可能包含一个或多个检测分子或酶,毒素,药物或其他有特殊活性或用途的组分。


另外,一些生物偶联物可作为分子支架,这些偶联物可能不具有活性组分,但对构建最终复合物至关重要。就像建筑中的大梁一样,分子支架可提供核心框架和吸附点,将其他分子连接到整体部件中。


相对于无分子支架,使用分子支架也可以实现某一分子多拷贝偶联并变成更具活性的最终偶联物,潜在地提高检测灵敏度。因此,一个预期的偶联物可包含不同组分直接连接形成的复合物或者由不具有生物活性但为整体性能做贡献的中介分子。


部分分子支架如下:



另外,生物偶联物可以设计成包含与其他蛋白相互反应的小分子亲和配体,这些非共价反应的蛋白反过来起着支架功能并提高结合功能。例如生物素可以连接到一个分子上,然后与(链霉)亲和素反应。


生物素和(链霉)亲和素反应极其强烈,并且呈现高度特异性。例如,抗体生物素化使得靶蛋白检测可使用第二偶联物,如荧光素标记(链霉)亲和素复合物。


通常(链霉)亲和素偶联到生物素化抗体上比直接偶联到抗体带有更多的检测分子,在测试中使用这种偶联物比单一的抗体检测偶联物具有更高的灵敏度。生物素化偶联物也可通过固化的(链霉)亲和素颗粒或树脂从复杂样本溶液中捕获或纯化。


比对直接标记抗体检测偶联物和生物素化抗体加(链霉)亲和素标记第二偶联物在功能和使用上的区别反应了偶联物的功能通常取决于由构成整体的单一组分的功能。在某种意义上,荧光标记的抗体可以使用和直接检测,然而生物素化抗体同另一偶联物一同使用,如荧光标记(链霉)亲和素,和直接偶联物一样提供相同类型的检测能力。


具体示意图如下:



一个设定的偶联物所有组分的性能决定了整体的性能,应用和使用方法。设定有效的生物偶联物必须设定最终复合物主要的特征和使用方法,然后选择最佳的组分和反应策略以获得预期的产品或产物。


从表面看,使用荧光标记抗体复合物似乎比使用生物素化抗体连接荧光标记(链霉)亲和素复合物更为简单,因为简单的偶联物容易得到和使用。


然而,简单的结论不能代表全部真实情况。生物素化抗体表面连接有更多的生物素,这意味着允许更多的(链霉)亲和素连接到抗体上。如果每一个(链霉)亲和素分子也包含多个荧光标记物,由此产生的复合物比直接荧光标记抗体拥有更多的荧光分子。


因此,在测试中检测靶分子时,使用生物素化抗体连接荧光标记(链霉)亲和素复合物相对于直接荧光标记抗体会产生更多的荧光信号。


多层共轭复合物经常导至更多分子在靶分析物位点上聚集,从而在该位点产生更强的信号。


另外,一些偶联物如生物素修饰抗体可以多样化使用。生物素化抗体除了可以用于测试或检测,还可用于结合细胞裂解物中的靶蛋白,然后用固化有(链霉)亲和素的亲和介质分离靶蛋白。


具体示意图如下:


显然,选择最佳的生物偶联方式对设定偶联物最终如何使用至关重要。


后续我们将更详细探讨这方面内容,如有错误欢迎批评与指正。


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