Биосенсоры, основанные на принципах поверхностно-плазмонного резонанса,
успешно применяются как мощный чувствительный метод анализа в режиме
реального времени в различных областях как прикладных, так и фундаментальных
биологических исследованиях. Этот метод позволяет изучать кинетику и аффинность
взаимодействия биологических молекул, не повреждая аналиты, с минимальным
потреблением реагентов, производя прямое измерение констант связывания и
аффинности.

До настоящего времени массовому применению этого метода мешала
высокая стоимость и ограничения приборов, использующих призмы. Сейчас
активно развиваются иные варианты оптических схем для детекции, позволяющие
преодолеть эти ограничения.

Метаповерхности, основанные на резонансных субволновых фотонных структурах, позволяют использовать новые методы управления волновым фронтом и фокусировкой света. Они легли в основу устройств нового поколения SPR с плоской оптикой. Технологические инновации, экономическая эффективность и миниатюризация являются ключевыми факторами, определяющими коммерческую адаптируемость и устойчивость сенсорных платформ.

Наноплазмонные биосенсоры, основанные на массивах наночастиц или наноотверстий, использующиеся в системах для анализа взаимодействия биологических молекул WeSPRTM компании Gelichem, особенно привлекательны из-за их перспективности для разработки различных миниатюрных устройств для клинической диагностики, мониторинга за здоровьем и для изучения окружающей среды.

Периодическая матрица действует как решетка и согласует импульс падающего света с поверхностным плазмоном. Поскольку металлические наноструктуры в диэлектрических средах могут быть заменены полыми или диэлектрическими структурами, наноотверстия действуют как перевернутые полые наноструктуры, ограничивая падающие на их периферию электромагнитные поля.

Для детекции используется возбуждение неполяризованным светом, не требующее сложных оптических компонентов. Таким образом, мета-SPR с использованием наноплазмонных биосенсоров позволяет:

• усилить локальный ответ и, как следствие, чувствительность детекции;
• упростить оптическую схему и в результате снизить стоимость оборудования;
• уменьшить влияние фона и получить лучшую совместимость при использовании неочищенных образцов.

Метод открывает широкие возможности для исследователей в разных областях молекулярно-биологических исследований. Ниже представлены некоторые примеры успешного применения приборов WeSPR One Auto для изучения различных объектов.

Однодоменные антитела, или нанотела, очень интересны для биомедицинских исследований, т. к. они хорошо растворимы по сравнению с обычными антителами, способны к рефолдингу. Небольшой размер и однодоменная природа позволяет им легко проникать в структуры, недоступные для полноразмерных антител. Они более стабильны благодаря дополнительным дисульфидным мостикам, а производство нанотел обходится дешевле,чем производство классических антител.

Эти особенности делают их интересными для использования в диагностике и терапии. В частности, нанотела могут проникать в плотные солидные опухоли, преодолевать гематоэнцефалический барьер, что делает их перспективными для диагностики или в качестве средств доставки терапевтических молекул.

Yi Shi et al. из центра белковой инженерии и терапии медицинской школы Маунт-Синай, отделение фармакологических наук использовали WeSPR One Auto для изучения сродства нанотел к антителам. В данной работе кинетику связывания и аффинность изучали на WeSPR One Auto с помощью 2 различных экспериментальных протоколов, используя разные механизмы иммобилизации антигена. Обе методики показали отличную сходимость результатов, надежность и точность этого метода для изучения кинетики взаимодействия нанотел с антигенами.

Низкоаффинные Fcγ-рецепторы, ответственные за распознавание Fc-фрагмента молекул иммуноглобулинов (Ig), обычно в связанном с антигеном состоянии являются связующим звеном между врожденным и гуморальным иммунитетом. Они играют значимую роль при воспалительных и инфекционных заболеваниях. При этом на поверхности клеток человека имеется несколько типов Fcγ-рецепторов, выполняющих разные функции, имеющих разное сродство к активному центру.

В семействе FcγR-рецепторов присутствуют как активационные, так и ингибирующие рецепторы. Все они имеют различные условия связывания, воздействуют на различные эффекторы. В частности, FcγRs является медиатором различных эффекторов, таких как ADCC, ADCP, and CDC. Таким образом, при разработке терапевтического антитела важно изучить условия связывания с нужным сайтом в семействе FcγR-рецепторов.

В одной из работ изучали кинетику связывания тоцилизумаба, использующегося для лечения ревматоидного артрита средней и тяжелой степени с активационным рецептором Fcγ (CD32a). При этом использовался NTA-биосенсор, на который иммобилизовали разные концентрации CD32a. Эксперимент показал, что тоцилизумаб быстро связывается, и комплекс также быстро диссоциирует. Полученные результаты прекрасно совпадают с официальными данными по лекарственному препарату «Тоцилизумаб».

Препараты ADC состоят из рекомбинантного моноклонального антитела и ковалентно связанного с ним лиганда (обычно цитотоксина). Использование таких препаратов пока ограничивается онкологией ‒ антитело селективно связывается с рецептором опухолевой клетки, а токсин убивает ее. В последнее время интерес к этой технологии возрастает ‒ за последние четыре года было одобрено восемь новых препаратов.

Препарат «Сацитузумаб говитекан» сочетает антитело Anti-Trop-2 и SN-38а в качестве ингибитора, связанные через гидролизуемый линкер CL2A. В таком комплексе ингибитор может оказывать отрицательное влияние на связывание антитела с антигеном. Поэтому важно изучить взаимодействие всего комплекса с антигеном. Для исследования препарата Сацитузумаб говитекан с антигеном использовался карбоксильный чип, на которые был иммобилизован Trop-2 в качестве лиганда. «Сацитузумаб говитекан» использовался в качестве аналита. Препарат показал высокий уровень связывания, и полученные количественные характеристики хорошо совпадают с данными из досье препарата.

Биоспецифические антитела вызывают огромный интерес за счет возможности одновременно связываться с двумя разными типами антигена или двумя эпитопами одного и того же антигена. Способность распознавать одновременно два антигена может привносить дополнительные возможности при использовании терапевтических агентов.

Так разработанное в Китае уникальное биспецифическое антитело кадонилимаб нацелено на PD-1/CTLA-4, но имеет меньшую токсичность, чем комбинация этих антител (белка программируемой клеточной гибели 1 (PD-1) и цитотоксического антигена, ассоциированного с Т-лимфоцитами-4 (CTLA-4)). Препарат применяется для лечения аденокарциномы лёгких. Для изучения взаимодействия лекарственного препарата с мишенями использовали карбоксильный сенсор, на который иммобилизовали разные антигены. Взаимодействие биспецифического антитела показало хорошее сродство к обоим антигенам, чуть выше с CTLA-4.

Традиционная китайская медицина использует травы. Изучение кинетики связывания с таргетными белками и аффинность активных ингредиентов существенно помогает изучению механизма действия трав. Такие исследования помогли бы создать более сильные и эффективные лекарственные средства.

Активные ингредиенты представляют собой небольшие молекулы (в рассматриваемом примере всего 480 Да). Белок-мишень был ковалентно иммобилизован на карбоксиметиловом сенсоре. Несмотря на небольшой вес комплекс показал высокую аффинность и высокую чувствительность метода.

Разработка иммунотестов с использованием специфических антител для выявления антигенов играет решающую роль в диагностике заболеваний, анализе воды, обнаружении патогенов пищевого происхождения, мониторинге безопасности пищевых продуктов и окружающей среды. Мета-SPR открывает возможности для применения этой высокочувствительной технологии для массовых исследований.

Быстрое и чувствительное выявление коронавируса 2-го типа с тяжелым острым респираторным синдромом (SARS-CoV-2) имеет решающее значение для ранней диагностики и своевременного лечения COVID-19. C-реактивный белок (CRP) является общепризнанным биомаркером для клинической диагностики острых респираторных заболеваний.

Используя принципы мета-SPR, группе исследователей из Школы естественных наук и технологий, Университета науки и технологий Хуачжу, Ухань удалось создать простой метод диагностики SARS-CoV-2 без меток в формате 96-луночного планшета для динамических измерений кинетики связывания CRP и анти-CRP антител с количественным определением концентрации CRP в сыворотке крови. На специальные 96-луночные планшеты с наноплазмонным слоем на дне лунок иммобилизуют анти-CRP. Такая система позволяет детектировать CRP с пределом обнаружения 2,36 нг/мл, используя простые ридеры.