【热门应用】WAVE基于GCI技术的分子相互作用动力学分析在药物开发中的应用

Creoptix公司，光学生物传感器企业，2022年加入马尔文帕纳科，拥有zhuan利的光栅耦合干涉（GCI）技术，开创新一代动力学，实现了在更广泛的样品范围内提供更高质量的分子结合亲和力数据和动力学数据。

具备先进的GCI技术的WAVE系列分子互作分析仪，究竟能为生物开发领域带来什么样的支持呢？他和传统的分子互作技术相比又有哪些差异和优势呢？本文将针对以上问题予以解答。

1. 关于光栅耦合干涉技术（GCI）

光栅耦合干涉技术（Grating-Coupled Interferometry, GCI）是一种近年发展起来的具有高灵敏度的基于芯片的非标记生物传感器技术，它区别于依赖荧光和免疫等标记分子的传统分子间相互作用技术。

通过一次GCI实验，用户可以快速、准确、可靠的获取一整套描述分子间相互作用的信息，包括并不限于结合有无、结合特异性、描述结合强弱的亲和力KD或键合常数KA、描述结合快慢与稳定性的动力学常数（结合速率常数ka与解离速率常数kd）、样品活性浓度、分子间结合机制以及理论热力学信息（范德霍夫焓变）等。GCI技术的商业化产品是Creoptix WAVE系列（2022年初被马尔文帕纳科收购作为旗下Label-Free分子互作分析平台的一员）。

 GCI技术具有高灵敏度、分析物的分子量无下限以及捕获快速解离动力学等优势，改进了基于片段的小分子筛选和动力学分析，与无堵塞的流路集成芯片配合使用，加速了药物开发的过程。

图1 光栅耦合干涉技术（GCI）示意图

2. 弱相互作用也能得到很好的数据

在基于片段的筛选中发现的弱结合物通常是根据亲和力而不是动力学进行排名的，因为它们的解离速率常数kd非常快，这是传统的SPR仪器无法解决的问题。然而，由于具有超快速的流路切换时间，Creoptix WAVE系统可以提供出色的分辨率，在高达10 s-1的解离速率下仍然能够可靠地确定动力学，提供了一个多功能的片段药物筛选和分析平台。

使用4PCZ WAVE芯片固定淀粉样纤维蛋白（Amyloid Fibrils），小分子硫黄素（ThT，319 Da）以4种浓度（50 mM ~ 6.25 mM）注入，拟合后显示出10 s-1左右的解离速率常数。

图2 淀粉样纤维蛋白与硫黄素的结合分析

下图为在PCP WAVE芯片上捕获的6-mer寡核苷酸（1.7 kDa）与其互补的ssDNA结合的传感图，拟合后显示出10 s-1左右的解离速率常数。

图3 寡核苷酸与其互补的ssDNA的结合分析

3. 创新的waveRAPID技术

加快药物发现的早期阶段对于更快地将新药送到患者手中至关重要。为了满足用户需求，Creoptix推出了测量动力学的新方法。在传统的动力学实验中，分析物以不断增加的浓度被注入，每次注射的持续时间一样。然而，Creoptix创新的waveRAPID （Repeated Analyte Pulses of Increasing Duration）技术通过以不同时长注入单一浓度的分析物，不断增加在芯片表面的脉冲时间来进行动力学分析，该方法免去了浓度梯度的稀释步骤，大大减少了人为稀释误差和实验前的准备时间。

图4 waveRAPID与传统动力学的方法比较

用waveRAPID和传统的多循环动力学测量小分子化合物FUR（分析物）与碳酸酐酶CAII（配体）的结合。使用WAVEcontrol软件的“Direct Kinetics"分析，两种方法都能提供高度一致的结果。

图5 waveRAPID与传统动力学的数据比较

使用waveRAPID技术，在18小时内完成了对90个小分子的动力学分析，图中显示的结果为筛选过的具有低统计学误差的速率常数，突出展示了三种不同结合强度的相互作用的传感图和拟合图。

图6 小分子药物苗头化合物的waveRAPID动力学筛选

结论

Conclusion

通过Creoptix WAVE所提供的亲和力和动力学信息能够表征药物结合的详细动力学机制，为开发具有高选择性的药物提供了理论基础，使得未来药物设计中的计算和实验更加合理化。提高通量是药物发现过程中经常提到的需求，使用waveRAPID技术大大缩短了总测量时间，在药物发现领域得到了广泛应用。

参考文献

[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.