分子互作分析的“金标准”：SPR技术能解决哪些实际问题？

在新药研发和生命科学探索中，科学家们常常面临一个核心问题：A分子与B分子之间究竟有没有相互作用？它们结合得有多强？结合之后多久会分开？

传统检测方法（如ELISA）通常只能提供终点的定量结果，却无法回答结合过程“有多快”“有多强”“持续多久”这些动态问题。而这些动态信息，恰恰是理解生物分子调控机制、筛选先导化合物、优化抗体亲和力的关键依据。

SPR（表面等离子体共振）技术的出现，让这一切变得“可见”。它像一台精密的分子天平，能够实时追踪分子间结合与解离的全过程，并以传感图的形式直观呈现出来。凭借这一独特优势，SPR已被公认为生物分子互作分析的“金标准”技术。

其核心原理是：当偏振光通过棱镜照射到覆有金属膜的传感器芯片表面时，会在特定角度下激发表面等离子体共振，该角度对芯片表面介质的折射率变化极其敏感。当芯片上固定的靶分子捕获到溶液中的待测物时，表面质量增加，折射率改变，SPR角发生偏移。通过实时监测这一偏移量随时间的变化，可精确测定分子间结合的动力学参数——结合速率（ka）、解离速率（koff）和亲和力常数（KD），为药物筛选、生物传感及生命科学基础研究提供关键的定量依据。

SPR实验原理及结果图（文献1)

 

以下，我们将从蛋白-小分子互作、蛋白-蛋白互作、核酸-蛋白互作及生物传感器开发等多个维度，系统介绍SPR技术的核心应用场景与研究进展。

一、蛋白-小分子互作：药物机制解析与先导化合物优化

在药物研发的早期阶段，理解药物分子与靶点蛋白之间的结合机制至关重要。SPR技术能够实时监测这一过程，不仅确认“是否结合”，更精确回答“结合多快、解离多慢、亲和力多强”。

 

 01、药物-靶点结合机制研究

SPR能够实时监测药物分子与靶蛋白的结合与解离过程，从而揭示药物的作用模式。例如，在抗病毒药物研究中，SPR被用于实时监测苏拉明与SARS-CoV-2 RNA依赖性RNA聚合酶（RdRp）的相互作用，结果清晰地表明苏拉明能够阻止RdRp与RNA模板的结合[2]。通过设计靶蛋白突变体进行SPR实验，还可进一步定位药物分子在蛋白上的精确结合位点——例如在一项天然产物靶点发现研究中，研究者联合细胞热转变分析（CETSA）、SPR和分子对接实验，共同确认了獐牙菜苷与转录因子YY1的结合区域[3]。

 

 02、先导化合物筛选与优化

基于动力学的筛选：传统的药物筛选多关注平衡亲和力，而SPR则提供了更深入的动力学维度。特别地，解离速率常数（koff）被认为是预测药物体内药效持续时间的关键指标。科研人员已开发出基于SPR的“off-rate”筛选策略，可以无需分离纯化，直接从粗反应混合物中测定化合物的解离速率，显著提高了早期药物发现的效率。一项研究通过构建定量结构-动力学关系（QSKR）模型，结合机器学习预测化合物的koff，并利用SPR实验对预测结果进行验证，成功指导了先导化合物的筛选。

QSKR模型构建及先导化合物筛选流程（文献4）

高通量筛选与验证：SPR技术的高通量版本已广泛应用于大规模化合物库的筛选。例如，在针对Piezo1和TLR4/MD2等靶点的药物预测中，研究者使用数据整合方法（DIORS）预测候选分子后，通过SPR实验验证了吉非替尼、利福昔明等分子与靶蛋白的结合亲和力。在另一项针对CTLA-4免疫检查点的抑制剂筛选中，研究人员通过AlphaLISA、蛋白热位移（PTS）等初筛方法锁定先导化合物后，最终使用SPR剂量反应曲线进行确证，展示了其在药物发现流程中的核心验证地位。

高通量筛选与SPR验证的联合工作流程（文献5）

构效关系研究加速：SPR能够快速评估结构类似的化合物库，建立结构与动力学参数之间的联系。例如，smFASTIA平台整合了无细胞蛋白合成与生物层干涉测量技术，可以无需纯化蛋白即可快速筛选蛋白-小分子相互作用的动力学特征，其筛选结果与后续的SPR验证高度一致，能够有效区分基于结合速率的化合物变体。这为加速结构-动力学关系研究提供了强大工具。

 

二、蛋白-蛋白互作：解析生命活动调控网络

蛋白质-蛋白质相互作用（PPI）是生命活动的基础，对于理解细胞信号传导、免疫应答等复杂调控网络至关重要。SPR是研究这些相互作用的强大工具，能够提供高灵敏度的定量分析。

信号通路解析:在细菌RNA聚合酶的σ70与核心酶的相互作用研究中，SPR被用于鉴定和评估靶向该PPI界面的新型抗生素抑制剂。结果表明，该技术不仅可用于识别PPI的抑制剂，还能通过突变研究定位抑制剂结合的关键区域，为药物设计提供结构指导。

免疫调控网络研究：在免疫学领域，SPR已被用于研究免疫检查点分子的相互作用。例如，通过构建AlphaLISA和SPR实验体系，科研人员深入研究了CD80与CTLA-4之间的PPI，并成功筛选出一系列能够阻断该相互作用的先导化合物，为癌症免疫治疗提供了新的候选药物。这直接展示了SPR在解析免疫应答调控网络中的应用价值。

揭示疾病机制：通过分析癌症基因组测序数据，研究人员发现许多体细胞突变集中在蛋白-蛋白、蛋白-小分子等分子界面上。这表明，利用SPR等生物物理技术深入研究这些被扰乱的分子界面，是理解癌症等疾病发生发展的关键步骤。

 

三、核酸-蛋白互作与基因调控研究

转录因子与DNA/RNA的结合是基因表达调控的核心环节，SPR在该领域同样发挥着重要作用。SPR常被用于定量表征转录因子与其靶标DNA序列的结合动力学，阐明基因调控网络中的关键节点。在CRISPR-Cas系统研究中，SPR用于分析Cas蛋白与引导RNA及靶标DNA的组装与识别过程，为基因编辑工具的特异性优化提供动力学依据。此外，SPR还可用于表征病毒RNA聚合酶与RNA模板的识别过程，揭示核酸复制或转录的分子机制。

 

四、生物传感器开发：高灵敏度检测平台

基于SPR的生物传感器凭借其高灵敏度和无需标记的特点，在病毒检测、疾病标志物分析及膜蛋白研究等领域展现出巨大潜力。

病毒颗粒定量与作用机制研究：SPR可通过将病毒相关组分（如病毒RNA、结构蛋白）固定于芯片表面，实时监测其与潜在药物或抗体的相互作用。该策略不仅可用于抗病毒药物的筛选，也为定量分析病毒复制机制提供了实时检测平台。

膜蛋白研究的特殊应用：对于离子通道和G蛋白偶联受体（GPCR）等难溶膜蛋白，传统SPR应用面临挑战。近年来，通过构建支持性脂质层、捕获脂质囊泡或采用SPR纳米孔阵列技术，可在接近天然膜环境条件下稳定呈现膜蛋白，为高通量膜蛋白靶点配体筛选和功能机制研究提供了新工具。

疾病标志物检测与早期ADME预测：SPR技术在药物-血清蛋白相互作用研究中的应用，是其在复杂生物样品检测领域的典型代表。

例如Fabini等人在《Journal of Pharmaceutical and Biomedical Analysis》上发表的综述《Monitoring drug–serum protein interactions for early ADME prediction through Surface Plasmon Resonance technology》（2017, 144, 188-194），系统阐述了这一方向。

该综述指出，许多候选药物因药代动力学（PK）性能不佳而未能进入市场——即使高效给药，药物若与血清蛋白结合过强，游离浓度过低，便难以有效到达靶点发挥作用。药物与血清蛋白（如人血清白蛋白HSA、α1-酸性糖蛋白AGP）的结合程度，直接影响其吸收、分布、代谢和排泄（ADME）特性。传统的平衡透析法操作繁琐、通量低，而基于SPR的光学生物传感器提供了一种简单、自动化且快速的替代方案：通过将血清蛋白固定于传感器芯片表面，实时监测小分子化合物的结合与解离过程，可在数分钟内获取结合亲和力及动力学参数。该方法具有良好的通量和灵活性，且获取的PK相关信息可便捷地与结构-活性关系（SAR）分析相结合，在先导化合物优化阶段同步评估药代动力学属性，从而在进入临床前筛选出综合性能更优的候选分子，有效降低后期开发风险。

SPR生物传感器用于药物-血清蛋白相互作用研究（文献6）

 

五、其他应用：拓展至环境与食品安全监测

SPR技术的应用远不止于基础生物医学研究，其在环境监测和食品安全领域的拓展同样值得关注。

环境监测：SPR技术作为通用型的亲和力检测平台，其原理完全适用于这些场景。例如，通过设计能够特异性识别特定农药分子或重金属离子的敏感元件（如适配体或抗体）并固定于芯片表面，即可构建用于环境水样或土壤提取物中目标物快速、实时检测的SPR生物传感器。

食品过敏原检测：与上述监测原理相似，SPR也可用于食品安全领域，例如检测食品中的过敏性蛋白质。该技术的高灵敏度和无标记特性使其能够直接检测复杂食品基质中的微量过敏原，无需复杂的样品前处理，从而实现对食品质量的快速筛查。

 

六、总结

SPR技术已从单一的生物物理分析工具发展为贯穿药物发现、生命科学基础研究及生物传感检测领域的通用型平台。

在药物研发领域，SPR不再局限于“验证结合”，而是深度融入到先导化合物筛选与优化的全流程中——基于解离速率的筛选策略、高通量验证体系的建立，以及与AI预测模型的结合，使其成为药物早期发现阶段不可或缺的技术支撑。在生命科学基础研究中，SPR的高灵敏度和实时动态检测能力，使其在解析蛋白-蛋白相互作用网络、核酸-蛋白调控机制以及膜蛋白功能研究等方面展现出独特优势。不断革新的传感器表面化学和微流控技术，进一步拓展了SPR在复杂生物样品检测和即时诊断中的应用潜力。

未来，SPR技术将继续与质谱、计算化学、深度学习等前沿技术深度融合。AI辅助的数据分析和传感器逆向设计有望大幅提升实验效率和检测灵敏度，微流控芯片集成将推动SPR设备向小型化、便携化方向发展。这些技术进步将加速SPR从实验室向临床诊断、环境监测和食品安全等更广阔应用场景的落地，为生命科学和精准医疗的发展提供更强有力的工具。

然而，技术方法的选型与实验体系的构建，仍然是科研人员在实际工作中面临的现实难题。基于此，金开瑞生物致力于将SPR等先进技术转化为可及的分析服务。目前金开瑞生物可提供SPR（表面等离子体共振）、MST（微量热泳动）、BLI（生物膜干涉）和ITC（等温滴定微量热）四种技术路线的分析服务，覆盖蛋白-蛋白、蛋白-小分子、蛋白-核酸、抗体-抗原等多种互作类型。其中SPR作为“金标准”技术，支持实时无标记检测动力学参数（ka、kd、KD），并可针对GPCR、离子通道等难溶膜蛋白靶点提供近生理条件下的结合研究。从蛋白表达、抗体定制到互作分析，金开瑞提供一站式解决方案。如您在分子互作研究中面临技术选型或体系构建等难题，金开瑞技术团队可提供从方案设计到数据解读的全流程支持。

 

参考文献：

[1]Tiwari PB, Kamgar-Dayhoff P, Tiwari P, McKillop MI, Brelidze TI. Use of Surface Plasmon Resonance Technique for Studies of Inter-domain Interactions in Ion Channels. Methods Mol Biol. 2024;2796:105-118.

[2]Mravinec M, Bajc G, Butala M. Surface plasmon resonance approach to study drug interactions with SARS-CoV-2 RNA-dependent RNA polymerase highlights treatment potential of suramin. J Virol Methods. 2021 Dec;298:114283.

[3]Liu X, Ji W, Tao Y, Gong Y, Zhang Q, Lin R, Yang Y, Wang Y, Li S, Zhang Y, Liu H, Du Z, Liu B, Qin J, Liu G, Zhang K, Yang Y. A novel Halo Tag-based photo-crosslinking system for efficient drug target identification via chemoproteomic profiling. Anal Chim Acta. 2025 Dec 15;1379:344720.

[4]Xu C, Zhang X, Zhao L, Verkhivker GM, Bai F. Accurate Characterization of Binding Kinetics and Allosteric Mechanisms for the HSP90 Chaperone Inhibitors Using AI-Augmented Integrative Biophysical Studies. JACS Au. 2024 Apr 1;4(4):1632-1645. doi: 10.1021/jacsau.4c00123. PMID: 38665669; PMCID: PMC11040708.

[5]Sobhani N, Tardiel-Cyril DR, Chai D, Generali D, Li JR, Vazquez-Perez J, Lim JM, Morris R, Bullock ZN, Davtyan A, Cheng C, Decker WK, Li Y. Artificial intelligence-powered discovery of small molecules inhibiting CTLA-4 in cancer. BJC Rep. 2024;2:4.

[6]Fabini E, Danielson UH. Monitoring drug-serum protein interactions for early ADME prediction through Surface Plasmon Resonance technology. J Pharm Biomed Anal. 2017 Sep 10;144:188-194.