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干货分享 | 初识生物磁珠

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  • 发布时间:2022-07-14 10:19
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生物磁珠对于每一个分子实验的人员都十分熟悉,由于其具有高比表面积、分散均匀、重悬性,较快的磁响应性以及较多的活性官能团等特点,广泛应用于核酸制备、免疫分析、细胞分选、蛋白纯化等领域。那么磁珠为什么会有这些特性呢?让我们一起来揭开它的神秘面纱。

 

一、生物磁珠及结构

生物磁珠是一类具有纳米微米粒径,由高分子聚合物与无机磁性纳米粒子形成的磁性微球。按照其结构可以分为三大类:
 
第一类:核-壳型结构。核为磁性纳米粒子,壳为高分子聚合物或无机纳米材料如硅羟基磁珠表面为二氧化硅基质,内部包裹磁性纳米颗粒,表面修饰大量硅烷醇基团(羟基),主要应用于核酸提取。
 
第二类:夹层式结构。即内核为聚合物微球,第二层为磁性纳米颗粒,第三层为功能高分子聚合物涂层。比如片段筛选磁珠的最内层核心是聚苯乙烯微球、第二层包裹磁性物质--四氧化三铁,最外层表面是羧基修饰的高分子材料。表面修饰功能团多样,如羧基,氨基,N-羟基琥珀酰亚胺、protein A/G 和链霉亲和素等,不同种类生物配体通过共价偶联到磁珠表面,应用于生物素捕获,免疫分析、细胞分选等。
 
第三类:弥散型结构。磁性颗粒弥散地分布在聚合物的基体中而形成的磁性复合微球。多以天然琼脂糖为基质,由于其具有丰富的多孔结构,因此载量很高。将其表面修饰有羟基、氨基或羧基功能基团,可用于蛋白质的固定。表面亦可修饰为金属离子,GSH,Strep-Tactin,DEAE,protein A/G等,常用于蛋白分离纯化。
 
 

二、生物磁珠的特性

生物磁珠具有广泛的应用,主要源于以下特性:
 
高表面积比。粒径变小,纳米材料的表面积、表面能及表面结合能都迅速增大,表面原子所占的百分数会显著增加。当粒径小到纳米时,此时组成纳米晶粒的所有原子几乎全部都分布在表面。由于表面原子周围缺少相邻的原子;有许多悬空键,具有不饱和性,易与其它原子结合而稳定下来,表现出较高的化学活性。
 
磁响应性。磁响应性即磁性微球对外加磁场的反应。利用此特性,在外加磁场作用下,磁性微球可以快速地进行分离和磁性导向。磁性微球中磁核的含量是反映微球磁响应性的一个重要参数,当作为磁核的金属氧化物粒子的直径小于 30nm 时,具有超顺磁性,即在磁场中有较强的磁性,当有外加磁场时,磁性微球将携带核酸或者其它生物大分子快速定向运动,达到分离纯化的目的。
 
功能基特性。包覆磁性微粒的高分子材料带有多种具有反应活性的功能基团,如-OH、-COOH、-CHO、-NH2、-SH 等可连接具有生物活性的物质,通过这些功能基使磁珠具有不同的特性,在细胞分离,靶向药物,核酸杂交等领域有广泛的应用前景。
 
生物相容性。磁性微球在生物工程,特别是生物医学工程中的应用有一个重要的方面就是要有生物相容性。多数生物高分子如多聚糖,蛋白质类具有良好的生物相容性。它们在人体内安全无毒,可降解,不与人体组织器官产生免疫性,这种性质运用在靶向性药物中尤其重要。

 

三、生物磁珠的应用

生物磁珠的种类多种多样,由于其结构、修饰的官能团、包被工艺的不同,会造成表面电荷、斥力、氢键数量不同,吸附能力和功能也会随之改变。因此不同种类的磁珠在不同的领域中发挥各自的功能。下面列举几种常见磁珠的应用方向:
 

核酸制备   

 
核酸提取磁珠:磁珠表面的硅羟基或羧基能够和溶液中的核酸通过氢键和静电作用发生特异性结合,因此可以直接从复杂生物体系中迅速分离核酸。目前这种技术已经比较成熟,其在核酸自动化提取中应用较为广泛,大大提高了核酸提取的通量,简单方便。济凡也为客户提供了基于磁珠法核酸提取的FineMag系列产品,用于病毒DNA/RNA、血浆游离DNA、细菌、植物、血液、组织、血片等各种样本类型的核酸提取。用户可以根据需要去选择预分装磁珠法提取试剂和非预分装磁珠法提取试剂盒。

片段筛选磁珠:主要用于NGS建库,该类磁珠运用固相可逆固定化技术(SPRI)进行核酸纯化和特定片段的筛选。通过改变磁珠buffer浓度,能够实现较大分子量的核酸片段优先吸附,进而实现不同分子量的片段回收,免去了切胶纯化带来的不便。
 
杂交捕获磁珠:链霉亲和素与生物素形成复合物,是目前已知最强的蛋白与其他分子间非共价的相互作用的组合,这一复合物不会受pH、温度、有机溶剂等极端因素影响。链霉亲和素磁珠可以与生物素标记的高纯度抗体多肽分子或核酸分子结合,从而进一步分离杂交复合物,此方法在NGS建库过程中非常广泛的应用。
 

免疫分析  

 
磁珠在免疫分析主要用于临床体外诊断(IVD)检测技术。通过用磁珠连接特异性抗体来寻找其作用蛋白抗原并分离纯化,最终检测蛋白抗原数量,主要的使用技术包括化学发光免疫分析技术(CLIA)、微流控磁敏免疫分析技术(MIA)、荧光免疫分析技术(IFA)等,广泛用于POCT实时检测。
 
磁微粒化学发光免疫分析技术是将磁性分离技术、化学发光技术、免疫分析技术三者结合起来的一种新兴分析方法,该技术充分利用了磁性分离技术的快速易自动化性,化学发光技术的高灵敏度性,以及免疫分析的特异性,在生物分析领域展现了不可替代的作用。例如利用吖啶酯化学发光分析法可以应用于测游离甲状腺素 (FT4)、肌酸激酶同工酶(CKMB),N-末端B型利钠肽前体(NT-proBNP),总前列腺特异抗原(TPSA),游离前列腺特异抗原(FPSA)等免疫检测。磁微粒化学发光法免疫分析法(双抗夹心)可以用于检测肌红蛋白(MYO)。
 
 

蛋白纯化  

 
磁珠表面修饰有不同的功能基团,用于不同种类生物配体的固定。比如金属离子、GSH,Strep-Tactin,DEAE,protein A/G等,用于蛋白分离纯化。目前比较常用的有组氨酸标签蛋白纯化磁珠、DEAE蛋白纯化磁珠、肝素磁珠、GST标签蛋白纯化磁珠、Flag标签蛋白纯化磁珠、抗体纯化磁珠(proteinA/ Protein G /Protein L)、Strep-tag II 蛋白纯化磁珠等。应用抗体(蛋白)包被的免疫磁珠纯化技术无需复杂的层析设备,对样品的澄清度无限制,只需要简单的磁性吸附步骤即可很方便地进行分离工作,有效解决了传统层析技术的不足之处。
 

细胞分选  

 
磁珠细胞分选技术(MACS)是基于细胞表面抗原与连接有磁珠的特异性单抗相结合,在外加磁场的作用下将磁珠标记的细胞与其它细胞分离,从而实现目的细胞的富集和纯化。现有的磁珠细胞分选方法主要有阳性分选(正选):磁珠结合的细胞就是所要分离获得的细胞,适用于流式分析和基于细胞的分析。阴性分选(负选):磁珠结合不需要的细胞,游离于上清液的细胞为所需细胞。也可以多重分选策略:先“阴性分选”再“阳性分选”。应用纳米级的磁珠进行细胞分选时,磁珠的大小和它的组成成份使其可被生物降解,且不会激活细胞或影响细胞的功能和活力,细胞的生理功能也不变,在肿瘤研究、细胞免疫治疗和单细胞分析等有广泛应用。
 

磁性转染  

 
磁性转染技术是一种新颖、简单且高效的转染细胞的方法。此技术将磁性颗粒和某些生物大分子通过化学共价键或物理粘附作用相结合,形成具有磁响应性的微粒。然后通过磁性微粒的表面基团与传统的病毒或非病毒载体耦联,再与目的基因相结合,构成载附基因的磁性微球。在外加梯度磁场的作用下,磁性微球会随着磁场力的导向集中于靶位器官或组织。在细胞的胞吞作用下,磁性微球进入细胞内,目的基因释放。纳米磁转染载体表面阳离子聚合物与生物相容性高分子共修饰策略,大大增加了磁转染载体负载基因后的分散性、胶体稳定性以及生物相容性,可以通过静脉注射进行体内基因递送研究。
 

肿瘤治疗  

 
磁热疗是指将超顺氧化铁磁珠注入肿瘤病灶区,外加交变磁场,由于磁热效应使病灶区升温至特定温度,从而杀死肿瘤细胞。此技术具有靶向性、毒副作用小,易与其它方法相结合等特点。目前德国和美国已经进入临床研究阶段,并已经治愈一部分乳腺癌、前列腺癌等肿瘤患者,显示出良好的发展前景。德国MagForce公司开发的基于纳米氧化铁磁性液体(Nanotherm®)神经胶质瘤磁感应热疗技术的产品已经在欧洲商业化应用。
 
在肿瘤治疗中另外一个重要应用就是药物靶向治疗。磁性药物制剂是将药物和磁性物质共同包裹于聚合物载体中制成的磁性靶向给药系统,在外加磁场引导药物定向移动并定位集中在靶标区域,在磁场区释放药物。纳米磁珠表面修饰的有机聚合物或无机金属或氧化物使它们具有生物兼容性,因而将药物递送到特定位点可消除药物的副作用,并降低用药剂量。在我国磁导向载体阿霉素介入治疗(MTC-DOX)已经应用于原发性肝癌的临床研究。
 

体内诊断  

 
磁性纳米粒子在体内诊断方面主要用于核磁共振成像。由于核磁共振成像在诊断上的发展,出现了一类新型药物-磁性药物。这些药物给病人服用后可以提高正常和患病组织的对比度(造影剂)和或显示器官功能或血流情况。使用MRI造影剂主要有钆剂和超顺磁性纳米四氧化三铁颗粒造影剂。与钆剂相比,四氧化三铁纳米颗粒因其灵敏度高、生物相容性、超顺磁性等特征,广泛的用于磁共振成像研究。美国Advanced Magnetic公司及德国Schering公司等开发出的磁共振造影剂产品已获FDA批准。
 

总结

生物磁珠作为一种交叉学科汇聚研发而成的产品,已逐步应用于生物工程、细胞学和生物医学等领域。高灵敏度,高通量,高效率的磁分离纯化技术在临床诊断市场和生物医药等方面展现出了广阔的应用前景,随着生物磁珠技术的不断发展,将会有更多的应用方向和巨大的市场需求。 

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