磁性微球在生化领域中的应用pdf

第24卷第6期化工时刊Vo.l24,No.62010年6月ChemicalIndustryTimesJun.6.2010doi:10.3969/j.issn.1002-154X.2010.06.013磁性微球在生化领域中的应用冯国栋赵卫星(宝鸡文理学院化学化工系,陕西宝鸡721013)摘要磁性微球作为一种新型功能材料,在生物工程等领域有着广泛的应用前景,着重介绍了磁性微球在生物分离、固定化酶、靶向药物等领域的应用。随着人们对磁性微球研究的不断深入,必将引起制备和应用技术的革命性进步,并且实现商业化具有广阔的前景。关键词磁性微球生化领域超顺磁性MagneticMicrospheresintheFieldofApplicationofBiochemicalFengGuodongZhaoWeixing(DepartmentofChemistryandChemicalEngineering,BaojiUniversityofArtsandScience,ShanxiBaoji,721013)AbstractMagneticmicrospheres,asanewfunctionalmaterial,hasawiderangeofapplicationsinthebiologicalengineeringfield.Thisarticleintroducestheapplicationofthemagneticmicrospheresinbiologicalseparation,enzymeimmobilization,drugtargeting,andotherfields.Aspeoplestudythemagneticmicrospheresthedeepeningofpreparationandapplicationoftechnologywillleadtorevolutionaryadvances,andcommercializationofapromisingfuture.Keywordsmagneticmicrospheresbiochemicalfieldsuperparamagneticbehavior磁性微球的研究始于20世纪70年代末,磁性微酶、细胞、抗体等生物活性物质,进而可以结合各种功2球是指通过适当的方法使有机高分子与无机磁性纳能物质,使物质同时具有多种功能;显然,所有应用于米粒子结合起来形成的具有一定磁性及特殊结构的生物医学体系中的磁性微粒一般均具有核壳或类似复合微球,是一种新型材料。因其具有磁性,可在外核壳结构。其核心具有磁性,外层具有识别或键合作加磁场的作用下方便地被定位、导向和分离,有学者用的官能团的功能化层。根据材料组成可将磁性核因此将其形象地称为动力粒子;同时,磁性微球既具的壳层功能化材料分为,无机和有机功能化材料。一有有机高分子材料的易加工和柔韧性,又具有无机材():一是核为磁般磁性微球按结构可分为3类见图1料的高密度和高力学性能以及生产成本低、能耗少、性,壳为非磁性的核/壳式结构(A),二是核为非磁无污染等特点;至于结构特征尺寸属于纳米范畴的磁性,壳层为磁性的核/壳式结构(B);三是内外层皆为性微球,则具有大的比表面积和显著的界面效应和量非磁性,中间层为磁性的夹心式结构(C)。子效应。而磁性微球的磁性仅仅是其性能的一部分,真正将其应用于生物医学领域还必须根据研究和应用需求将其通过共聚、表面改性等化学反应在微球表(面引入多种反应性功能基如:—OH、—COOH、—CHO、—NH2、—SH等)外,也可以通过共价健来结合图1常见的磁性微球结构收稿日期:2010-06-03Fig.1Thestructureofthecommon基金项目:宝鸡文理学院科研资助项目(ZK09135)magneticmicrosphere作者简介:冯国栋(1980～),男,讲师,硕士,研究方向:磁性材料。—45—化工时刊20101Vol124,No.6论文综述《Reviews》而应用最为广泛的磁性微球材料是将磁性粒子见的材料。其中大体分为天然生物大分子材料、合成进一步功能化,这种功能化的磁性粒子可以实现对目高分子材料和无机物材料3种类型。标物的选择性结合。表1给出了磁性粒子功能化常表1制备磁性微球常用的提供活性功能基团的高分子材料Table1Materialswithfunctionalgroupiscommonlyusedinpreparationofmagneticmicrosphere天然生物大分子材料合成高分子材料无机材料淀粉[1],纤维素及其衍生物[2],葡聚糖[3],壳聚糖[4～6]聚乙二醇[11],聚乙烯醇[12]SiO2[18],Au[19]琼脂糖[7],明胶[8].聚丙烯酸[13],聚苯乙烯[14,15]血清蛋白[9],磷脂[10]类硅烷衍生物[16],聚乙烯亚胺[17]所制备的功能化磁性微球材料主要目的在于提1磁性微球在生化领域中的应用供活性功能基团如—OH、—NH2、—COOH和—CONO2等官能团。当微球带有—OH、—NH2、1.1细胞分离—COOH等功能基团时,它易与特定的分子相结合。在磁性微球表面接上如抗体、外源凝结素等具有功能化超顺磁性磁性微球是细胞分离、鉴定,基因分生物活性的吸附剂或其它配基,利用它们与目标细胞析,细菌和病毒的病原体诊断,固定化酶,靶向给药,的特异性结合,借助外磁场的作用,可以很方便、快速蛋白分离与DNA提纯的一个有效手段,并有着广泛的对细胞进行分离、分类。Molday等[20]是采用磁性的应用前景。微球分离细胞的先驱,他将表面含羧基的磁性聚合物微球用荧光染料做标记,在其表面偶联抗体或外源凝集素,对血红细胞进行成功的分离。与常见的细胞分离方法相比,磁性微球分离细胞具有简单、快捷、高效、安全等特点。图2磁性微球分离细胞原理的示意图[21]Fig.2Schematicdiagramoftheisolationofcellbyusingmagneticmicrospheres磁性微球分离细胞主要有两种方式[22]:一种是纪60年代,70年代已在全世界普遍开展。生物高分直接从细胞混合液中分离出靶细胞的方法,称为正相子例如酶分子等都具有很多官能团如—NH2、分离或正相选择;Naume等[23]就采用的正相分离法,—COOH、—OH等,固定化酶是指通过物理吸附、交他们用CD56单抗和羊抗鼠的IgG修饰的磁性单分联、共价偶合等方式将酶固定在磁微球的表面,以提散微球分离了高纯度且保留NK和LAK活性的高酶的操作稳定性和反复回收利用酶的技术。酶是CD56+细胞,污染细胞含量低于3%,其活力大于一种生物蛋白质,目前常用的酶分离方法存在的问题91%。另一种是利用磁性微球除去无关细胞,使靶细是酶在分离后很容易失活,影响到它的催化活性。用胞富集纯化的方法,称为负相分离或负相选择。Gar磁性微球分离酶可以很好地保持它的活性和稳定性,lie等[24]用抗CD3/抗CD28单克隆抗体包被的磁性同时也使得体系中酶的回收更加方便,提高了酶的使微球培养T细胞,结果表明该方法可获得大量T细用效率。邱广明[25]等采用碳化二亚胺法在磁性微球胞,为目前癌症的细胞免疫疗法提供了一个先进的手表面固定中性蛋白酶,制备活性高达700U/g;并且段。世2在缓冲溶液pH值为6.0、离子强度较高时,固定化酶1.2固定化酶的活性最高。邱广亮[26]等通过研究合成了具有磁响固定化酶的研究始于1910,20,,α-—46—年正式研究于应性聚乙二醇微球并以此为载体固定化了淀冯国栋等磁性微球在生化领域中的应用20101Vol124,No.6化工时刊粉酶。在最适合条件下,固定化酶的活性达34000HSA吸附量,通过用0.1mol/LTris/HCl中含有0.5(),并且该固定化酶对酸、碱、热的稳定性大mol/LNaSCN的洗脱液洗脱,就可以获得目标血清白U/g干胶大增强,其操作稳定性也大大增加。磁性载体的性质蛋白,并且解吸率达到吸附血清白蛋白的98%,并且对固定化酶的应用很重要,它必须满足一定的条件:修饰的磁性微球可以重复使用,因此该方法可以用于①无毒;②可生物相容;③能够提供足够大的表面特定蛋白的分离纯化。丁小斌等[31]将热敏性磁性高积,使酶反应顺利进行,降低酶反应基质和产物的分分子微球的合成用于HAS的吸附/解吸研究,结果表散限制;④具有一定的机械强度。明该微球也具有简便、快捷的磁分离特性,而且微球1.3靶向给药在分离过程中无非特异性吸附,无絮凝现象,可循环磁靶向给药系统(MagnetieTargetedDrugsDeliv使用,因此可以用于蛋白质和酶的分离、纯化。erySystem,简称MTDS)是近年来研究的一种新的靶1.5核酸分离向给药系统[27],目前国内外研究尚处于起步阶段。核酸的高电荷磷酸骨架使其比多糖、蛋白质、脂该系统是利用药物载体的pH敏、热敏、磁性等特点,肪等其他生物大分子物质更具亲水性,根据它们理化通过对磁性微球表面功能化,作为药物载体,在外加性质的差异,用选择性沉淀、层析、密度梯度离心等方磁场的作用下,将药物载至预定区域(靶位),使所含法可将核酸分离、纯化。基因组DNA分离的效率高药物得到定位释放,集中到病变部位发生作用[28],从低是许多分子生物学技术如PCR扩增、序列分析、杂而具有高效、速效和低毒的特点。日本的Sako等制交、检测等的先决条件。与传统的DNA提纯方法相成海绵铁颗粒(30μm),治疗肝癌、肾癌等。后来人比,以磁性微球作为载体的固相提取法是目前科学研们发现将化疗药物和磁性材料一起包封于载体材料究的热点。Gelsthorpe等[32]利用抗DNA单克隆抗体中,进人体内后在外磁场作用下使微球聚集于病变部与磁珠结合的方法从小样本、陈旧样本及含PCR抑位,可提高靶区内的药物浓度,从而提高疗效,减少用制剂的样本中提取核酸获得很好的效果。用系统性药剂量,降低全身毒副作用。MorimotoY等通过动物红斑狼疮小鼠的脾细胞和小鼠骨髓瘤细胞杂交获得实验发现,在没有磁场的作用下,药物主要集中在肝抗-DNA单克隆抗体,这种抗体可以与DNA特异性脏,而在磁场作用下,静脉注射磁性微球达到外界放结合,但与质粒及少于20-mer的寡聚核苷酸结合很有磁场的肺部,动脉注射磁性微球到达肺部。弱。用这种方法提取DNA可以大大提高PCR的敏1.4蛋白质分离纯化感性,尤其适用于样本中DNA含量很少或者是陈旧传统的蛋白质分离方法如盐析、膜分离技术、有样本。研究同时也发现抗体与磁珠反应的最适合条机溶剂沉淀法和层析技术等,一般是通过改变溶液的件为温度20℃、含1%NonidetP-40及145mmol/L离子强度、介电常数、pH值、温度等因素来达到分离2NaC1的溶液,蛋白含量超过5mg/mL就会抑制该反蛋白质的目的,操作过程过于繁琐,对目标蛋白的损应。在核壳型磁性二氧化硅磁球的基础上,不少学者失很大[29]。磁性微球的粒径小,比表面积大,表面可引入了其他官能团,获得了带羧基、氨基等的磁性微修饰大量活性基团,所以偶联容量大,它能够作为被球[33,34],并将其用于核酸的提取,已获得了良好效目标蛋白质识别和可逆结合的配基,将磁性微球直接果。张志超等[35]通过对磁性二氧化硅微球表面进行放入含有目标蛋白质的混和溶液中,待目标蛋白质与修饰,将其用于玉米面中基因组DNA的分离纯化。磁性微球紧密结合后,利用外部磁场对其进行分离。研究结果表明,具有硅醇基的磁球对DNA的回收率整个分离过程不需对混和溶液的离子强度、介电常最高,提取出的DNA的A260/A280值在1.70～2.00数、pH值、温度进行调整,从而避免了传统分离过程间,达到较高的纯度。基于磁性微球的核酸固相萃取中蛋白质的损失。Odabasi[30]采用以亲和染料配基共法具有快速简便、省时省力、易于自动化的特点,适合价结合的聚(2-羟基乙基甲酸)磁性微球,从人血浆于大规模植物基因组DNA的样品制备。Smith等[36]中吸附血清白蛋白(HSA),并分别研究了修饰前后利用硅包被的磁性复合