高通量药物筛选利器——HTRF-原理介绍

1HTRF技术介绍快速、稳定、不需洗涤、操作简单、易于自动化和微型化。上述优势使得Cisbio的HTRF技术一直是药物研发领域的领先技术之一，并广泛用于信号转导研究和免疫检测。该技术已经在知名医药公司、生物技术公司和学术研究机构应用了15年以上。HTRF（均相时间分辨荧光，HomogeneousTime-ResolvedFluorescence）是用来检测纯液相体系中待测物的一种常用方法。该技术结合了荧光共振能量转移（FRET，FluorescenceResonanceEnergyTransfer）和时间分辨荧光（TRF,Time-ResolvedFluorescence)）两种技术。这种结合将FRET的均相实验方式和TRF的低背景特点融合在一起，使得HTRF技术拥有如下优势：操作简单、灵敏度高、通量大、实验数据稳定可靠、假阳性率较低。HTRF是基于TR-FRET的化学技术，拥有与其它TR-FRET技术相似的特征，包括使用镧系元素（铕和铽），具有非常长的半衰期，很大的Stroke'sshift（如图1所示，Eu3+Stroke’sshift300nm）等。除此之外，它还有其独特的性质，从而与其它技术区分开来。这主要表现在HTRF的镧系元素与络合的穴相结合，而不是像其它所有TR-FRET技术使用螯合物。螯合物在溶液中是一种动态平衡，在特定条件下不稳定；而HTRF中应用的穴与镧系元素是永久地嵌合，非常稳定，可耐受较宽的pH范围、二价金属离子如Mn2+等、螯合剂如EDTA等。HTRF的独特之处还包括对数据的专利的比值处理方法，其能校正样品基质不同等带来的干扰。FRET技术简介FRET技术利用了两种荧光基团的能量转移，这两种荧光基团分别称为（能量）供体和（能量）受体，前者的发射光谱与后者的激发光谱重叠。供体被外来能源激发（例如闪光灯或激光），如果它与受体在足够近的距离之内，可以将能量共振转移到受体上。受体受到激发，发出特定波长的发射光。将供体和受体分别与相互作用的两个生物分子结合，生物分子的结合可以将受体和供体拉到足够近的距离，产生能量转移。这时，我们可以检测到两个发射光，分别为受体和供体的发射光。由于受体分子的发射光来自于能量转移，所以在图1：铕穴状化合物的激发和发射光谱2实验中不需要将未结合与已结合的分子分开，即不需要洗涤步骤。这种均相的实验方式操作简单，而且减少了实验时间和花费。如果与供体和受体结合的生物分子不存在相互作用，供体和受体距离较远，不能产生能量转移，则只能检测到来自于供体的发射光，如图2。一般地，在FRET实验中使用的供体和受体是快速荧光基团，半衰期非常短，背景荧光较强。背景荧光主要来自于荧光染料本身的干扰，以及样品成分的荧光和自发荧光，后者包括缓冲液、化合物和样品中的蛋白质、脂质、糖类等等的荧光信号。实验检测到的荧光信号必须对这些自发荧光进行校正，极大地影响了实验灵敏度，并使数据分析变得复杂。HTRF技术使用镧系元素作为供体，其属于长寿命荧光，可通过时间延迟的检测方式将背景荧光去除，提高了灵敏度，并使数据真实可靠。TRF技术简介如前所述，样品中的很多成分具有较强的荧光和自发荧光，利用传统的快速荧光基团进行检测极大地限制了实验灵敏度，并且不能反映样品的真实情况。使用长寿命的荧光基团结合时间延迟的检测方式（在荧光激发和发射检测之间有一个时间延迟）可将快速荧光的干扰降到最低。图2：FRET技术的原理3时间延迟的检测方式，是通过时间分辨荧光（TRF）技术实现的，其利用稀土元素中镧系元素的独特性质。在TRF中常用的镧系元素是钐（Sm）、铕（Eu）、铽（Tb）和镝（Dy）。与传统荧光基团相比，它们具有大的Stoke'sshifts和非常长的发射半衰期（从微秒到毫秒）。镧系元素的Stoke'sshifts通常为300nm，检测的发射光中没有来自于激发波长的干扰。HTRF技术中镧系元素的半衰期大于1毫秒，与普通荧光纳秒级的半衰期相差6个数量级。当延迟50微秒读数时，普通荧光的信号近似于零，镧系元素的信号改变很小。所以，HTRF技术的数据真实可靠，假阳性低。为了能够成功应用于生物学检测中，稀土元素复合物应该具有特定的性质，包括较强的稳定性、较高的发射光产率，并且能够与生物分子连接。除此之外，当直接在生物溶液中检测时，能够耐受荧光淬灭就显得尤为重要。稀土元素螯合物在特定条件下稳定性较差，并且有的化合物与螯合物活性基团发生反应，产生竞争，增加了其不稳定因素。HTRF技术应用穴状化合物，整个体系非常稳定，没有光漂白现象，可在至少48小时内反复多次检测。HTRF技术的能量供体（Donor）和能量受体（Acceptor）HTRF的供体是铕穴状化合物（Eu3+cryptate）或Lumi4™铽穴状化合物（Tb2+cryptate），后者是近年与Lumiphore公司合作的结果，激发效率更高。两者的能量受体（Acceptor）均可为XL665和d2。XL665和d2激发波长为620nm，发射波长为665nm，位于近红外光区，进一步降低了样品本身对实验的影响（生物学样品很少在近红外光区有自发荧光）。对于铽穴状化合物来说，其受体也可以是Fluorescin、GFP等发绿色荧光的分子，所以可以进行双标记测量。XL665是改良过的别藻蓝蛋白（APC），其将APC的亚基偶联，使其不能解离，增加了稳定性。d2是第二代受体，光谱学特征与XL665相同，但是分子量较小，约为1KD，可减少空间位阻对实验的可能影响。当由于生物分子相互作用导致两个荧光基团接近时，在激发时被穴状化合物捕获的能量部分释放，发射波长为620nm；另一部分能量共振转移到XL665或d2，使其发光，发射波长为665nm。665nm的发射光仅仅由穴状化合物作为能量供体的FRET产生。所以，当生物分子相互作用时，有两个激发光620nm和665nm；图3：TRF技术的原理图3：TRF技术的原理4图5：铕穴状化合物的结构专利号：USPatentUS5,527,684由于在该结构上的贡献，Prof.J.M.Lehn’s在1987年获得了诺贝尔奖。当不存在相互作用时，只有620nm一个激发光（见图2）。HTRF的数据分析HTRF有来自于能量供体和能量受体的两个发射光，可采用Cisbio专利的比值法来分析数据，从而去除由于溶液通透率、细胞大小、细胞数量等不同引起的误差。如图4所示，溶液通透率不同，分别为100%通透和50%通透，由此导致对同样样品信号值的不同，后者是前者的一半。这种不同是由于溶液对光的吸收程度不同引起的，并不是样品的不同所致。如果我们不用比值来处理数据，仅仅看信号值，很可能得出错误的结论。穴状化合物简介穴状化合物的形成是将一个阳离子纳入到一个立体笼中。笼能收集光然后将能量转移到核心的镧系元素。大环的性质有利于跟镧系元素紧密相连，这种不可破的连接会形成异常稳固的复合体。穴结构能耐受一些特殊的实验条件如二价阳离子（Mg2+和Mn2+等）、螯合物（EDTA）、极性较强的溶剂或者较高的温度。从HTRF能应用到临床诊断（TRACE®技术和Kryptor®工作站技术）就能看出它也适用于浓度高的血清（50%）。在读板前或者孵育时加入氟离子能增强该化合物的抗干扰性。穴没有光漂白性，多次读数后信号没有损失，因此能按照需要的次数去读，所以可以进行动力学检测。HTRF技术的优势图4：HTRF比值法数据分析可去除样品干扰5操作非常简单实验过程不需要繁琐的洗板，只需要混匀孵育后检测体系非常稳定穴状化合物非常稳定，可耐受较宽的pH范围、二价金属离子、螯合物等，并且可以在至少48小时内反复多次检测数据真实可靠背景低，受到样品的干扰非常少，假阳性假阴性均低，尤其可去除由于天热产物自发荧光等引起的干扰应用灵活多样HTRF可以看作是不需洗涤的ELISA，应用范围很宽易于实现微型化，通量高HTRF的应用HTRF技术从产生以来，已经被广泛应用于免疫检测和细胞信号转导的研究，在药物研发中被应用于不同的阶段，从实验方法的建立、高通量筛选（HTS），lead到hit，一直到临床前研究。HTRF技术非常灵敏而且稳定，可以进行细胞实验和生化实验，并且可以使用384和1536孔板。HTRF的很多应用是基于抗体的检测，包括GPCR（受体配体结合，受体二聚化，cAMP和IP-1的检测，以及磷酸化ERK和AKT的定量）、激酶、细胞因子和生物标志物、生物过程（治疗性抗体和蛋白药物的生产）等，以及蛋白和蛋白、蛋白和多肽、蛋白和DNA/RNA相互作用的研究。HTRF具有与ELISA同等的检测范围和检测极限，但是它不需要洗板，可以极大地减少实验时间，所以HTRF技术可以取代大部分ELISA实验，为均相ELISA。图6对HTRF的应用领域作了一个概括。6图6：HTRF的应用领域