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干货分(fēn)享 | 初识生物(wù)磁珠

生物(wù)磁珠对于每一个分(fēn)子实验的人员都十分(fēn)熟悉，由于其具有(yǒu)高比表面积、分(fēn)散均匀、重悬性，较快的磁响应性以及较多(duō)的活性官能(néng)团等特点，广泛应用(yòng)于核酸制备、免疫分(fēn)析、细胞分(fēn)选、蛋白纯化等领域。那么磁珠為(wèi)什么会有(yǒu)这些特性呢(ne)？让我们一起来揭开它的神秘面纱。

 

一、生物(wù)磁珠及结构

生物(wù)磁珠是一类具有(yǒu)纳米微米粒径，由高分(fēn)子聚合物(wù)与无机磁性纳米粒子形成的磁性微球。按照其结构可(kě)以分(fēn)為(wèi)三大类：
 
第一类：核-壳型结构。核為(wèi)磁性纳米粒子，壳為(wèi)高分(fēn)子聚合物(wù)或无机纳米材料如硅羟基磁珠表面為(wèi)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(yòng)于核酸提取。
 
第二类：夹层式结构。即内核為(wèi)聚合物(wù)微球，第二层為(wèi)磁性纳米颗粒，第三层為(wèi)功能(néng)高分(fēn)子聚合物(wù)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(wù)质--四氧化三铁，最外层表面是羧基修饰的高分(fēn)子材料。表面修饰功能(néng)团多(duō)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(wù)配體(tǐ)通过共价偶联到磁珠表面，应用(yòng)于生物(wù)素捕获，免疫分(fēn)析、细胞分(fēn)选等。
 
第三类：弥散型结构。磁性颗粒弥散地分(fēn)布在聚合物(wù)的基體(tǐ)中而形成的磁性复合微球。多(duō)以天然琼脂糖為(wèi)基质，由于其具有(yǒu)丰富的多(duō)孔结构，因此载量很(hěn)高。将其表面修饰有(yǒu)羟基、氨基或羧基功能(néng)基团，可(kě)用(yòng)于蛋白质的固定。表面亦可(kě)修饰為(wèi)金属离子，GSH，Strep-Tactin，DEAE，protein A/G等，常用(yòng)于蛋白分(fēn)离纯化。
 
 

二、生物(wù)磁珠的特性

生物(wù)磁珠具有(yǒu)广泛的应用(yòng)，主要源于以下特性：
 
高表面积比。粒径变小(xiǎo)，纳米材料的表面积、表面能(néng)及表面结合能(néng)都迅速增大，表面原子所占的百分(fēn)数会显著增加。当粒径小(xiǎo)到纳米时，此时组成纳米晶粒的所有(yǒu)原子几乎全部都分(fēn)布在表面。由于表面原子周围缺少相邻的原子；有(yǒu)许多(duō)悬空键，具有(yǒu)不饱和性，易与其它原子结合而稳定下来，表现出较高的化學(xué)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(yòng)此特性，在外加磁场作用(yòng)下，磁性微球可(kě)以快速地进行分(fēn)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，当作為(wèi)磁核的金属氧化物(wù)粒子的直径小(xiǎo)于 30nm 时，具有(yǒu)超顺磁性，即在磁场中有(yǒu)较强的磁性，当有(yǒu)外加磁场时，磁性微球将携带核酸或者其它生物(wù)大分(fēn)子快速定向运动，达到分(fēn)离纯化的目的。
 
功能(néng)基特性。包覆磁性微粒的高分(fēn)子材料带有(yǒu)多(duō)种具有(yǒu)反应活性的功能(néng)基团，如-OH、-COOH、-CHO、-NH2、-SH 等可(kě)连接具有(yǒu)生物(wù)活性的物(wù)质，通过这些功能(néng)基使磁珠具有(yǒu)不同的特性，在细胞分(fēn)离，靶向药物(wù)，核酸杂交等领域有(yǒu)广泛的应用(yòng)前景。
 
生物(wù)相容性。磁性微球在生物(wù)工程，特别是生物(wù)医學(xué)工程中的应用(yòng)有(yǒu)一个重要的方面就是要有(yǒu)生物(wù)相容性。多(duō)数生物(wù)高分(fēn)子如多(duō)聚糖，蛋白质类具有(yǒu)良好的生物(wù)相容性。它们在人體(tǐ)内安全无毒，可(kě)降解，不与人體(tǐ)组织器官产生免疫性，这种性质运用(yòng)在靶向性药物(wù)中尤其重要。

 

三、生物(wù)磁珠的应用(yòng)

生物(wù)磁珠的种类多(duō)种多(duō)样，由于其结构、修饰的官能(néng)团、包被工艺的不同，会造成表面電(diàn)荷、斥力、氢键数量不同，吸附能(néng)力和功能(néng)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(néng)。下面列举几种常见磁珠的应用(yòng)方向：
 

核酸制备   

 
核酸提取磁珠：磁珠表面的硅羟基或羧基能(néng)够和溶液中的核酸通过氢键和静電(diàn)作用(yòng)发生特异性结合，因此可(kě)以直接从复杂生物(wù)體(tǐ)系中迅速分(fēn)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(yòng)较為(wèi)广泛，大大提高了核酸提取的通量，简单方便。济凡也為(wèi)客户提供了基于磁珠法核酸提取的FineMag系列产品，用(yòng)于病毒DNA/RNA、血浆游离DNA、细菌、植物(wù)、血液、组织、血片等各种样本类型的核酸提取。用(yòng)户可(kě)以根据需要去选择预分(fēn)装磁珠法提取试剂和非预分(fēn)装磁珠法提取试剂盒。

片段筛选磁珠：主要用(yòng)于NGS建库，该类磁珠运用(yòng)固相可(kě)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(néng)够实现较大分(fēn)子量的核酸片段优先吸附，进而实现不同分(fēn)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(wù)素形成复合物(wù)，是目前已知最强的蛋白与其他(tā)分(fēn)子间非共价的相互作用(yòng)的组合，这一复合物(wù)不会受pH、温度、有(yǒu)机溶剂等极端因素影响。链霉亲和素磁珠可(kě)以与生物(wù)素标记的高纯度抗體(tǐ)多(duō)肽分(fēn)子或核酸分(fēn)子结合，从而进一步分(fēn)离杂交复合物(wù)，此方法在NGS建库过程中非常广泛的应用(yòng)。
 

免疫分(fēn)析  

 
磁珠在免疫分(fēn)析主要用(yòng)于临床體(tǐ)外诊断(IVD)检测技术。通过用(yòng)磁珠连接特异性抗體(tǐ)来寻找其作用(yòng)蛋白抗原并分(fēn)离纯化，最终检测蛋白抗原数量，主要的使用(yòng)技术包括化學(xué)发光免疫分(fēn)析技术(CLIA)、微流控磁敏免疫分(fēn)析技术(MIA)、荧光免疫分(fēn)析技术(IFA)等，广泛用(yòng)于POCT实时检测。
 
磁微粒化學(xué)发光免疫分(fēn)析技术是将磁性分(fēn)离技术、化學(xué)发光技术、免疫分(fēn)析技术三者结合起来的一种新(xīn)兴分(fēn)析方法，该技术充分(fēn)利用(yòng)了磁性分(fēn)离技术的快速易自动化性，化學(xué)发光技术的高灵敏度性，以及免疫分(fēn)析的特异性，在生物(wù)分(fēn)析领域展现了不可(kě)替代的作用(yòng)。例如利用(yòng)吖啶酯化學(xué)发光分(fēn)析法可(kě)以应用(yòng)于测游离甲状腺素 (FT4)、肌酸激酶同工酶（CKMB），N-末端B型利钠肽前體(tǐ)（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。磁微粒化學(xué)发光法免疫分(fēn)析法（双抗夹心）可(kě)以用(yòng)于检测肌红蛋白（MYO）。
 
 

蛋白纯化  

 
磁珠表面修饰有(yǒu)不同的功能(néng)基团，用(yòng)于不同种类生物(wù)配體(tǐ)的固定。比如金属离子、GSH，Strep-Tactin，DEAE，protein A/G等，用(yòng)于蛋白分(fēn)离纯化。目前比较常用(yòng)的有(yǒu)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、抗體(tǐ)纯化磁珠（proteinA/ Protein G /Protein L）、Strep-tag II 蛋白纯化磁珠等。应用(yòng)抗體(tǐ)（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(kě)很(hěn)方便地进行分(fēn)离工作，有(yǒu)效解决了传统层析技术的不足之处。
 

细胞分(fēn)选  

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

磁性转染  

 
磁性转染技术是一种新(xīn)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(wù)大分(fēn)子通过化學(xué)共价键或物(wù)理(lǐ)粘附作用(yòng)相结合，形成具有(yǒu)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體(tǐ)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(yòng)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(yòng)下，磁性微球进入细胞内，目的基因释放。纳米磁转染载體(tǐ)表面阳离子聚合物(wù)与生物(wù)相容性高分(fēn)子共修饰策略，大大增加了磁转染载體(tǐ)负载基因后的分(fēn)散性、胶體(tǐ)稳定性以及生物(wù)相容性，可(kě)以通过静脉注射进行體(tǐ)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區(qū)，外加交变磁场，由于磁热效应使病灶區(qū)升温至特定温度，从而杀死肿瘤细胞。此技术具有(yǒu)靶向性、毒副作用(yòng)小(xiǎo)，易与其它方法相结合等特点。目前德國(guó)和美國(guó)已经进入临床研究阶段，并已经治愈一部分(fēn)乳腺癌、前列腺癌等肿瘤患者，显示出良好的发展前景。德國(guó)MagForce公司开发的基于纳米氧化铁磁性液體(tǐ)（Nanotherm®）神经胶质瘤磁感应热疗技术的产品已经在欧洲商(shāng)业化应用(yòng)。
 
在肿瘤治疗中另外一个重要应用(yòng)就是药物(wù)靶向治疗。磁性药物(wù)制剂是将药物(wù)和磁性物(wù)质共同包裹于聚合物(wù)载體(tǐ)中制成的磁性靶向给药系统，在外加磁场引导药物(wù)定向移动并定位集中在靶标區(qū)域，在磁场區(qū)释放药物(wù)。纳米磁珠表面修饰的有(yǒu)机聚合物(wù)或无机金属或氧化物(wù)使它们具有(yǒu)生物(wù)兼容性，因而将药物(wù)递送到特定位点可(kě)消除药物(wù)的副作用(yòng)，并降低用(yòng)药剂量。在我國(guó)磁导向载體(tǐ)阿霉素介入治疗（MTC-DOX）已经应用(yòng)于原发性肝癌的临床研究。
 

體(tǐ)内诊断  

 
磁性纳米粒子在體(tǐ)内诊断方面主要用(yòng)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(xīn)型药物(wù)-磁性药物(wù)。这些药物(wù)给病人服用(yòng)后可(kě)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(néng)或血流情况。使用(yòng)MRI造影剂主要有(yǒu)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(wù)相容性、超顺磁性等特征，广泛的用(yòng)于磁共振成像研究。美國(guó)Advanced Magnetic公司及德國(guó)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(wù)磁珠作為(wèi)一种交叉學(xué)科(kē)汇聚研发而成的产品，已逐步应用(yòng)于生物(wù)工程、细胞學(xué)和生物(wù)医學(xué)等领域。高灵敏度，高通量，高效率的磁分(fēn)离纯化技术在临床诊断市场和生物(wù)医药等方面展现出了广阔的应用(yòng)前景，随着生物(wù)磁珠技术的不断发展，将会有(yǒu)更多(duō)的应用(yòng)方向和巨大的市场需求。 

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