人類進入生命科學與人工智能時代,愈來愈多的生物醫(yī)藥問題與物質的生物活性相關,與分子水平的海量數(shù)據(jù)和認知維度相關。原有的單一對物質物理屬性的判定方法,難以解決面臨的問題。細胞膜色譜法是一種仿生環(huán)境下對物質活性與物性同時進行判定的識別分析方法。本書內容包括了色譜技術發(fā)展簡史和分子相互作用基礎,重點介紹了CMC仿生檢測體系、CMC固定相、細胞膜色譜儀和典型應用案例等。在藥學應用領域中,細胞膜色譜法是一種藥物發(fā)現(xiàn)和藥品質量控制的有效工具,所以第六章特別選取了九個典型案例,第一節(jié)MrgX2/CMC模型與類過敏反應有四個案例,介紹了類過敏反應機制和拮抗劑研究;第二節(jié)CMC模型研究SARS-CoV-2有三個案例,充分反映細胞膜色譜法可以作為應對疫情等突發(fā)事件的技術支撐體系;第三節(jié)EGFR/CMC模型的典型應用有兩個案例,表明細胞膜色譜法可以研究配體/受體的特異性作用環(huán)節(jié),對同一受體可以選擇性地研究胞外或胞內效應區(qū),適合對小分子藥物和生物技術藥物的篩選分析。細胞膜色譜法作為一種全新的仿生智能分析方法,旨在為醫(yī)藥衛(wèi)生、生物、化學化工、環(huán)境、食品、檢驗檢測等相關專業(yè)的技術人員提供一種分析思路、方法與工具!都毎どV法》可供相關分析檢測的研究人員學習,也可供從事相關專業(yè)的技術人員參考使用。
從1994年開始歷時4年多,我的博士學位論文《細胞膜色譜法》完成,在編后語中寫了這樣一段話:本文所提出并建立的細胞膜色譜實驗模型(CMC模型),是一種仿藥物體內作用過程的色譜模型,……在CMC體系中,藥物分子與細胞膜及膜受體間極性的、疏水的和立體的相互作用的確得到了充分反映,并直接與藥物的藥理作用密切相關。但我認為這仍然是細胞膜色譜的雛形,……在擴大應用的基礎上進一步深入研究,使這一色譜方法不斷趨于成熟和完善。 這30年一路走來,有多少次在停滯與放棄間徘徊,有多少夜在苦思與難眠中煎熬,但深信生物過程之特殊與奧妙,唯有不斷學習、納新、實踐,然后再學習、再納新、再實踐,方可滴水穿石,理解生物過程之特殊、接近其真實、認識其本質。所以我們始終堅持并不懈努力,堅持使我們抓住了機遇,共享了生物技術與生物工程的豐碩成果,踏上了人工智能突飛猛進的快車。努力使我們收獲了回報,不僅完善了CMC技術的理論與方法,也實現(xiàn)了CMC-分析儀的國產(chǎn)化,為其迭代升級奠定了堅實基礎。CMC法不僅在醫(yī)藥衛(wèi)生和生物領域,而且在化學化工、環(huán)境、食品、檢驗檢測等行業(yè),將成為一種有效的仿生智能分析新工具。
本書首次提出了CMC仿生檢測體系概念,并對其內涵進行了描述:在仿生條件下,活性靶受體選擇性識別配體并特異性相互作用,由此建立起一種能夠模擬分子遷移、受體識別和相互作用現(xiàn)象的色譜模式,能夠對被測物的活性與強度、組成與量值進行評價;贑MC仿生檢測體系概念,定義了可以表征被測物(配體或藥物)有無生物活性的新參數(shù),稱為CMC-相對容量因子(kCMC),是通過CMC仿生檢測體系測得的相對于陰性對照品的容量因子值;定義了可以表征其生物活性強度的新參數(shù),稱為CMC-相對活性因子(ACMC),是通過CMC仿生檢測體系測得的被測物(配體或藥物)相對于標準對照品容量因子的比值。用kCMC值和ACMC值的大小,定性與定量評價被測物(配體或藥物)可能具有的生物活性;贑MC仿生檢測體系概念,建立了一種全新的生物識別分析法,利用2D/CMC-分析儀中的CMC-識別單元,特異性地從復雜體系中辨別、捕獲、檢測目標物,并對其生物活性與理化特性雙重屬性進行定性與定量檢測。同時,基于CMC仿生檢測體系概念,引入了深度強化學習模型,建立起了CMC-分析儀的智能分析系統(tǒng),進一步實現(xiàn)細胞膜色譜儀的專業(yè)化、個性化和隨心助理化。
30多年中,已經(jīng)有三代人為細胞膜色譜法的形成和發(fā)展貢獻了智慧和努力,1984年我上南京大學儀器分析助教進修班的導師陳洪淵院士和沈浩教授等,1990年我在美國佐治亞大學藥學院進修時的導師James T. Stewart教授等,1994年我讀分析化學博士時的導師耿信篤教授以及周同惠院士和高鴻院士等,2003年起藥理學家袁秉祥教授將細胞膜色譜應用到藥理學研究中……,他們的教誨、指導與鼓勵,奠定了我色譜思維和對細胞膜色譜的執(zhí)著探索,我衷心感謝恩師和前輩們!另外,我的學生如楊廣德、鄭曉暉、王嗣岑、張彥民、張杰、董亞琳、盧聞、李義平、張濤、賀懷貞、韓省力、王楠、馬維娜、王程、劉瑞、呂艷妮、丁園園、張永竟等70多名博士后、博士研究生和130多名碩士研究生,他們將青春、智慧與汗水,融入了細胞膜色譜,并一點一滴推進了其成熟和完善,我由衷感激他們!也是他們的激情蕩漾讓我忘記了病患與衰老,而奮力前行。還要真誠感謝劉文玉、張振方、白源、羅閣和劉天姝等CMC-分析儀的工程化和產(chǎn)業(yè)化的伙伴們!是他們的工匠精神,將一臺臺實驗室樣機融煉成用戶面前的工程機和商品儀,一步步實現(xiàn)著細胞膜色譜的最初構想。我要衷心感謝我的妻子、兒子和兒媳等家人,一如既往對我的厚愛、理解與支持,使我無后顧之憂地投入研究工作和構思寫作之中,為自己40多年的學術生涯留下一滴滴信息,引發(fā)一點點回憶。
另外,南京大學陳洪淵院士和中國科學院大連化學物理研究所張玉奎院士,百忙之中欣然為本書作序,鼓勵后輩,深表謝意!
最后,對國家自然科學基金委重大科學儀器專項和重點項目的持續(xù)資助,國家醫(yī)學攻關產(chǎn)教融合創(chuàng)新平臺建設項目的資助,國家科學技術學術著作出版基金的資助,化學工業(yè)出版社褚紅喜編輯的辛勤工作,一并表示衷心感謝!
在本著作付梓之際,多年養(yǎng)成追求完美的習性,使我深感恐慌,在所難免的不足懇請讀者批評指正。
賀浪沖
2025年1月
第一章 概論 001
第一節(jié) 色譜技術發(fā)展概況 002
一、早期色譜技術 002
二、色譜理論的提出 005
三、生物分子固定相的發(fā)展 010
四、色譜儀器的興起 011
第二節(jié) 生物技術與人工智能的崛起 013
一、生物技術 013
二、人工智能 015
第三節(jié) 細胞膜色譜法的提出 016
一、仿生學特性 017
二、生物活性特征 017
三、識別保留特征 017
第二章 分子相互作用基礎 019
第一節(jié) 分子間作用力 020
一、范德華力 020
二、偶極相互作用 020
第二節(jié) 細胞膜特性 021
一、細胞膜的組成 022
二、細胞膜的分子結構 023
三、細胞膜受體分類 025
第三節(jié) 受體學說概述 028
一、細胞膜受體信息傳遞 028
二、配體-受體結合特點 029
三、Clark受體占領學說 030
四、計算機輔助分子對接(molecular docking by computer aided) 030
第三章 CMC仿生檢測體系 035
第一節(jié) 基本概念 036
一、構建CMC模型 037
二、CMC仿生檢測體系 038
三、模擬配體-受體相互作用環(huán)節(jié) 038
四、模擬配體生物效應環(huán)節(jié) 038
五、仿生學習模型 038
第二節(jié) 生物活性檢測 039
一、活性鑒別 039
二、活性測定 039
三、識別富集 040
第三節(jié) 配體-受體相互作用與置換 040
一、CMC結合參數(shù) 040
二、溶質計量置換 043
三、分子對接分析 044
第四節(jié) CMC-作用參數(shù)測定 044
一、KD值測定法 044
二、計量置換法 046
第五節(jié) CMC-量效關系 047
一、分子生物學效應 048
二、細胞生物學效應 048
第四章 CMC-固定相 051
第一節(jié) 吸附型固定相 052
一、硅膠載體的特性 053
二、細胞膜的制備 053
三、CMC-ASP的制備 054
四、ASP特性 056
第二節(jié) 鍵合型固定相 062
一、蛋白標簽技術 062
二、標簽靶蛋白細胞的構建 063
三、固定相合成路線 067
四、固定相表征 069
五、固定相特性評價 071
六、實際應用 072
第五章 細胞膜色譜儀 083
第一節(jié) 主要結構單元 084
一、CMC仿生檢測體系(CMC-1D) 084
二、分子對接單元 085
三、分離/分析單元(HPLC-2D) 085
四、智能分析系統(tǒng) 085
第二節(jié) CMC/RL-分析儀 085
一、設計與工程化樣機 086
二、主要單元 086
三、運行模式 087
四、實際應用 088
第三節(jié) 2D/CMC-分析儀 112
一、分析儀設計 112
二、工程化樣機 113
三、主要單元 114
四、識別分析法 114
五、實際應用 115
第四節(jié) CMC-氣體分析儀 126
一、分析儀設計 127
二、工程化樣機 127
三、主要部件 128
四、實際應用 128
第六章 典型應用案例 139
第一節(jié) MrgX2/CMC模型與類過敏反應 140
第二節(jié) CMC模型研究SARS-CoV-2 175
第三節(jié) EGFR/CMC模型的典型應用 201
參考文獻 221
主要符號中英對照表 222