蘇彥妮,呂弋,張立春
四川大學(xué)化學(xué)學(xué)院,成都 610064
2019年底以來,新冠疫情的持續(xù)蔓延徹底改變了人們?cè)械纳?,世界格局、外交貿(mào)易、經(jīng)濟(jì)民生均受到了嚴(yán)重沖擊。對(duì)新冠肺炎患者的快速確診能夠控制疫情的擴(kuò)散,是戰(zhàn)“疫”的重點(diǎn),所利用的工具便是“體外診斷(In vitro diagnosis,IVD)”技術(shù)?!绑w外診斷”具體是通過對(duì)人體的血液、體液及組織等樣本進(jìn)行檢測(cè)而獲取臨床診斷信息,從而幫助判斷疾病或機(jī)體功能的產(chǎn)品和服務(wù)[1]。體外診斷在疾病的篩查、診斷和治后檢測(cè)的過程中具有重要的作用,被喻為醫(yī)生的“眼睛”。近年來,作為免疫診斷市場(chǎng)的主流技術(shù)之一的化學(xué)發(fā)光免疫分析法在我國臨床上不斷普及,其市場(chǎng)規(guī)模快速增長,促使一系列的體外檢測(cè)企業(yè)的建立、成熟?;瘜W(xué)發(fā)光免疫分析技術(shù)究竟有什么優(yōu)勢(shì),它的原理以及未來的發(fā)展趨勢(shì)是怎么樣的呢?
根據(jù)檢測(cè)原理和方法,體外診斷可主要分為:生化診斷、分子診斷、微生物診斷和免疫診斷[2]。
分子診斷是以分子生物學(xué)方法為基礎(chǔ),對(duì)遺傳物質(zhì)的結(jié)構(gòu)或表達(dá)水平進(jìn)行檢測(cè)的技術(shù)[2]。如核酸檢測(cè)利用的就是分子診斷方法,將病毒的RNA序列通過逆轉(zhuǎn)錄酶反轉(zhuǎn)錄為DNA并進(jìn)行擴(kuò)增,利用特異性Taqman探針對(duì)擴(kuò)增得到的DNA“打上標(biāo)記”,與靶標(biāo)序列雜交時(shí)會(huì)產(chǎn)生熒光信號(hào)并被記錄下來進(jìn)行判斷(圖1)[3]。臨床上,分子診斷還被應(yīng)用于腫瘤早篩,針對(duì)明確的腫瘤進(jìn)行相關(guān)標(biāo)志物或基因檢測(cè)可對(duì)腫瘤情況、病因、治療效果、預(yù)后等進(jìn)行評(píng)估。
圖1 RT-PCR檢測(cè)原理(Taqman探針法) [3]
免疫診斷是我國體外診斷領(lǐng)域中規(guī)模最大、市場(chǎng)上產(chǎn)品最多、發(fā)展速度不斷加快的領(lǐng)域之一。從熒光免疫分析(fluorescene immunoassay,F(xiàn)IA)[4],放射免疫分析(radio immunoassay,RIA)[5],免疫膠體金[6],酶免疫分析(enzyme immunoassay,EIA)[7]到化學(xué)發(fā)光免疫分析(chemiluminescence immunoassay,CLIA)[8],免疫診斷領(lǐng)域不斷發(fā)展。化學(xué)發(fā)光免疫分析方法相較于其他的免疫診斷技術(shù)不必使用放射性元素來標(biāo)記,同時(shí)具有更高的穩(wěn)定性,與其他技術(shù)的結(jié)合也給化學(xué)發(fā)光免疫分析技術(shù)的發(fā)展帶來新的契機(jī)。其在食品、環(huán)境等領(lǐng)域都有使用,但在臨床上我國從20世紀(jì)90年代才得到應(yīng)用,而在歐美等國家,化學(xué)發(fā)光免疫技術(shù)已經(jīng)在臨床項(xiàng)目中得到普及,自動(dòng)化儀器的生產(chǎn)制造已進(jìn)入成熟期。
微生物診斷是指利用病人的痰、尿、血液、穿刺液及創(chuàng)傷口等處的原液來擴(kuò)大培養(yǎng),最終確定微生物的種類和濃度,從而判斷病人的致病機(jī)理的方法[9]。臨床上最常見的微生物診斷就是尿常規(guī)檢測(cè)和大便常規(guī)檢測(cè),可以判斷出體內(nèi)的炎癥情況。
生化檢測(cè)是指通過基于生物化學(xué)反應(yīng),對(duì)人體內(nèi)的大分子如蛋白質(zhì)、糖類、脂肪,小分子如無機(jī)元素等的體外診斷方法[2]。臨床上可以通過生化診斷實(shí)現(xiàn)對(duì)肝功能、腎功能、血糖、血脂等的檢查。
化學(xué)發(fā)光免疫分析結(jié)合了化學(xué)發(fā)光反應(yīng)和免疫學(xué)的特點(diǎn),通過將發(fā)光物質(zhì)或酶標(biāo)記在抗原或抗體上,抗原或抗體與待測(cè)物質(zhì)發(fā)生特異性結(jié)合,隨后加入氧化劑、化學(xué)發(fā)光底物或是電壓的激發(fā),通過氧化劑氧化發(fā)光物質(zhì),酶催化發(fā)光底物或是發(fā)光物質(zhì)在電壓的激發(fā)下形成高能的激發(fā)態(tài),由于激發(fā)態(tài)不穩(wěn)定,再回到基態(tài)過程中會(huì)以光的形式釋放出能量,同時(shí)由于待測(cè)物濃度與發(fā)光強(qiáng)度在一定條件下呈線性定量關(guān)系,因此借助儀器檢測(cè)發(fā)光的強(qiáng)度就可以確定待測(cè)物的含量[10]。以測(cè)定人絨毛膜促性腺激素(HCG)為例(圖2),待測(cè)物HCG首先與酶標(biāo)記的抗體以及發(fā)光標(biāo)記物標(biāo)記的抗體反應(yīng),形成雙抗體夾心復(fù)合物,隨后再加入與含有與發(fā)光標(biāo)記物結(jié)合的磁珠,通過磁鐵將復(fù)合物聚集,最后加入發(fā)光底物產(chǎn)生光信號(hào)進(jìn)行定量[11]。
圖2 人絨毛膜促性腺激素化學(xué)發(fā)光測(cè)定原理
根據(jù)標(biāo)記物的不同,化學(xué)發(fā)光可大致分為:利用吖啶酯、魯米諾等進(jìn)行標(biāo)記的直接化學(xué)發(fā)光免疫分析(Chemiluminescence immunoassay,CLIA)、利用如辣根過氧化物酶和堿性磷酸酶等標(biāo)記的酶促化學(xué)發(fā)光免疫分析(Chemiluminescence enzyme immunoassay,CLEIA)和利用三聯(lián)吡啶釕等標(biāo)記的電化學(xué)發(fā)光免疫分析(Electrochemiluminescence immunoassay,ECLIA)。直接化學(xué)發(fā)光免疫分析發(fā)光過程十分快速,在幾秒鐘之內(nèi)就可以完成,而酶在一般情況下穩(wěn)定性較好,如辣根過氧化物酶處于室溫下可以在幾周內(nèi)保持穩(wěn)定,且具有較高的特異性,發(fā)光時(shí)間較直接化學(xué)發(fā)光法更長,可以持續(xù)幾分鐘到十幾分鐘,電化學(xué)發(fā)光法處于電解池介質(zhì)中反應(yīng)因而可以反復(fù)使用。利用不同類別的化學(xué)發(fā)光法就可以滿足分析所需要的不同要求,如快速檢測(cè)、穩(wěn)定性好、靈敏度高以及可循環(huán)利用,相較于分子診斷、生化診斷和微生物診斷具有極大的靈活性。
化學(xué)發(fā)光免疫分析法首次被提出到現(xiàn)在已發(fā)展了40余年,其檢測(cè)的體系不斷成熟,所能檢測(cè)的標(biāo)志物數(shù)量不斷增長,主要集中在醫(yī)學(xué)、食品衛(wèi)生、環(huán)境檢測(cè)領(lǐng)域。
對(duì)腫瘤標(biāo)志物的檢測(cè)在腫瘤的早發(fā)現(xiàn)、早治療和治后檢測(cè)中都具有重要的作用。利用化學(xué)發(fā)光法可以實(shí)現(xiàn)對(duì)于腫瘤標(biāo)志物如甲胎蛋白(AFP)[12]、癌胚抗原(CEA)[13]、糖類抗原(CA125、CA153、CA19-9)[14,15]、人附睪蛋白(HE4)[16]、磷狀細(xì)胞癌相關(guān)抗原(SCC)[17]、神經(jīng)元特異性烯醇化酶(NSE)[18]、高爾基體蛋白(GP73)[19]等的檢測(cè)。若標(biāo)志物在人體內(nèi)的含量升高,可以初步判斷是否患有肝癌、胃腸道癌癥、卵巢癌、子宮癌等癌癥或是患有相關(guān)癌癥的傾向。同時(shí),在術(shù)后對(duì)這些指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)還可以判斷恢復(fù)情況。如正常人血清中利用化學(xué)發(fā)光法檢測(cè)到的CA153參考值上限為35 U?mL?1[20],若高于該值,那么就判斷患者可能患有乳腺癌或是一些其他的惡性腫瘤,需要進(jìn)一步的檢測(cè)來明確診斷。而乳腺癌患者中若體內(nèi)CA153的值相比前次診斷升高,那么就可能顯示著病情的惡化,若無變化則意味著病情穩(wěn)定。
除了應(yīng)用于腫瘤標(biāo)志物檢測(cè)外,化學(xué)發(fā)光免疫分析法還被應(yīng)用于各類疾病的篩查。如對(duì)各類激素及其代謝產(chǎn)物包括人絨毛膜促性激素(total hCG)[21]、甲狀腺素(total T4)[22]、肌酸激酶(CK)、肌酸激酶同工酶(CK-MB)、肌紅蛋白(Mb)[23]、甲型肝炎病毒抗體IgM (抗-HAVIgM)[24]等相關(guān)的聯(lián)合檢測(cè),可以判斷關(guān)于甲狀腺、肝臟、腎臟、心血管、血液等方面疾病的患病可能性。在產(chǎn)前篩查中,應(yīng)用化學(xué)發(fā)光法對(duì)游離-β-人絨毛膜促性腺激素(free β-hCG)、抑制素A (INH A)和胎盤生長因子(PLGF)等進(jìn)行檢測(cè),可以對(duì)胎兒是否患有唐氏綜合癥和神經(jīng)管缺陷疾病進(jìn)行初步判斷[25]。通過對(duì)轉(zhuǎn)鐵蛋白(TRF)、鐵蛋白(FER)、可溶性轉(zhuǎn)鐵蛋白受體(sTfR)、葉酸(FA)和維生素B12(VB12)等進(jìn)行檢測(cè)則可以進(jìn)行貧血的診斷以及原因判斷[26]。對(duì)皮質(zhì)醇(Cortisol)、促腎上腺皮質(zhì)激素(ACTH)、生長激素(GH)和胰島素樣生長因子結(jié)合蛋白-3 (IGFBP-3)等進(jìn)行檢測(cè)可以判斷是否有皮質(zhì)醇增多癥、腎上腺功能不全和多囊卵巢綜合征等[27]。常見的高血壓五項(xiàng)、TORCH項(xiàng)目、EB病毒六項(xiàng)和乙肝病毒五項(xiàng)均是利用化學(xué)發(fā)光免疫分析法進(jìn)行檢測(cè),其在臨床上還具有廣闊的應(yīng)用空間。
結(jié)合不同的技術(shù),針對(duì)各種標(biāo)志物的化學(xué)發(fā)光分析方法也在不斷的發(fā)展,如Huang等[28]利用CdTe量子點(diǎn)標(biāo)記與磁性納米顆粒結(jié)合的抗體,通過電化學(xué)發(fā)光免疫測(cè)定方法,實(shí)現(xiàn)了對(duì)于甲胎蛋白的高效檢測(cè),在1.0–200 ng?mL?1內(nèi)都具有線性,檢測(cè)限為0.32 ng?mL?1,同時(shí)還具有檢測(cè)其他標(biāo)志物的潛力。Chen等[29]設(shè)計(jì)了一種利用免疫傳感器陣列的成像方法,實(shí)現(xiàn)了對(duì)于甲胎蛋白、糖類抗原和癌胚抗原的測(cè)定,并用于對(duì)于肝癌、乳腺癌和卵巢癌患者的篩查。市場(chǎng)上基于化學(xué)發(fā)光免疫方法所構(gòu)建的試劑產(chǎn)品不斷出現(xiàn),如Wang等[30]利用直接化學(xué)發(fā)光免疫分析法開發(fā)了一款檢測(cè)降鈣素的新型試劑盒,具有高靈敏度。
農(nóng)藥的濫用、藥物的隨意丟棄、污染物的任意排放以及食物腐敗等問題會(huì)對(duì)人類健康造成影響,因此實(shí)現(xiàn)對(duì)這些影響物質(zhì)的檢測(cè)可以在一定程度上加強(qiáng)人們對(duì)食品和環(huán)境安全的重視程度。目前,化學(xué)發(fā)光免疫分析法已經(jīng)被應(yīng)用在針對(duì)農(nóng)產(chǎn)品中福美雙農(nóng)藥[31]、甲基對(duì)硫磷和吡蟲啉農(nóng)藥[32]殘留的檢測(cè),對(duì)食品中沙門菌和李斯特菌的檢測(cè)[33],以及對(duì)人體內(nèi)分泌有干擾的外源性雌二醇的檢測(cè)[34]等。如Wang等[35]利用魯米諾還原的金納米粒子,開發(fā)了針對(duì)芬戊酸鹽的免疫層析化學(xué)發(fā)光檢測(cè)方法,具有分析效率高、成本低的特點(diǎn)。Liu等[36]設(shè)計(jì)了一種新型且靈敏的增強(qiáng)化學(xué)發(fā)光酶聯(lián)免疫方法用于測(cè)定農(nóng)業(yè)樣品中的吡蟲胺和噻蟲啉,結(jié)果與高效液相色譜方法一致。Juachon等[37]利用直接化學(xué)發(fā)光方法的猝滅效應(yīng)來檢測(cè)甲胺磷殘留,甲胺磷濃度與化學(xué)發(fā)光系統(tǒng)的光輸出成反比,線性范圍為100–10000 μg?mL?1。Pang等[38]利用電化學(xué)化學(xué)發(fā)光免疫分析法監(jiān)測(cè)蜂產(chǎn)品中四環(huán)素類和土霉素抗生素殘留,檢出限分別為4.0 ng?mL?1和3.8 ng?mL?1,靈敏度高于絕大多數(shù)方法。
21世紀(jì)以來,各種新標(biāo)記物和標(biāo)記方法,和其他技術(shù)的聯(lián)用以及各種自動(dòng)化、微型化的儀器不斷被開發(fā)出來,化學(xué)發(fā)光免疫分析也朝著高靈敏度、多組分聯(lián)合檢測(cè)和自動(dòng)化檢測(cè)方向發(fā)展[31]。
實(shí)際樣品的豐度低,在檢測(cè)過程中也存在著信噪比低的問題,同時(shí)如果檢測(cè)方法穩(wěn)定性不好的話也會(huì)對(duì)結(jié)果造成影響?;瘜W(xué)發(fā)光免疫測(cè)定中,使用新發(fā)光試劑、增強(qiáng)劑,構(gòu)建新的發(fā)光體系以及優(yōu)化反應(yīng)時(shí)間、選擇合適的緩沖液等方法,可以大大提高檢測(cè)范圍和檢出限及穩(wěn)定性[39,40]。得益于納米技術(shù)的發(fā)展,各種納米粒子及結(jié)構(gòu)也被引入化學(xué)發(fā)光體系中,如金納米粒子、銀納米粒子、鉑納米粒子等,由于它們具有高比表面積及電子密度,對(duì)于化學(xué)發(fā)光體系有很強(qiáng)的催化作用[41]。作為最廣泛使用的金屬納米粒子,金納米粒子可以作為模擬酶以及酶或大分子的載體。如Li等[42]以辣根過氧化物酶功能化的金納米顆粒作為抗體標(biāo)記物,利用三明治標(biāo)記法,實(shí)現(xiàn)對(duì)人免疫紅蛋白的信號(hào)放大檢測(cè),比原來工作中沒有利用金納米顆粒的方法信號(hào)提高了7.4倍,基本原理如圖3所示。He等[43]則利用魯米諾官能化的銀納米粒子,結(jié)合主成分分析,實(shí)現(xiàn)對(duì)于五種有機(jī)磷酸鹽和氨基甲酸酯農(nóng)藥的區(qū)分,準(zhǔn)確率為95%。磁性納米粒子則可以作為免疫反應(yīng)的載體,通過磁場(chǎng)將免疫復(fù)合物與原始溶液分離,大大縮短了檢測(cè)的時(shí)間,提高了檢測(cè)的靈敏度[44,45]。隨著納米技術(shù)領(lǐng)域的不斷發(fā)展,利用納米材料輔助的化學(xué)發(fā)光技術(shù)未來仍然具有廣闊的發(fā)展空間。
圖3 用于人血紅蛋白測(cè)定的三明治式化學(xué)發(fā)光免疫分析原理
在免疫反應(yīng)中,抗體是免疫測(cè)定性能的關(guān)鍵組成部分。隨著基因工程的發(fā)展,通過基因重組技術(shù)已經(jīng)獲得了多種抗體片段或多功能抗體。如Ouyang等[46]利用雜交瘤策略設(shè)計(jì)了一種新型雙特異性單克隆抗體BsMcAb,實(shí)現(xiàn)對(duì)于甲基對(duì)硫磷和吡蟲啉的同時(shí)檢測(cè),在1.0–500 ng?mL?1有線性關(guān)系,檢測(cè)限為0.33 ng?mL?1。隨著基因工程抗體研究的不斷深入,相信會(huì)為化學(xué)發(fā)光免疫檢測(cè)帶來新的應(yīng)用[47,48]。
相比于單個(gè)組分的分析,對(duì)多組分進(jìn)行聯(lián)合分析可以獲得更多的信息,得出的結(jié)論也更加具有說服力。若對(duì)多組分中的每種組分都進(jìn)行單個(gè)分析,存在著耗時(shí)長、試劑消耗多的問題。通過結(jié)合空間分辨技術(shù)與陣列檢測(cè)器的同時(shí)分析方法則可以實(shí)現(xiàn)對(duì)于高通量樣品的快速檢測(cè),而且試劑消耗少[49,50]。如Fu等[51]設(shè)計(jì)了一個(gè)雙通道流通池,實(shí)現(xiàn)了對(duì)于CA153、CA125、CA199和CEA四種腫瘤標(biāo)志物的檢測(cè),移動(dòng)光柵就可以獲得被光電倍增管收集到的不同通道的信號(hào)(圖4)。微流控芯片是實(shí)現(xiàn)多組分分析的有利工具。通過材料基質(zhì)上刻蝕或壓模便可形成所需要的微通道來實(shí)現(xiàn)所需的功能[52]。Hu等[53]設(shè)計(jì)了一種微流控芯片用于檢測(cè)睪丸激素和C反應(yīng)蛋白,芯片的頂部為試劑儲(chǔ)存區(qū),中部為抗原抗體儲(chǔ)存區(qū),底部為硅樹脂基板。不同的試劑預(yù)先裝載在儲(chǔ)存區(qū)并通過程序控制的閥門避免進(jìn)入微通道,當(dāng)樣品引入后預(yù)加載到微流體裝置的單個(gè)儲(chǔ)層中,并在關(guān)閉狀態(tài)下通過片上機(jī)械閥從微通道中隔離。將樣品引入后,閥門開啟,通過發(fā)光儀可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化檢測(cè)。
圖4 空間分辨化學(xué)發(fā)光免疫分析系統(tǒng)[51]
毛細(xì)管電泳(CE)和高效液相色譜(HPLC)具有極強(qiáng)的分離能力,可應(yīng)用在化學(xué)發(fā)光免疫分析方法的前處理階段[39]。除此之外,層析技術(shù)也實(shí)現(xiàn)了與化學(xué)發(fā)光技術(shù)的耦合。免疫層析技術(shù)(圖5)通過樣品在基質(zhì)上的流動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜組分中不同組分的分離以及反應(yīng)產(chǎn)物與未反應(yīng)產(chǎn)物的分離,不需要在分析過程中沉淀或是洗滌復(fù)合物,具有操作簡便、簡單經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)[54]。如Gao等[55]設(shè)計(jì)了免疫層析試紙條,通過記錄在硝酸纖維素膜的兩個(gè)測(cè)試區(qū)捕獲的探針的化學(xué)信號(hào),實(shí)現(xiàn)對(duì)于萊克多巴胺和沙丁胺醇的檢測(cè),基本原理如圖5所示。
圖5 結(jié)合免疫層析法對(duì)萊克多巴胺和沙丁胺醇的酶促化學(xué)發(fā)光檢測(cè)原理
傳統(tǒng)免疫分析需要將免疫物質(zhì)人工混合導(dǎo)致反應(yīng)效率降低,會(huì)耗費(fèi)較多的時(shí)間。流動(dòng)注射分析(flow injection analysis,F(xiàn)IA)由于不需要人工來進(jìn)行操作,能夠自動(dòng)化地進(jìn)行分析,可以減少誤差,縮短反應(yīng)的時(shí)間,已經(jīng)被利用在基于化學(xué)發(fā)光方法的免疫測(cè)定中[56]。通過加快反應(yīng)動(dòng)力學(xué)如利用容易控制的電場(chǎng)來加快免疫物質(zhì)的傳質(zhì)速率或是采用電磁攪拌等常用的方法同樣可以減少分析時(shí)間,并且由于這些方法容易構(gòu)建,可以大大提升化學(xué)發(fā)光免疫分析的自動(dòng)化水平[33,57]。隨著技術(shù)的發(fā)展,結(jié)合各類輔助方法,具有各類不同功能的全自動(dòng)免疫發(fā)光儀不斷被開發(fā)出來并應(yīng)用在臨床檢測(cè)中。然而,目前自動(dòng)化的化學(xué)發(fā)光免疫分析儀仍然由國外公司占主導(dǎo)地位,以羅氏(Roche)、貝克曼(Beckman)等公司產(chǎn)品為主[58,59],國產(chǎn)化學(xué)發(fā)光免疫分析儀距離替代進(jìn)口產(chǎn)品還有很大的進(jìn)步空間。隨著化學(xué)發(fā)光免疫分析法在我國臨床上的普及,市場(chǎng)規(guī)模仍在不斷增長,幾大主要頭部企業(yè)如亞輝龍(YHLO)、邁克生物(maccura)等的化學(xué)發(fā)光診斷設(shè)備及試劑已在檢測(cè)結(jié)果和檢測(cè)速度等方面接近進(jìn)口產(chǎn)品[60,61]。相信隨著國家一系列自主創(chuàng)新政策的落實(shí)以及對(duì)技術(shù)創(chuàng)新研發(fā)的推動(dòng),國產(chǎn)自動(dòng)化儀器與國外產(chǎn)品之間的差距會(huì)逐漸縮小。
化學(xué)發(fā)光免疫分析法作為免疫診斷市場(chǎng)的主流技術(shù)之一,具有高特異性和靈敏度的特點(diǎn),在臨床和食品、環(huán)境領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。通過結(jié)合各種新標(biāo)記物和標(biāo)記方法,以及和其他技術(shù)的聯(lián)用,能夠大大提高化學(xué)發(fā)光免疫分析的檢測(cè)能力。化學(xué)發(fā)光分析儀器的微型化、自動(dòng)化、集成化和便攜化,可以擴(kuò)大化學(xué)發(fā)光免疫分析法的應(yīng)用范圍,具有很大的發(fā)展前景。相信隨著化學(xué)發(fā)光分析法在臨床上應(yīng)用的普及以及我國企業(yè)的加速發(fā)展,必將縮小與國際上的差距,會(huì)有更多具有獨(dú)立自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的國產(chǎn)商品出現(xiàn)在市場(chǎng)中。