毛細(xì)管電泳技術(shù)在臨床檢驗醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用

阮麗明 周艷潔 朱茂靈

毛細(xì)管電泳技術(shù)在臨床檢驗醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用

阮麗明 周艷潔 朱茂靈

本文簡要介紹毛細(xì)管電泳(capillary electrophoresis，CE)技術(shù)的發(fā)展概況，重點綜述了CE技術(shù)在臨床檢驗醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用，并對該技術(shù)的應(yīng)用前景做出了展望。

毛細(xì)管電泳;檢驗;臨床應(yīng)用

毛細(xì)管電泳又稱高效毛細(xì)管電泳(high performance capillary electrophoresis，HPCE)，是以毛細(xì)管為通道分離帶電粒子或離子，以高壓直流電場為驅(qū)動力，依據(jù)樣品中各組分之間電泳分配和流速上的差異來實現(xiàn)分離的新型液相分離分析技術(shù)。CE是80年代后期迅速發(fā)展起來的一項新技術(shù)并綜合了電泳和色譜技術(shù)兩者的優(yōu)點；由于它高效、快速、簡便、自動化操作和在檢測方面具有高分辨率、高靈敏度、重復(fù)性好等諸多特點，在短短幾年時間里就已經(jīng)成為蛋白質(zhì)、多肽、核酸及其他生物分子分離和分析的一項重要技術(shù)[1]。筆者對近年來毛細(xì)管電泳技術(shù)的概況及其臨床檢驗應(yīng)用進(jìn)行綜述，旨在為相關(guān)研究提供參考。

1 CE發(fā)展概況

早期的電泳技術(shù)是由瑞典Uppsala大學(xué)的 Tiselies教授于上世紀(jì)三十年代創(chuàng)立的界面電泳，他利用電場將蛋白質(zhì)分子分成白蛋白和球蛋白等4個區(qū)帶[2]。隨后在1950～1960年間出現(xiàn)了紙上電泳，這一技術(shù)在醫(yī)學(xué)生物實驗室被廣泛采用，依據(jù)大量檢測資料使我們對電泳圖譜和有關(guān)的臨床病理相溝通成為可能。另外支持介質(zhì)不斷改進(jìn)，各種電泳技術(shù)的不斷更新和應(yīng)用，使電泳區(qū)帶分離更清晰，臨床應(yīng)用更為廣泛。

傳統(tǒng)的電泳分離過程會產(chǎn)生焦耳熱使電解質(zhì)溶液的密度發(fā)生變化并產(chǎn)生對流擾亂分離區(qū)帶，使分離度下降，并限制了高壓電場的使用， 解決問題的方法之一就可以利用小內(nèi)徑的分離管抗對流。 前人的研究工作從石英毛管到內(nèi)徑更細(xì)的聚四氟乙烯管, 盡管當(dāng)時未獲得所理想的的高分離柱效，但這些研究已顯示出了細(xì)內(nèi)徑毛細(xì)管給電泳分離帶來的優(yōu)越性，為CE的發(fā)展奠定了理論和實驗基礎(chǔ)。1981年 Jorgenson和Lukacs[3，4]的研究標(biāo)志著CE 的誕生。他們首次使用30 kV的高電壓和內(nèi)徑為75um 的石英毛細(xì)管柱，產(chǎn)生出高于40 萬理論塔板數(shù)的分離柱效，他們設(shè)計出簡單的 CE裝置并從理論上推導(dǎo)出了毛細(xì)管區(qū)帶電泳(CZE)分離的效率公式。1983年，Hjerten[5]發(fā)明了把聚丙烯酰胺凝膠填充在毛細(xì)管中的毛細(xì)管凝膠電泳(CGE) 技術(shù)。1984 年，Terabe[6]開創(chuàng)了膠束電動毛細(xì)管色譜技術(shù)(MEKC)。1985年，Hjerten[7]又報道了新的毛細(xì)管等電聚焦技術(shù)(CIEF)。于同年，Knox[8]等更進(jìn)一步發(fā)展了毛細(xì)管電色譜技術(shù)(CEC)，他們使用極細(xì)的液相色譜的材料來填充毛細(xì)管。 90年代起CE的技術(shù)應(yīng)用方面有了很大的發(fā)展，1990年改進(jìn)應(yīng)用紫外檢測器，1992年開發(fā)應(yīng)用激發(fā)誘導(dǎo)熒光檢測器[9]，CE技術(shù)得到不斷改進(jìn)和更新，敏感性和分辨率進(jìn)一步提高。

目前以毛細(xì)管電泳法為載體的分離分析方法主要有毛細(xì)管區(qū)帶電泳(CZE)、膠束電動毛細(xì)管色譜(MECC)、毛細(xì)管篩分電泳(CSE)、親和毛細(xì)管電泳(AEC)、毛細(xì)管電色譜(CEC)、毛細(xì)管等電聚焦電泳(CIEF)和毛細(xì)管等速電泳(CITP)等[10]。使得CE技術(shù)在臨床檢驗的應(yīng)用分析領(lǐng)域具有更為廣闊的發(fā)展前景。

2 CE在臨床檢驗醫(yī)學(xué)的應(yīng)用

2.1血清蛋白質(zhì)分析 血清蛋白電泳通常是臨床上在無論何種原因引起的血液沉降率增加時都需要進(jìn)行的常規(guī)實驗檢測項目，它將有助于確診臨床報告的炎癥或感染的狀況及提示進(jìn)一步檢測其他項目。采用CE可分離血清蛋白，并能準(zhǔn)確計算各蛋白質(zhì)的相對濃度，避免了凝膠電泳法染色、脫色過程中多種影響因素造成的誤差，CE法的結(jié)果重復(fù)性好，可信度高[11]。前清蛋白在血清中的濃度可表明營養(yǎng)狀態(tài)，且是確定惡性腫瘤、炎癥、肝硬化、霍奇金病的重要指標(biāo)，多數(shù)電泳法難以分辨，而用CE法很容易分離定量，檢測波長為214或200nm。CE不僅增加了清蛋白部分的分辯率，對雙清蛋白血癥檢測的靈敏度也有了很大的提高。CE提供了足夠的在α1區(qū)的分辯率以區(qū)分α1酸性糖蛋白與α1抗胰蛋白酶。在α2區(qū)的球蛋白區(qū)，α2巨球蛋白與觸球蛋白不易區(qū)分，但在β-球蛋白區(qū)具有高分辯率[12]。CE法對腎病、慢性感染、自身免疫病和肝硬化等多種疾病的免疫球蛋白分析有較好的優(yōu)勢。

2.2單克隆免疫球蛋白的特征鑒別 單克隆免疫球蛋白是一種過度合成的單一類型或亞型的異常免疫球蛋白。它的產(chǎn)生是由于單一克隆的惡性或高致敏B細(xì)胞的無限增殖，從而產(chǎn)生同源性的單克隆免疫球蛋白。單克隆免疫球蛋白組分的檢測運用了各種與免疫學(xué)、血液學(xué)和生物化學(xué)等領(lǐng)域相關(guān)的技術(shù)和儀器。通過用特異性抗體包被的瓊脂糖凝膠球消除一個特殊的峰來指示是哪種單克隆成分，借此對免疫球蛋白的型、亞型和輕鏈型予以鑒定和分類[13]。這一技術(shù)提高了對該蛋白組分的分析與研究水平。

2.3血紅蛋白成分的分析 血紅蛋白病(hemoglobinopathy)是一組由于血紅蛋白(Hb)分子結(jié)構(gòu)異?；蛑榈鞍缀铣烧系K而引起的遺傳性血液病，前者稱為異常血紅蛋白病，后者稱為地中海貧血[14](簡稱地貧)。在地貧高發(fā)區(qū)檢測出地貧高風(fēng)險夫婦和預(yù)防地貧患兒出生是關(guān)系到提高我國出生人口素質(zhì)和實現(xiàn)優(yōu)生優(yōu)育工作的一個重要任務(wù)。其中血紅蛋白(Hb)電泳是研究和分離異常血紅蛋白的有效方法，亦是診斷血紅蛋白分子病和地貧不可缺少的手段之一[15]。毛細(xì)管電泳法是在充滿電泳液的石英毛細(xì)管中進(jìn)行電泳的技術(shù)，在溶血試劑中進(jìn)行稀釋的紅細(xì)胞樣品，會被注射到毛細(xì)管的負(fù)極端，在高壓電的作用下競相電泳分離，然后Hb會被靠近正極端的415nm光波檢測裝置檢測到[16]。通過毛細(xì)管電泳將蛋白質(zhì)分離，采用波長為200nm氘光源和CCD探測器，對血紅蛋白成分分析靈敏度和分辨率高[17]。CE是一種敏感度和精確度較高的分析方法，具有操作簡便、檢測時間短的優(yōu)點[18]。通過使用堿性pH緩沖液，正常和異常(或變異體)血紅蛋白按下列順序檢測出來，從陰極到陽極依次為：δA’2(A2變異體)，C，A2/O-阿拉伯血紅蛋白(O-Arab)，E，S，D，G費城血紅蛋白(G-Philadelphia)，F(xiàn)，A，Hope，Bart，J，N-巴爾的摩血紅蛋白(N-Baltimore)和 H。在CE區(qū)帶中不出現(xiàn)碳酸酐酶，不但可以鑒別出HbA2變異體，還能夠準(zhǔn)確檢測HbA、HbF、HbA2含量以及其他異常血紅蛋白，可用于診斷地中海貧血及其他血紅蛋白病[19]。

2.4尿蛋白質(zhì)分析 臨床醫(yī)生和生物學(xué)家關(guān)注的尿蛋白檢查的概念正在逐步更新。蛋白尿的分析得益于近年來重要的方法學(xué)的進(jìn)步，特別是根據(jù)分子量和所帶電荷來分離蛋白質(zhì)的電泳技術(shù)。當(dāng)今的生物學(xué)技術(shù)主要應(yīng)用電泳方法來檢測游離輕鏈，并用免疫學(xué)技術(shù)來分析它們的特性。免疫游離輕鏈?zhǔn)悄I臟損害的直接原因，最常見的是腎小管性或系統(tǒng)性。這一毒性的出現(xiàn)可以是在尿中顯現(xiàn)沉淀，也可以在間質(zhì)中沉積。在過去的幾年里，有關(guān)免疫球蛋白輕鏈毒性因素方面的認(rèn)識已有了很大的進(jìn)展。電泳異常條帶位于β或γ區(qū)的病例中有三分之二的情況存在本周氏蛋白。一條或多個條帶是根據(jù)尿液中單克隆免疫球蛋白存在與否進(jìn)行識別，并且與典型的腎損傷或腎功能不全相關(guān)[20]。游離輕鏈常常沉積在腎小管中，導(dǎo)致腎小管中毒。由于蛋白尿定量與腎臟損害相關(guān)，形成蛋白尿的特定蛋白性質(zhì)就反映了腎單位病變所在的位置和腎功能異常的發(fā)病機理。尿中特定蛋白的分析可以認(rèn)為是如同一個真正的生化活檢，它可即刻提供腎單位內(nèi)部的狀況[21]。

2.5肌紅蛋白分析 肌紅蛋白異常增高常在急性心梗后患者的血液和尿液中出現(xiàn)，而免疫比濁法難以測定低濃度的肌紅蛋白。但是，CE可在8 min內(nèi)快速分離尿中低濃度肌紅蛋白并與血紅蛋白相鑒別。

2.6脂蛋白分析 CE可將血漿脂蛋白分離出14個亞組分，如在分離緩沖液中加入表面活性劑，可在短時間內(nèi)對2個主要組分：高密度脂蛋白(HDL)和低密度脂蛋白(LDL)進(jìn)行定量，對LDL進(jìn)一步分離為3個亞組分： LDL、中密度脂蛋白(IDL)和極低密度脂蛋白(VLDL)，并對各組分的比例進(jìn)行推算，從而對脂蛋白異常提供不同脂肪代謝的信息。

2.7糖化血紅蛋白(HbA1 c)分析 血紅細(xì)胞中的血紅蛋白糖基化部分即為糖化血紅蛋白(HbA1 c)。HbA1 c的水平與測定前數(shù)周內(nèi)的血糖水平呈正線性相關(guān)，因此對糖尿病患者測定糖化血紅蛋白可了解過去一段較長時間內(nèi)的血糖水平。此測定并不能作為糖尿病的診斷，但可用于作為控制血糖的指標(biāo)，糖化血紅蛋白的量還可作為評價各種治療措施效果的標(biāo)準(zhǔn)。應(yīng)用CE進(jìn)行Hb A1 c電泳能分離幾種糖蛋白的糖基構(gòu)型，可鑒別糖化血紅蛋白A1、A1 c和其他異構(gòu)體，對糖尿病的監(jiān)控具有重要意義。

2.8同工酶的分離 應(yīng)用CE技術(shù)對多種同工酶進(jìn)行了成功的分離。其方法是先使用CE法分離樣品形成同工酶區(qū)帶后，切斷電源，并加入含底物的緩沖液，酶催化底物顯色，進(jìn)一步形成可被檢測區(qū)帶，又接通電源，再次電泳，使被檢測的同工酶染色區(qū)帶先后通過檢測器，測定最大吸收峰值即測定和分析被分離的同工酶。如檢測淀粉酶P(胰)和S(唾液)型等，均可采用HPCE技術(shù)分離其同工酶。

2.9免疫復(fù)合物分析 CE可將免疫復(fù)合物從結(jié)合的抗原抗體中迅速分離出來，應(yīng)用熒光標(biāo)記單克隆抗體，經(jīng)LIF-CE檢測，檢測限可達(dá)毫克級，可用于混合液體中低濃度的免疫復(fù)合物鑒定。

2.10DNA片段和染色體分析 CE分離DNA分子需多聚物交聯(lián)劑如聚丙烯酰胺、聚乙二醇、甲基纖維素等材料添加到緩沖液中作為分子篩，可對相差一個甚至幾個堿基DNA高效分離。有作者[22]應(yīng)用CE做X連鎖隱性遺傳病研究，成功地對DNA限制片段進(jìn)行了基因多態(tài)性分析。研究表明CE可用于分析拾攜帶者及胎兒產(chǎn)前診斷。

2.11在治療藥物監(jiān)測中的應(yīng)用 CE可簡便快速分析生物樣品中各種有形的藥物成分。在藥理學(xué)研究、法醫(yī)學(xué)檢查及臨床毒理等方面也有廣泛應(yīng)用[23]。在糖尿病的治療監(jiān)測中，可檢測血中格列本脲的濃度以防止藥物使用不當(dāng)導(dǎo)致低血糖。

2.12其他小分子/離子的檢測 CE能在3～4 min分離血和尿樣品中的血管造影劑含量、草酸鹽等弱陰離子，檢測尿樣中十幾種卟啉物質(zhì)和維生素C異構(gòu)體。在新生兒遺傳性有機酸尿癥篩查用CE可檢測到時多種有機酸標(biāo)志物。

3 展望

隨著CE技術(shù)在臨床檢驗醫(yī)學(xué)方面的廣泛應(yīng)用，也必將帶來更多的挑戰(zhàn)，未來的CE技術(shù)在細(xì)胞和組織等復(fù)雜生物樣品體系中的臨床檢驗分析將成為主要的的發(fā)展趨勢。生物樣品分析必然要求進(jìn)一步發(fā)展復(fù)雜樣品前處理富集技術(shù)和更靈敏的檢測技術(shù)。電泳方法的創(chuàng)新性研究主要體現(xiàn)在新分離模式的建立和電泳技術(shù)的聯(lián)用上，例如微乳液毛細(xì)管電動色譜(M E E K C)、親和毛細(xì)管電泳(A C E)和芯片毛細(xì)管電泳等；還有將分子信標(biāo)技術(shù)與C E 技術(shù)相結(jié)合進(jìn)行可變長度寡 聚核苷酸識別和基因檢測[24]；探索利用 C E 對 PC R 產(chǎn)物作 D N A 單鏈構(gòu)象多態(tài)性分析篩查點突變等[25]。近年來我國在電泳技術(shù)的臨床應(yīng)用上有了迅猛發(fā)展，尤其是陣列毛細(xì)管電泳儀已經(jīng)問世,這將克服目前大多數(shù)商品化毛細(xì)管電泳儀只能進(jìn)行單根毛細(xì)管電泳的缺陷，這種高通量的新方法將會給后基因組時代的基因分析帶來革命性的變化[26]。CE技術(shù)作為一種重要的分析手段，隨著它的快速發(fā)展，必將在臨床檢驗醫(yī)學(xué)方面有著更廣泛的應(yīng)用前景并在各種分析分離領(lǐng)域發(fā)揮巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

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