核酸適配體在環(huán)境雌激素檢測領(lǐng)域的研究進(jìn)展

耿玉慧，沙雋伊，王文靜，賀祥珂，邴欣，*，余小影，賈敏，4，*

（1.山東師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，山東濟(jì)南250014；2.山東省產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)研究院，山東濟(jì)南250012；3.乳山市檢驗(yàn)檢測中心，山東威海264500；4.山東師范大學(xué)食品營養(yǎng)與安全校級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東濟(jì)南250014）

環(huán)境雌激素具有高毒性難降解等特點(diǎn)，已成為威脅人類健康的重要因素之一，其常常被分為生物類雌激素、人工合成類雌激素、天然雌激素以及化學(xué)污染物等不同來源的環(huán)境雌激素。但環(huán)境雌激素檢測較為困難，主要是由于其種類繁多且每種存在許多結(jié)構(gòu)類似物。適配體具有特異性高、靈敏度好、易于修飾等優(yōu)點(diǎn)，可極大的降低結(jié)構(gòu)類似物之間的交叉反應(yīng)，適用于環(huán)境雌激素檢測。目前，利用指數(shù)富集配體系統(tǒng)進(jìn)化技術(shù)（systematic evolution of ligands by exponential enrichment，SELEX）已篩選出多種環(huán)境雌激素適配體，并利用這些適配體開發(fā)出多種快速檢測的新方法，它可為環(huán)境雌激素的快速檢測提供理論依據(jù)，具有良好的發(fā)展前景，有助于人們更好的進(jìn)行檢測。

1 環(huán)境雌激素

環(huán)境雌激素對內(nèi)源性雌激素有明顯的干擾效應(yīng)，具體表現(xiàn)為它會(huì)干擾心血管、神經(jīng)、免疫等系統(tǒng)的正常功能，并可導(dǎo)致癌癥、肥胖以及雄性精子數(shù)量減少等疾病[1-2]。由于環(huán)境雌激素對整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)具有一定的危害效應(yīng)，同時(shí)這種效應(yīng)具有極大的廣泛性和持久性，因此，環(huán)境雌激素的研究與檢測已成為各國學(xué)者的研究熱點(diǎn)。環(huán)境雌激素主要類型[3]見表1。

表1 環(huán)境雌激素種類及作用Table 1 The type and function of environmental estrogen

目前，化學(xué)分析方法和生物試驗(yàn)分析方法是化合物的雌激素活性檢測的主要方法。其中化學(xué)分析方法中主要包括液相色譜分析法、液相色譜串聯(lián)質(zhì)譜法、氣相色譜分析法、放射免疫法等[11]。生物分析方法分為體內(nèi)和體外試驗(yàn)兩種[12]，如子宮生長實(shí)驗(yàn)、重組基因酵母篩檢法等。然而，這些方法均存在一定的不足，化學(xué)分析方法花費(fèi)高，操作復(fù)雜，樣品易受到不同程度的干擾；生物實(shí)驗(yàn)分析法耗時(shí)長，不適合大量的化合物的檢測且容易在篩選時(shí)產(chǎn)生誤差[13]。因此，開發(fā)具有高靈敏度，且可進(jìn)行現(xiàn)場快速檢測環(huán)境雌激素的檢測技術(shù)顯得尤為重要。

2 核酸適配體

2.1 適配體技術(shù)

核酸適配體（aptamer）是指通過SELEX 技術(shù)在寡核苷酸文庫經(jīng)數(shù)輪篩選得到的單鏈DNA 或RNA 片段[14]，適配體可通過折疊成莖環(huán)、發(fā)卡、凸環(huán)、假結(jié)或G-四鏈體等二維或三維結(jié)構(gòu)與靶標(biāo)物質(zhì)進(jìn)行特異結(jié)合[15]。相較于一般的抗體和酶，適配體具有高選擇性、高親和力、高穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)[16]。適配體技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、化學(xué)及生物學(xué)等方面[17]，為食品中存在的生物毒素[18]、金屬離子[19]及農(nóng)獸藥殘留[20]等污染因子的檢測提供了新的方法。

2.2 環(huán)境雌激素適配體篩選進(jìn)展

目前已篩選出適配體的環(huán)境雌激素有E2、炔雌醇（ethinylestradiol，EE）、孕酮（progesterone，P4）[21]和 BPA[22]。由于E2 是雌激素受體的最適靶標(biāo)，對E2 適配體的篩選、檢測方法及應(yīng)用也最多；EE、P4 的研究相對較少，對其適配體篩選也相對較少；BPA 作為重要的化工原料廣泛存在于環(huán)境中，其與人類生活密切相關(guān)，因此對BPA 適配體的研究和應(yīng)用也較多。

2.2.1 E2、EE 適配體篩選

2007年，Kim 等[23]首次利用 SELEX 技術(shù)在 7.2×1014mol 單鏈DNA 分子文庫中篩選出長度為76 mer的E2 核酸適配體，E2 的二級(jí)結(jié)構(gòu)模擬圖如圖1。

圖1 76 mer E2 適配體二級(jí)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Secondary structure of 76 mer E2 aptamer

適配體與 E2 間的解離常數(shù)（Kd值）為 0.13 μmol/L，并利用最小自由能量算法對該適配體的二級(jí)結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。該團(tuán)隊(duì)篩選的E2 適配體被廣泛應(yīng)用于E2的檢測領(lǐng)域。

2014年，Alsager 等[24]利用相同的方法篩選出長度為75 mer 的E2 適配體，二級(jí)結(jié)構(gòu)模擬圖如圖2，Kd值為25 nmol/L。為了提高所篩選適配體的親和力和特異性，2015年，Alsager 等[25]利用圓二色譜法檢測到該適配體上的3 個(gè)莖環(huán)結(jié)構(gòu)，通過切除75 mer 適配體序列兩側(cè)多余的核苷酸得到22 mer 和35 mer 適配體，其Kd值分別為14 nmol/L 和11 nmol/L。通過計(jì)時(shí)庫侖分析法等分析發(fā)現(xiàn)，與75 mer 適配體相比，去除超多側(cè)翼核苷酸序列的兩段短適配體的特異性和選擇性大大提高。當(dāng)將剪切后的適配體應(yīng)用于納米金比色法檢測E2 時(shí)，方法靈敏度可提高約25 倍。

圖2 75 mer E2 適配體二級(jí)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Secondary structure of 75 mer E2 aptamer

圖3 85 mer E2 適配體二級(jí)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Secondary structure of 85 mer E2 aptamer

為提高適配體的特異性，Vanschoenbeek 等[26]針對E2 上不同功能團(tuán)，建立了A、B 兩個(gè)篩選程序，篩選針對不同功能團(tuán)的適配體，其二級(jí)結(jié)構(gòu)圖如圖3 所示。分別在兩個(gè)含1015寡核苷酸庫中得到了19 條和24 條E2 適配體，Kd值分別在 27 μmol/L～124 μmol/L 和0.9 μmol/L～6.0 μmol/L 之間。所得到的適配體對 E2 的特異性有所提高，但某些適配體對EE 仍存在較強(qiáng)的親和作用。為獲得E2 的高特異性和親和性適配體，Akki 等[27]隨后篩選出兩條 85 mer，86 mer 的 E2 適配體和一條EE 適配體，并利用平衡過濾法（equilibrium filter method，EFM）測得適配體的Kd值分別為0.6、0.65 μmol/L 和 0.95 μmol/L。并且測得 E2 適配體對 E2的選擇性是EE 的74 倍，EE 適配體對EE 的選擇性是E2 的53 倍。本試驗(yàn)結(jié)果表明所篩選的適配體具有較高的特異性。

2.2.2 BPA、P4 適配體篩選

2011年，Minjoung 等[22]通過 SELEX 技術(shù)在包含1015mol 的寡核苷酸隨機(jī)文庫中，經(jīng)12 輪循環(huán)篩選得到長度為57 mer 的BPA 適配體，二級(jí)結(jié)構(gòu)如圖4 所示，并且利用Mfold 軟件通過最小自由能測定，對適配體#3 和#12-5 的二級(jí)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。利用溶膠-凝膠芯片進(jìn)行適配體-BPA 夾心試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)#3 能夠與BPA形成較好的夾心結(jié)構(gòu)，而#12-5 與BPA 的特異性相互作用相對較弱。適配體#3 的Kd值為8.3 nmol/L，該適配體隨后被廣泛應(yīng)用于BPA 檢測領(lǐng)域。

圖4 BPA 適配體二級(jí)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Secondary structure of BPA aptamer

Jiménez 等[28]在一個(gè) 1.8×1015mol 單鏈 DNA 分子隨機(jī)文庫中經(jīng)過數(shù)輪篩選得到第一條P4 適配體，并通過熒光分析法和電化學(xué)阻抗譜測定出其Kd值為17 nmol/L，該P(yáng)4 的適配體與P4 類似物如E2 和炔諾酮（norethindrone，NET）未發(fā)生交叉反應(yīng)，因此 P4 適配體對P4 具有極高的特異性。

不同環(huán)境雌激素的結(jié)構(gòu)式千變?nèi)f化，因此其與適配體的作用位點(diǎn)不相同，這就導(dǎo)致通過SELEX 技術(shù)篩選得的適配體也不盡相同；同種靶標(biāo)通過改變篩選條件可得到不同的適配體，其長度、序列及二級(jí)結(jié)構(gòu)也不盡相同，因此適配體與靶標(biāo)的親和力、特異性也不盡相同，這為環(huán)境雌激素提供了更多的檢測方法。不同環(huán)境雌激素的結(jié)構(gòu)式及目前篩選得出的適配體長度、序列等信息見表2。

表2 已篩選的環(huán)境雌激素適配體Table 2 The screened environment estrogen adapter

3 基于適配體的環(huán)境雌激素檢測方法

核酸適配體作為一種新型識(shí)別分子，具有較高的選擇性、靈敏度，同時(shí)它易被修飾，可被廣泛應(yīng)用于分析檢測領(lǐng)域。由于其具有較高的特異性，適用于具有較多結(jié)構(gòu)類似物的環(huán)境雌激素的檢測。其易于合成和修飾的特點(diǎn)，為適配體的廣泛應(yīng)用提供較多的便利，比較常見的基于適配體的檢測方法主要包括比色法、熒光法和電化學(xué)法。

3.1 納米金比色法

納米金粒子具有表面等離子共振特性，其大小、形狀和分離距離發(fā)生變化時(shí)，會(huì)導(dǎo)致納米金粒子發(fā)生顯著的顏色變化[29]。而適配體可以通過靜電作用吸附于納米金表面，使納米金粒子在高鹽濃度下呈游離狀態(tài)，溶液為紅色；利用這一特性，在加入靶標(biāo)后，適配體與靶標(biāo)可以更好的進(jìn)行特異性結(jié)合，從而與納米金粒子解離，使金納米粒子失去適配體保護(hù)而凝聚變藍(lán)。利用該原理，建立了一種針對E2 的基于適配體納米金比色的檢測方法。

3.1.1 納米金比色法檢測E2

Liu 等[30]將長度為76 mer 的E2 適配體分解為P1（33 mer）、P2（43 mer）兩個(gè)片段，二級(jí)結(jié)構(gòu)見圖5 所示。

圖5 基于適配體的E2 比色檢測原理圖Fig.5 Scheme of colorimetric detection method of E2 based on aptamer

希望通過分解以提高比色法的靈敏度。試驗(yàn)表明，分離后，P1+P2 仍保留最初76 mer 適配體的親和力和特異性，而最低檢出限（limit of detection，LOD）則降低到原來的10 倍，為0.1 ng/mL，線性范圍為0.1 ng/mL～105 ng/mL。靈敏度的增加可能是由較短序列的適配體與E2 的親和力升高，與納米金的親和力降低引起的。

Alsager 等[25]將75 mer 適配體剪切得到兩條22 mer和35 mer 短鏈適配體，建立了基于適配體的E2 比色法，其原理見圖6。

圖6 基于剪短適配體的E2 比色檢測原理圖Fig.6 Scheme of colorimetric detection method of E2 based on truncate aptamer

該團(tuán)隊(duì)分別比較了長度為75、35 mer 及22 mer 的適配體對E2 檢測的效果，發(fā)現(xiàn)75 mer 適配體的LOD為 5 nmol/L，線性范圍為 5 nmol/L～400 nmol/L；35 mer、22 mer 適配體均可將LOD 降低到800 pmol/L，但是35 mer 適配體的線性范圍為200 nmol/L～800 pmol/L；而22 mer 適配體的線性范圍僅為35 mer 適配體的一半。還發(fā)現(xiàn)，相比于22 mer 適配體，35 mer 適配體由于保留小部分冗余核苷酸，與納米金結(jié)合后仍能較好從其表面脫離下來與E2 結(jié)合。因此，保留部分冗余核苷酸片段，更有利于提高檢測的靈敏度。

3.1.2 納米金比色法檢測BPA、P4

納米金粒子的表面等離子共振特性同樣被應(yīng)用于BPA 和P4 的檢測中。Zhang 等[31]設(shè)計(jì)了納米金比色法快速檢測BPA 方法，該方法LOD 為1.5 nmol/L，線性范圍為1.5 nmol/L～500 nmol/L，在自來水和河水樣中的加標(biāo)回收率分別為100.9 %～112.7 %。Du 等[32]設(shè)計(jì)了基于適配體納米金比色對P4 快速檢測方法。該方法的LOD 為2.6 nmol/L，線性范圍為2.6 nmol/L～800 nmol/L，同時(shí)以水和尿液做加標(biāo)回收試驗(yàn)，回收率可達(dá)84.4%～118.8%。

3.2 熒光分析法

熒光染料主要包括熒光素和量子點(diǎn)，具有強(qiáng)度高，易于標(biāo)記，發(fā)射波長范圍廣等特點(diǎn)。將熒光染料及其猝滅基團(tuán)等修飾到適配體上，根據(jù)適配體與靶標(biāo)的結(jié)合與解離所帶來的熒光信號(hào)變化，實(shí)現(xiàn)對靶標(biāo)的分析。適配體熒光分析法具有操作簡單，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)。

3.2.1 熒光分析法檢測E2

Huang 等[33]使用釕（Ru）復(fù)合物與量子點(diǎn)（QDs）作為熒光探針，實(shí)現(xiàn)了對E2 的快速檢測，其原理見圖7。

圖7 免標(biāo)記E2 熒光適配體傳感器原理圖Fig.7 Scheme of label-free fluorescent aptasensor for E2 detection

Ru 復(fù)合物可以猝滅QDs 的熒光，當(dāng)體系中存在E2 適配體時(shí)，Ru 復(fù)合物優(yōu)先與適配體結(jié)合，無法與QDs 結(jié)合，從而使熒光恢復(fù)；當(dāng)加入靶標(biāo)后，適配體與E2 結(jié)合從而與Ru 復(fù)合物分離，Ru 復(fù)合物與QDs 結(jié)合后將其熒光猝滅。因此，可根據(jù)熒光強(qiáng)度定性、定量分析E2。該方法的LOD 為37 nmol/L，線性范圍為0.08 μmol/L～0.4 μmol/L。

而Ni 等[34]建立了利用納米金粒子作為熒光猝滅劑，羅丹明（RhoB）做熒光指示劑的E2 熒光檢測方法，原理見圖8，該方法成功提高了檢測的靈敏度。當(dāng)體系中不存在E2 時(shí)，適配體將通過吸附于納米金表面，可使納米金粒子均勻分散于NaCl 溶液中，從而降低RhoB 的熒光強(qiáng)度；當(dāng)加入E2 時(shí)，適配體與E2 結(jié)合，與納米金分離，納米金粒子發(fā)生聚沉，其對RhoB 熒光強(qiáng)度的抑制作用減弱。因此可通過RhoB 的熒光強(qiáng)度變化檢測樣品中E2 的含量。該方法的LOD 為0.48 nmol/L，線性范圍為 0.48 nmol/L～200 nmol/L，在實(shí)際水樣中的回收率為94.3%～111.7%。

圖8 E2 熒光適配體傳感器原理圖Fig.8 Scheme of fluorescent aptasensor for E2 detection

3.2.2 熒光分析法檢測BPA

Zhu 等[35]利用熒光信號(hào)可以被氧化石墨烯（GO）猝滅的原理，設(shè)計(jì)了一步檢測BPA 的熒光方法。首先，將FAM 熒光標(biāo)記的適配體與不同濃度的BPA 標(biāo)準(zhǔn)液結(jié)合，保證體系內(nèi)熒光強(qiáng)度相同；當(dāng)加入GO 后，GO 可以與未結(jié)合的適配體結(jié)合，并猝滅其熒光，熒光強(qiáng)度與BPA 含量成正比。該方法的LOD 為0.05 ng/mL，線性范圍為0.1 ng/mL～10 ng/mL，以水做加標(biāo)回收試驗(yàn)，回收率為96.0%～104.5%。而Li 等[36]則建立了另一種方法BPA 的熒光檢測方法：他們以納米金顆粒作量子點(diǎn)熒光猝滅劑，該方法依據(jù)適配體與BPA 結(jié)合時(shí)會(huì)改變納米金顆粒的凝聚狀態(tài)，從而改變量子點(diǎn)的熒光強(qiáng)度，根據(jù)熒光強(qiáng)度進(jìn)而計(jì)算出樣品中BPA 的含量。該方法的LOD 為1.86 ng/mL，線性范圍為10 ng/mL～80 ng/mL，以自來水為實(shí)際樣品做加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn)也得到了滿意的回收率。

3.3 電化學(xué)分析法

電化學(xué)法是指先將適配體固定于電極上，當(dāng)適配體與待測物結(jié)合后，改變電極上的化學(xué)反應(yīng)，從而改變電極的電化學(xué)信號(hào)。因此，可通過測定電極的電位、電勢、電流等的變化檢測待測物的濃度。

3.3.1 電化學(xué)法檢測E2

Kim 等[23]建立了基于適配體的電化學(xué)傳感器檢測方法來檢測E2，方法原理為將適配體固定于被修飾的金電極上，E2 與適配體的結(jié)合導(dǎo)致電極化學(xué)反應(yīng)發(fā)生改變，從而引起電流大小的改變，通過檢測電流來測定樣品中E2 的含量，該檢測方法的線性范圍為0.01 nmol/L～1.00 nmol/L。為提高檢測的靈敏度與特異性，Huang 等[37]利用硫化銅納米片和金納米粒子修飾玻碳電極及酶信號(hào)放大技術(shù)，通過伏安法檢測電壓的變化實(shí)現(xiàn)了對E2 特異性檢測。該方法的LOD為0.06 pmol/L，檢測范圍為 0.5 nmol/L～5.0 nmol/L。在實(shí)際樣品尿液中的加標(biāo)回收率為96.%～104.3%。基于相同的原理，Zhu 等[38]通過使用長度為75 mer E2適配體設(shè)計(jì)了E2 的高靈敏檢測方法，該方法LOD 為1 fmol/L，線性范圍可達(dá) 10 ng/mL～60 ng/mL，在自來水中也得到了良好的回收率。為進(jìn)一步提高分析性能，Povedano 等[39]于2017年將GO 納米復(fù)合材料修飾玻碳電極，戊二醛與漆酶在此納米復(fù)合物上進(jìn)行交聯(lián)從而改變電極的電化學(xué)信號(hào)，基于此原理建立了一種對E2 的快速檢測的方法。該方法的LOD 為0.54 pmol/L，線性范圍為0.9 pmol/L～11 pmol/L，在動(dòng)物或合成尿液中的回收率分別為98.8%～100.4%和98.3%～99.5%。

3.3.2 電化學(xué)法檢測BPA

Liu 等[40]設(shè)計(jì)了基于雙信號(hào)放大的電化學(xué)法快速檢測BPA。首先，將納米金固定于玻碳電極上，適配體與納米金結(jié)合從而固定于電極上，然后與生物素修飾的互補(bǔ)DNA 探針雜交，形成雙鏈DNA。當(dāng)體系中含有BPA 時(shí)，由于適配體與BPA 特異性結(jié)合，與互補(bǔ)鏈分離，使BPA 被固定在傳感界面上，從而改變電化學(xué)信號(hào)。該方法的LOD 為0.41 pmol/L，線性范圍為0.001 nmol/L～1.000 nmol/L，且此方法對 BPA 的選擇性良好。Zhang 等[41]于2017年設(shè)計(jì)了基于金納米調(diào)節(jié)電路原理設(shè)計(jì)了快速檢測BPA 的方法。該方法的LOD為 1.5 ng/mL，線性范圍為4.4 ng/mL～66 ng/mL，以水為標(biāo)準(zhǔn)樣品做加標(biāo)回收試驗(yàn)回收率為95.4%～106.8%。

3.3.3 電化學(xué)法檢測P4

Jiménez 等[28]利用其所篩選的 P4 適配體，設(shè)計(jì)了基于適配體的電化學(xué)傳感器檢測P4 的方法，該方法的 LOD 為 0.9 ng/mL，線性范圍為 10 ng/mL～60 ng/mL，以自來水為標(biāo)準(zhǔn)樣品的加標(biāo)試驗(yàn)有較好的回收率。

科學(xué)研究是一個(gè)不斷發(fā)展、進(jìn)步的過程，通過不斷改進(jìn)環(huán)境雌激素檢測的方法和條件，從而不斷提高方法的靈敏度和檢出限。核酸適配體作為一種具有高靈敏度和特異性的分子識(shí)別探針，將受到越來越多科研工作者的青睞。目前，環(huán)境雌激素種類很多，但基于適配體技術(shù)對 E2 和 BPA 的檢測、報(bào)道最多，EE、P4 的檢測方法相對較少，還有大量未篩選出的適配體的環(huán)境雌激素仍需要人們進(jìn)一步的努力。已篩選得到適配體的環(huán)境雌激素的檢測方法、檢出限、線性范圍等信息見表3。

表3 部分環(huán)境雌激素檢測方法與結(jié)果Table 3 Some environmental estrogen detection methods and results

4 總結(jié)與展望

環(huán)境雌激素對于人體甚至環(huán)境的惡劣影響，它的研究與檢測已成為各國學(xué)者的研究熱點(diǎn)，而環(huán)境雌激素通常以極低的濃度出現(xiàn)，需要建立高靈敏度的分析方法。由于適配體與靶標(biāo)物質(zhì)有較好的結(jié)合力，較高的特異性，抗干擾性強(qiáng)，逐漸出現(xiàn)在人們的視野中，并已經(jīng)成功建立了如比色法、熒光分析法以及電化學(xué)法等等，這些方法較傳統(tǒng)的高效液相色譜法，氣相色譜法等等有操作簡單，經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，用時(shí)較短等優(yōu)點(diǎn)。雖然利用適配體進(jìn)行環(huán)境雌激素的檢測還有一定的局限性，暫時(shí)還不能完全代替常規(guī)的儀器檢測方法，但是因?yàn)樗梢袁F(xiàn)場快速檢測出結(jié)果，所以有廣闊的應(yīng)用前景一定的發(fā)展空間。