随着水体富营养化程度的日益加重和对饮用水安全问题的愈加重视,饮用水中微囊藻毒素(microcystins,MCs)污染问题越来越受到全世界广泛关注,1998年世界卫生组织(WHO)推荐饮用水中MC-LR(MCs中最常见和毒性较强的一种)的限量标准为1.0 μg/L[1],许多国家相继制定了检测水中MCs的标准方法。值得关注的是MCs不仅通过饮用水威胁人类健康,还能在水生动植物中富集,通过食物链威胁人类健康,并且有实验[2-3]表明包括人类在内的陆生哺乳动物比水生动物对MCs更敏感。但是易遭受MCs污染的各种水产品中MCs限量标准至今仍未制定,水产品和人类的血液、尿液等生物样品中MCs的检测技术也相对滞后。微囊藻毒素进入人体的途径很多:如直接饮用受到污染的水源、口服含有微囊藻的蓝藻类产品、皮肤接触受污染的水体等。同时MCs可以在鱼、虾、贝、蛤等水生动物体内蓄积,以水产品的形式被人体摄入,威胁人类的健康。目前对于微囊藻毒素代谢物及其解毒过程的研究,大多集中于体外实验,而且也局限于定性研究[4],对于定量研究报道较少。同时由于微囊藻毒素及其代谢产物在生物样品中的浓度通常很低,干扰物质较多,因而特别需要建立可靠、稳定的分析方法,并通过有效的分离、纯化、富集过程实现高灵敏度、高特异性分析。
本文对国内外常用的检测生物样本中MCs的化学法、免疫检测法、生物化学检测法及发展趋势进行综述。
1 化学检测方法在生物样本的MCs含量分析检测中,化学方法是研究最多,也是目前最常用的检测方法。主要有:高效液相色谱法(high performance kiquid chromatography,HPLC)、薄层色谱法(thin layer chromatography,TLC)、质谱法(mass spectrometry,MS)、高效液相色谱与质谱联用(HPLC/MS)、气相色谱法(gas chromatography,GC)、气相色谱与质谱联用(GC/MS)、2-甲基-3-甲氧基-4-苯基丁酸法(2-methyl-3-methoxy-4-phenylbutyric acid,MMPB)等方法[5]。其中应用最多是HPLC法,以及以此为基础发展起来的HPLC/MS法和GC/MS法,单独用GC法或TLC法并不多见。HPLC技术是通过用正相或反相色谱柱将MCs分离,分离后的各组分流过检测器,被检测器检测并测出结果,以二维色谱图的形式记录下来并存入计算机。常用的检测器有紫外(UV)、化学发光(CL)、荧光(FL),UV检测器应用最为普遍。
1.1 高效液相色谱法HPLC法是在20世纪60年代末在经典液相色谱法和气相色谱法的基础上发展起来的新型高分辨率高分离效果分析检测技术。采用小柱、窄分布的填料制成的紧密的填充柱(填料平均粒度为5 μm)、高压泵溶剂输送系统和高灵敏度的检测系统,检测分辨率和灵敏度高、分析速度快、重复性好、定量精度高、应用范围广,适用于分析高沸点、大分子、强极性、热稳定性差的化合物[6-7]。生物样本在色谱检测前需经过萃取、吸附、富集等预处理程序,再净化洗脱,之后将洗脱液上样,通过HPLC的色谱柱分离,经检测器检测,将样品色谱图的保留时间和峰面积与标准品比较,从而进行定性和定量[8]。
用于检测MCs的检测器主要有紫外—可见光检测器(ultraviolet-visible detector,UV-VAS)、光电二极管阵列检测器(photo-diode array,PDA或diode array detector,DAD)、荧光检测器(fluorescence detector,FLD),最常用的是UV和PDA检测器。由于大多数MCs上特殊氨基酸Adds上的烯烃作为主要的发色团,通常在238 nm处有MCs最大吸收的特征光谱,而一些含芳香氨基酸的MCs (如含有色氨酸的MC-LW)在较低的波长222 nm处出现最大吸收峰[9-11],故可通过紫外检测器设定在上述波长处对其进行检测。有研究报道[12],塑料容器中常用的添加剂能随MCs一起被洗脱下来并在238 nm波段处产生足够的吸收,影响测定结果。MCs各种异构体之间的特征吸收峰相近,使用UV检测器识别MCs时存在相互干扰,会对测定结果的准确度造成影响[13]。由于UV检测器对环境温度和洗脱液流速的波动不敏感,适用于对生物样本中MCs的梯度洗脱。目前采用HPLC-UV法对MCs进行检测,检测限一般为ng级。PDA检测器可以在一次进样后,同时采集不同波长下的色谱图,还可对色谱峰纯度进行鉴定和对光谱图进行检索,在选择最佳检测波长时具有优 势[7],但该方法鉴别不同MCs的能力非常有限,目前尚未建立确定的光谱库[14],无法对未知MCs进行确认。Meriluoto[15]使用PDA为检测器,对藻细胞中MCs的检测灵敏度为0.5~100 μg/g。
HPLC方法由于各实验室的检测程序和条件的不同、仪器费用较高、需专业的人员进行操作等因素的影响,相关资料数据间的一致性不好;生物样本中MCs常以痕量形式存在且干扰物质较多,样品容易因萃取浓缩等前处理过程而降解、吸附,使分析结果不准确;目前已发现的70余种MCs大多数缺乏标准品,限制了MCs定性和定量的进一步研究应用。
1.2 液相色谱/质谱联用法(LC/MS)LC/MS是以液相色谱为分离系统,质谱为检测系统,样本在质谱仪中被转换为去溶剂化的离子,依靠质谱分析仪得以分辨不同的质量和电荷数。目前较多的是采用三重四极杆质谱仪(triple quadrupole mass spectrometer)[16]和电喷雾离子化质谱仪(electrnspray ionization mass spectrometry,ESI-MS)。LC/MS方法即使没有标准毒素也能根据检测出的分子量和结构信息对其进行定性和定量。该方法选择性优良,对样品的前处理步骤要求不高,能同时分离和鉴定多种藻类毒素,基体复杂、含量较低的生物样本中MCs检测常运用该方法。Frit-Fab采用LC/MS确定了一种软体动物(圆顶珠蚌)肝胰腺中的3种MCs(MC-RR,MC-LR,MC-YR)的存在[17],用ESI-LC/MS确定了鱼类[18-19]、螺类[20]和虾类[21]各种器官中MCs的存在等。虽然运用LC/MS对动物器官中的MCs的定性研究已有很多报道,但在生物体内MCs定量检测中,LC/MS的应用远不及HPLC和ELISA广泛。
近年来,能提供待测物更多结构信息的液相串联质谱法( LC/MS/MS) 成为测定生物样本中MCs的一个研究热点。Wayne和Sabdra等[22-23]研究中均选用该方法检测血液中MCs,最低检测限为0.01 ng/g。随着可用于相对分子质量高达数十万的蛋白质质谱测定新技术发展,基质辅助激光解吸离子化质谱法(matrix-assisted laser desorption ionization mass spectrometry,MALDI-MS)和电喷雾离子化质谱法的出现,使“古老”的飞行时间质谱仪(time-of-flight mass spectrometer,TOFMS)得到了新生,此设备结构简单、扫描速度快、灵敏度高、不受质量范围限制。Yuan[24]将该方法运用到血清中MCs的检测,获得了较高的检测灵敏度,MC-LR的最低检测限为16 pg,满足了低含量MCs样品的检测要求。
1.3 气相色谱和质谱联用法(GC/MS)Sano等[25]建立了一种检测MCs总量的化学技术,采用火焰离子化检测器(GC-FID)的气相色谱检测由碘酸钠和高锰酸钾使MCs中Adda残基上的碳碳双键氧化断裂后生成的2-甲基-3-甲氧基-4-苯基丁酸(MMPB)。由于Adda是所有MCs均具有的结构,MMPB法仅适用于MCs总量测定,检测限一般为ng级。目前MMPB法已被研究者用于定量检测生物体样品[24-26]和湖泊沉积物[27]中的MCs。尤其在对1996年巴西[28-29]肾透析事件长达十多年的研究中,均采用MMPB-GC/MS的方法检测受害者血清中MCs含量。在动物体内的MCs检测中,该方法仅用于动物组织中共价结合MCs与可被甲醇萃取的游离(甲醇可萃取)MCs的比例研究,且实验结果差异很大:腹腔注射MC-LR后7 h鲑鱼肝脏中MC-LR总负荷的75%无法通过甲醇萃取-ppase法检出[30]。在加拿大某岛采集的珍宝幼蟹的研究中,也得到相同结论[20]。GC/MS与HPLC法、免疫检测法等方法比较,最大的优越性在于它能区分仅在MCs骨架上有单个甲烷基位置不同的异构体[31]。但该方法操作过程繁杂,专业技术较高,设备价格昂贵,需要毒素的标准品才能进行定性定量分析,且受各实验室检测条件的影响较大,不易在基层单位实施和普及。
2 免疫检测方法生物样本中MCs的免疫检测方法是一种较常见、对仪器设备要求较低的检测方法,其应用范围仅次于HPLC法。主要有酶联免疫吸附法(enzyme-linfced irumuno sorbent assay,ELISA)、免疫蛋白磷酸酶抑制法、免疫亲和色谱法3类,其中酶联免疫检测法最为常用。从1989年美国Chu[32]首先提出了应用ELISA监测MCs的完整程序,其对MC-LR检测限为0.2 ng/mL,到McDermott等[33]完成了一套完整的ELISA检测技术,其对MC-LR检测限度为0.25 ng/mL,再到中国科学院水生生物研究所建立3种检测MC-LR的ELISA方法,检测限分别为7、35、70 pg [34]。ELISA检测MCs主要围绕抗体抗原的制备、抗体的性能和应用、检测方法的稳定性可靠性等方面进行研究,能标记所有MCs的单克隆抗体的制备技术是该方法发展的关键。ELISA方法灵敏度高、样品处理简单,操作方便,但制备的抗体通常只能针对某一种毒素,交叉反应性不高,不能起到良好的鉴别作用,且存在较多假阳性。因此,ELISA技术成为目前最推崇的一种对生物样本中MCs进行快速粗筛的方法。
3 生物化学检测法生物化学法在对MCs的检测中开展得比较早,在对人或其他生物的生理活性方面有独特的优势。
3.1 蛋白磷酸酶抑制法(protein phosphatase inhibition assay,PPIA)该方法主要依据MCs能抑制蛋白磷酸酶(PP-1和PP-2A)的活性性质,对MCs和代表抑制程度的磷酸化蛋白与蛋白磷酸化酶反应后释放的磷酸盐进行定量测定,继而检测MCs的量。一般采用产色反应、放射性检测和荧光反应3种信号采集方式来检测细胞内蛋白磷酸化后的脱磷酸过程。其中应用最早和使用最多的是放射性标记法,在鱼类、软体动物和哺乳动物体内的MCs分布与迁移转化的研究中,常用放射性同位素标记的MCs进行研究[35-38]。PPIA法检测快速,数小时即可实现对大量样本的检测,但该方法特异性不强、其他能对蛋白磷酸酶有抑制作用的物质有可能对检测造成干扰、且不能对同系物进行鉴别,只能检测抑制蛋白磷酸酶的总毒素的量,因此该方法仅作为一种功能性测定方法。PPIA常与其他专一性较好的方法进行比较,避免MCs含量被高估。目前已有研究报道PPIA法与液相色谱联用,用于检测加拿大海水围网养殖的大西洋鱿鱼肝脏中的MCs [39]以及加拿大海域采集到的软体动物体内的MCs[40]。
3.2 组织培养细胞毒性法细胞毒性法是主要利用MCs对细胞的毒性作用,对MCs进行定性和精确定量。该方法仅能检测毒性作用相同的毒素总量。Bhattacharya等[41]建立了用鼠肝切片培养快速筛选各种蓝细菌产生的毒素技术,该方法灵敏度可达μg/L级。Fladmark等[42]对鲑鱼或大鼠的肝细胞分离并悬浮培养,用MCs对细胞进行染毒实验,建立了根据细 胞凋亡的程度来确定MCs含量的方法,该方法检测限为10~20 ng/mL。Fladmark等[42]又根据细胞凋亡过程中凋亡的细胞与 邻近的细胞分离的特性建立了依据肝细胞解聚的程度来检测MCs的方法,该方法将原有方法的灵敏度提高了5~10倍。此方法虽避免了动物实验的弊端,但对细胞培养方面操作技术要求较高,限制其发展。
4 研究展望国内外MCs检测技术的研究正朝着高精确度、高灵敏度,较强特异性反应,操作简单化等方向发展。但由于MCs存在大量的异构体;生物样本基质复杂多样,且含量低;加之检测仪器与成本的制约,每种方法在实际应用中都有局限性,因此目前仍没有检测生物样本中MCs的标准方法。就国内外研究进展而言,HPLC检测限较低、精密度高,是生物样本中MCs定量分析检测的常用技术,但MCs标准品缺乏使得该法逐渐被有无MCs标准品均能准确定性定量,且检测限更低、精密度更高的HPLC/MS法所替代。而HPLC/MS所需设备昂贵,需要操作人员具有专业技术,限制了该方法的普及应用。PPIA法虽然检测精度高,但是其稳定性、简便性、经济性方面还有待加强和提高,以适应大规模的应用。商品化的ELISA试剂盒对样品前处理要求不高、操作简捷、检测灵敏度高,在大规模的样本筛选方面具有优势,但容易出现假阳性,且目前已标记的MCs的单克隆抗体种类不多,能用于MCs检测的类型较少。电化学方法检测MCs操作简单,成本低廉,国内外对此研究报道很少,有待加强研究。各类方法的优缺点见表 1。
| 检测技术 | 优点 | 缺点 |
| HPLC | 能对不同毒素精确定性和定量分析。 | ①技术含量高,仪器价格昂贵;②各实验室的检测程序和实验条件差别较大;③样本的预处理存在含量损失;④MCs标样缺乏。 |
| HPLC/MS或HPLC/MS/MS | ①结构分析;②选择性优良;③样品纯化要求不高,适合基体复杂、含量较低的样品;④精确定性定量,可测定不同的MCs异构体,能较好分析鉴定MCs的代谢物。 | ①仪器价格昂贵;②需专业人员进行操作分析;③各实验室检测条件有较大差别;④前处理复杂。 |
| GC/MS | ①快速、准确、灵敏度高;②可测定不同的MCs异构体。 | ①技术含量高,价格昂贵;②操作和分析要求高;③前处理复杂;④仅用在对MMPB法处理的样品中总MCs检测。 |
| PPIA | ①灵敏度高,测定时间短、干扰小;②检测能抑制PP的总毒素量;③可与HPLC法联用。 | ①需要新制备的放射性底物;②无法区分MCs特异性的同系物,仅作为定性检测;③操作简便性和经济性不强;④放射性废物的处理困难。 |
| ELISA | ①灵敏度高,商品化试剂盒简便;②适用范围广,适合快速粗筛;③可检测MCs的不同同系物。 | ①缺乏广谱抗体;②容易出现假阳性。 |
| 细胞毒性法 | 灵敏度相对较高。 | 仅能测定发挥相同毒性作用的毒素总量。 |
总之,不同的分析技术有各自的优缺点,对MCs的测定结果也不完全相同,不同分析方法的综合应用必定会促进各方法之间的相互校准,使分析结果更加真实地反映生物样品中MCs浓度和类型。使生物样本中MCs的分析检测更加简单、方便、准确、快速和经济,并能实现连续监测是今后研究的重点;建立一种高精确度、高灵敏度、高特异性、低成本的标准方法将是生物样本中MCs检测迫切需要解决的问题。此外,分析方法有待更广泛应用于不同生物样品的日常检测和监测工作,保障人类的健康。
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