自身免疫性疾病是由異常免疫反應(yīng)引起的慢性退行性或炎癥性疾病。不同的自身免疫性疾病對(duì)機(jī)體的影響各有不同。例如,在多發(fā)性硬化癥中,自身免疫反應(yīng)的侵害對(duì)象是中樞神經(jīng)系統(tǒng),而在克羅恩病中則是腸道。此外,同種疾病對(duì)不同個(gè)體的組織和器官的影響程度不盡相同。
此類疾病的嚴(yán)重程度取決于患者的免疫系統(tǒng)情況。其人群患病率在3%以上,女性和老年人居多。炎癥是許多此類疾病的常見癥狀,其他癥狀包括:眩暈、疲勞、不適及低燒。器官特異性自身免疫性疾病可侵害靶器官或組織,導(dǎo)致功能受損。
本文就自身抗體檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行了回顧性評(píng)述,開篇先介紹一些成熟的檢測(cè)方法,最后則展望未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。多路復(fù)用蛋白質(zhì)分析技術(shù)是討論的核心焦點(diǎn)。本文還研究了各種多路復(fù)用自身免疫測(cè)定法,并闡述了開發(fā)人員所面臨的困難。
芯片技術(shù)
多路復(fù)用蛋白質(zhì)分析技術(shù)最近研制成功,主要包括兩種子技術(shù):平板芯片和球形芯片。
平板芯片:該技術(shù)采用一塊二維微芯片,芯片內(nèi)含針對(duì)各種分析所定義的反應(yīng)位點(diǎn)。通過(guò)可溶階段的配合基,平板芯片可以對(duì)蛋白質(zhì)、代謝物及其他分子組成的混合物中的幾種固定化蛋白進(jìn)行同時(shí)檢測(cè)。
幾年前,某研究小組制造了一種內(nèi)置1152個(gè)反應(yīng)位點(diǎn)的自身抗原芯片。這種平板芯片采用聚左旋賴氨酸包被的玻璃載玻片作為固體載體。將196種不同的假定自身抗原以4個(gè)或8個(gè)復(fù)制組的形式進(jìn)行點(diǎn)樣,由此產(chǎn)生有序陣列。結(jié)合在固體基質(zhì)上的蛋白質(zhì)包括36種重組或純化蛋白質(zhì)、6種核酸抗原以及154種重疊和免疫顯性合成肽,這些肽來(lái)自于核內(nèi)小分子核糖核蛋白、Sm抗原蛋白、多聚(二磷酸腺苷-核糖)聚合酶以及H1、H2A、H3和H4組蛋白。在芯片內(nèi)可進(jìn)行針對(duì)磷酸化激活修飾蛋白的抗體試驗(yàn)。通常以熒光素Cy3標(biāo)記的羊抗人IgG作為芯片試驗(yàn)的標(biāo)記物。
試驗(yàn)可以檢測(cè)出納克/毫升濃度水平的抗體,而且線性范圍達(dá)三個(gè)對(duì)數(shù)。分析靈敏度一般高于酶聯(lián)免疫吸附分析法(ELISA)。
此項(xiàng)研究所暴露出的一個(gè)技術(shù)問(wèn)題是,幾種Sm抗原和組蛋白因點(diǎn)樣技術(shù)被滅活了。據(jù)推測(cè),蛋白與固體表面的結(jié)合是抗原表位丟失的原因。研究人員表示,或許可以通過(guò)優(yōu)化結(jié)合化學(xué)性質(zhì)或者改進(jìn)表面包被技術(shù)來(lái)糾正這一問(wèn)題。此外,一些結(jié)合在載玻片上的抗原還受到蒸發(fā)速度過(guò)快的不利影響。
另一組研究人員也進(jìn)行了一項(xiàng)試驗(yàn),他們把14種自身抗原復(fù)本以及空白對(duì)照和校準(zhǔn)品點(diǎn)樣在聚苯乙烯孔中(圖1),然后將辣根過(guò)氧化物酶標(biāo)記的抗人IgG與可激活的化學(xué)發(fā)光底物同時(shí)使用,并且通過(guò)以電荷耦合器件(CCD)攝像機(jī)為基礎(chǔ)的芯片檢測(cè)儀記錄到了光信號(hào)。通過(guò)人IgG校準(zhǔn)品進(jìn)行抗體定量。該技術(shù)將最常用的臨床試驗(yàn)整合在一塊簡(jiǎn)單的微型芯片上。就分析結(jié)果而言,這種塑料芯片與商用分析試劑盒不相上下。
作為臨床試驗(yàn)室和生物醫(yī)學(xué)研究的專用自動(dòng)化平臺(tái),Randox Evidence采用了蛋白質(zhì)生物芯片技術(shù),通過(guò)CCD攝像機(jī)對(duì)化學(xué)發(fā)光反應(yīng)產(chǎn)生的發(fā)射光進(jìn)行探測(cè)。
球形芯片:多路復(fù)用蛋白質(zhì)分析技術(shù)的第二種子技術(shù)采用了一種微球裝置懸浮液,每個(gè)裝置代表了一種不同的分析試驗(yàn)。該系統(tǒng)有時(shí)被稱為液體芯片。通過(guò)熒光染料對(duì)這種微球(直徑約5微米的塑料小球)進(jìn)行內(nèi)部編碼,并分別用于多路復(fù)用分析的具體試驗(yàn)。通過(guò)流式熒光分光光度法對(duì)小球進(jìn)行檢測(cè)。
對(duì)微球懸浮液進(jìn)行自身免疫多路復(fù)用分析通常采用Luminex公司(美國(guó)德州,Austin)開發(fā)的技術(shù)。通過(guò)該公司的xMAP技術(shù),經(jīng)熒光團(tuán)編碼的微球在不同的分析中起到條形碼的作用。6 每個(gè)小球裝置可以通過(guò)具有不同生物測(cè)定特異性的試劑進(jìn)行包被,分析物由小球裝置中的不同紅光和近紅外線熒光染料濃度確定。這樣就可以對(duì)樣品中的特定分析物進(jìn)行捕捉和檢測(cè)(圖2)。分析儀通過(guò)一道激光束激活小球的內(nèi)部染料(這種染料將微球分為不同類別),而另一道激光則激活報(bào)告染料(通常是B-藻紅蛋白),測(cè)定過(guò)程中該激發(fā)光將被捕捉。各小球裝置可以獲得幾十個(gè)到幾百個(gè)讀數(shù)。
Luminex 100流式設(shè)備通過(guò)數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)按照預(yù)先設(shè)定的分布區(qū)域?qū)Ω鱾(gè)微球進(jìn)行分類。每個(gè)微球表面都含有多個(gè)羧基,這些羧基可以作為蛋白質(zhì)共價(jià)連接的位點(diǎn)。通過(guò)一系列校準(zhǔn)品對(duì)小球表面的報(bào)告染料進(jìn)行定量測(cè)定。
微球具有較小的體積和較大的表面積,比平面固相芯片具有更好的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)性能。而且,微球在懸浮液中的流動(dòng)性也優(yōu)于靜態(tài)平板芯片。將樣品均勻分布到所有平板芯片區(qū)域極為關(guān)鍵,但是對(duì)于懸浮芯片這一點(diǎn)卻無(wú)關(guān)緊要。
目前已有多篇利用Luminex技術(shù)進(jìn)行自身免疫研究的研究報(bào)道。其中一個(gè)試驗(yàn)同時(shí)檢測(cè)了5種可提取性核自身抗原,與公認(rèn)的單一試驗(yàn)ELISA法相比具有良好的相關(guān)性。另一個(gè)小組研究了37名干燥綜合癥患者血清中的抗核抗原(ANAs)和可提取性核抗原。他們分別在84%和76%的患者血清中檢測(cè)到干燥綜合癥A抗原和B抗原(SSA和SSB)的抗體。
Bio-Rad Laboratories公司(美國(guó)加州,Hercules)的BioPlex 2200 ANA篩查儀是一種以Luminex為基礎(chǔ)的全自動(dòng)系統(tǒng),可以同時(shí)測(cè)定13種自身免疫抗體的水平。一項(xiàng)臨床研究表明,這種ANA篩查儀的特異性與ELISA ANA篩查試驗(yàn)不相上下!∨cELISA試驗(yàn)相似,該BioPlex系統(tǒng)的陽(yáng)性率低于用于自身抗體篩查的間接免疫熒光試驗(yàn)。
優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn):這兩種多路復(fù)用技術(shù)(懸浮和平板芯片)各有優(yōu)缺。二維微芯片技術(shù)在蛋白質(zhì)或核酸的高密度篩查(包括100多種的試驗(yàn))方面非常出色。平板芯片尤其適用于單一試驗(yàn)中對(duì)從細(xì)菌到人的各種生物體的整個(gè)基因組或蛋白質(zhì)組進(jìn)行同時(shí)分析。微球芯片在臨床試驗(yàn)室中的優(yōu)勢(shì)尤為突出,這些試驗(yàn)中的檢測(cè)分析物都是精心設(shè)定而且通過(guò)較小的面板進(jìn)行測(cè)定。
微芯片技術(shù)有時(shí)缺乏高通量臨床應(yīng)用所必需的重復(fù)性。這主要是因?yàn)槠桨逍酒闹苽湫枰蛄谢纳a(chǎn)過(guò)程。相反,微球芯片的大量生產(chǎn)具有平板芯片不易達(dá)到的分析重復(fù)性。
此外,平板芯片的超靜定性和統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)水平也不如微球芯片。這是因?yàn)槊總(gè)測(cè)定裝置在一次多路復(fù)用小球反應(yīng)中通常會(huì)檢測(cè)數(shù)百個(gè)微球,每個(gè)小球代表一種不同的免疫測(cè)定,而且在計(jì)算結(jié)果前即可將數(shù)據(jù)集中的異常值排除在外。
懸浮芯片有助于根據(jù)客戶要求將配合基與每個(gè)小球裝置進(jìn)行偶合。結(jié)合在不同小球裝置上的配合基可以在不同結(jié)合化學(xué)性質(zhì)和反應(yīng)條件下進(jìn)行反應(yīng)。每種配合基的純度可能各不相同,例如有的像細(xì)胞裂解液一樣,而有的像重組蛋白一樣。每個(gè)小球裝置與配合基之間可以使用不同的接頭。最后,在每個(gè)小球裝置制造時(shí)可以采用不同的包被后或封閉步驟。
微球芯片具有顯著的優(yōu)勢(shì):每個(gè)微球裝置均以最佳方式單獨(dú)加工,隨后將不同的小球裝置組合起來(lái)制備最終的多路復(fù)用小球試劑。
芯片檢測(cè)中可以容納大量的分析物,因此可以使用多個(gè)內(nèi)部對(duì)照以確保測(cè)定系統(tǒng)的預(yù)期性能。自身抗體的多路復(fù)用分析中可能需要不同的對(duì)照(表II)。
相對(duì)熒光是芯片技術(shù)中常用的輸出信號(hào)。可以使用熒光內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)(獨(dú)立小球裝置或芯片位點(diǎn))對(duì)所有測(cè)定信號(hào)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。這種標(biāo)準(zhǔn)化彌補(bǔ)了照明和檢測(cè)系統(tǒng)的波動(dòng)。還可以根據(jù)相應(yīng)的臨床標(biāo)本類型及和加樣容積設(shè)計(jì)自身免疫測(cè)定中的其他內(nèi)部檢測(cè)。這些內(nèi)部對(duì)照是每個(gè)多路測(cè)定試驗(yàn)必須具有的功能。
多路復(fù)用檢測(cè)中還可以考慮使用對(duì)一種分析物或一類分析物具有特異性的其他內(nèi)部對(duì)照。例如,通過(guò)類風(fēng)濕因子(RF)內(nèi)部測(cè)定可以檢測(cè)RF對(duì)IgM自身抗體分析的潛在干擾。檢測(cè)總IgG將有助于確保IgG高丙種球蛋白標(biāo)本不會(huì)由于競(jìng)爭(zhēng)性抑制而干擾IgM分析。
正確使用內(nèi)部對(duì)照需要掌握分析物的相關(guān)技術(shù)問(wèn)題、進(jìn)行測(cè)定的基質(zhì)以及所用設(shè)備的性能特點(diǎn)。內(nèi)部對(duì)照的使用可以提高測(cè)定的精度和準(zhǔn)確性,并且可以排除未知的矛盾結(jié)果。
技術(shù)難點(diǎn)
多路復(fù)用自身免疫測(cè)定法的普遍認(rèn)存在一些技術(shù)障礙。與核酸芯片相比,蛋白質(zhì)芯片的開發(fā)難度更大。這是因?yàn)榈鞍踪|(zhì)在分子大小、電荷、外形、疏水性、基因轉(zhuǎn)譯后形成的類型和程度、以及四級(jí)結(jié)構(gòu)方面具有很大區(qū)別。而且一些蛋白質(zhì)連接在固相載體上后難以保持特異性和活性。
對(duì)自身抗原進(jìn)行同時(shí)檢測(cè),正如使用各種免疫分析方法一樣,需要合理設(shè)定的、可重復(fù)性、可調(diào)定量抗原。利用芯片技術(shù)進(jìn)行自身抗原測(cè)定存在一些問(wèn)題,包括如何獲得芯片構(gòu)建所需的功能蛋白表達(dá)、開發(fā)將蛋白質(zhì)連接到載體表面并保持其活性的技術(shù)以及通過(guò)化學(xué)和檢測(cè)系統(tǒng)同時(shí)獲得較高的分析靈敏度和較大的動(dòng)態(tài)范圍。測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)化、數(shù)據(jù)解釋及儲(chǔ)存也是需要考慮的問(wèn)題。而且對(duì)每種分析物都需要進(jìn)行性能驗(yàn)證。此外,由于經(jīng)常存在基因轉(zhuǎn)譯后形成的各種變體,蛋白質(zhì)化學(xué)非常復(fù)雜。
重復(fù)性:多路復(fù)用分析技術(shù)可以影響分析結(jié)果的重復(fù)性。通過(guò)對(duì)所有試劑和反應(yīng)過(guò)程進(jìn)行廣泛優(yōu)化以及重復(fù)檢測(cè)可以達(dá)到較高的精度。使用平板芯片時(shí),可能要對(duì)每種分析物的兩個(gè)或多個(gè)復(fù)本盡心檢測(cè),然后對(duì)變異可接受性進(jìn)行統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn),并計(jì)算出平均值。使用球形懸浮芯片時(shí),通常要對(duì)每種分析物的數(shù)百個(gè)小球或化驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行測(cè)定。一般來(lái)說(shuō),小球的數(shù)量與化驗(yàn)精度存在直接聯(lián)系。
干擾性:芯片位點(diǎn)之間的相互干擾是一個(gè)嚴(yán)重的問(wèn)題。使用平板芯片時(shí)會(huì)出現(xiàn)這種信號(hào)干擾,但理論上,這種干擾對(duì)微球芯片的影響更大。在微球懸浮芯片中,測(cè)定反應(yīng)中心并未分割成獨(dú)立的空間位點(diǎn);各個(gè)小球裝置在使用前有可能在液相中發(fā)生長(zhǎng)時(shí)間的相互作用。
與微球反應(yīng)的蛋白質(zhì)主要通過(guò)共價(jià)鍵連接,但是,即使徹底清洗后通常還會(huì)有一些疏松連接的蛋白質(zhì)。與小球裝置非共價(jià)連接的蛋白質(zhì)會(huì)從固相表面緩慢解離,并抑制液相反應(yīng)物的正常反應(yīng);結(jié)果就可能出現(xiàn)假陰性。解離的蛋白質(zhì)也可能遷移并依附到另一小球裝置的表面,導(dǎo)致假陽(yáng)性結(jié)果。
應(yīng)進(jìn)行全面的穩(wěn)定性試驗(yàn),以確保結(jié)合了配合基的蛋白質(zhì)在產(chǎn)品保存期內(nèi)都可與固相基質(zhì)穩(wěn)定結(jié)合。在多路分析驗(yàn)證階段,必須確保多路復(fù)用分析的結(jié)果與相應(yīng)的單路分析結(jié)果相當(dāng)。穩(wěn)定性試驗(yàn)最好在標(biāo)稱的保存期末進(jìn)行,這時(shí)最容易發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。只有所有分析物的多路和單路分析結(jié)果都近乎相同時(shí),研究人員才能認(rèn)定小球裝置的混合并未產(chǎn)生相互干擾(圖3)。
多路復(fù)用測(cè)定中潛在的相互作用數(shù)是微球芯片中測(cè)定次數(shù)的一個(gè)函數(shù)(表III)。隨著芯片復(fù)雜程度的增加,各分析之間可能發(fā)生的不良作用也快速增加。生產(chǎn)前必須解決這一干擾問(wèn)題。
靈敏度和特異性:通過(guò)自身抗體芯片獲取臨床的靈敏度和特異性非常困難。自身免疫抗原通常沒(méi)有顯著的特點(diǎn),而各種分析法中的主要反應(yīng)成分在純度、濃度及活性方面均不相同,因此很難獲得等效的結(jié)果。自身抗體測(cè)定通常是在非平衡狀態(tài)下進(jìn)行的。各種分析法在分析動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)方面存在差異,從而產(chǎn)生不同的分析結(jié)果,特別是對(duì)于中等濃度的自身抗體。
從本質(zhì)上說(shuō),多路復(fù)用測(cè)定法會(huì)產(chǎn)生多余的信息。自身抗體芯片最有價(jià)值的功能就是它可以產(chǎn)生自身抗體的圖譜。人們希望借助計(jì)算機(jī)圖譜識(shí)別軟件對(duì)多路復(fù)用芯片的結(jié)果進(jìn)行分析,從而進(jìn)行疾病的差別性診斷。這種軟件不僅可以提高診斷的準(zhǔn)確性,還可以提高分析的通量和成本效益。此外,計(jì)算機(jī)程序還可以發(fā)現(xiàn)未經(jīng)識(shí)別的復(fù)雜自身抗體的圖譜。
目前,用于構(gòu)建專家系統(tǒng)和解釋算法的方法多種多樣。圖譜識(shí)別技術(shù)的誘人之處在于其假設(shè)的獨(dú)立性,同時(shí)無(wú)需專家對(duì)每個(gè)結(jié)果進(jìn)行主觀性解釋。圖譜識(shí)別對(duì)受測(cè)分析物的名稱或特征無(wú)任何要求。
方法多樣化
在一項(xiàng)研究自身抗體圖譜能否預(yù)測(cè)小鼠對(duì)1型糖尿病的耐受性或易感性的試驗(yàn)中,研究人員將一組共266種抗原點(diǎn)樣在玻璃芯片上?乖械碾姆謩e來(lái)自熱休克蛋白、組織抗原、免疫系統(tǒng)成分、結(jié)構(gòu)抗原、激素、酶、血漿蛋白、合成寡核苷酸及細(xì)菌抗原。在這組266種原始抗原中,研究人員發(fā)現(xiàn)一個(gè)27種抗原的組合可以將小鼠區(qū)分為化學(xué)促發(fā)型糖尿。ōh(huán)磷酰胺促發(fā)型糖尿病;CAD)耐受個(gè)體和易感個(gè)體。
研究人員發(fā)現(xiàn),通過(guò)自身抗體圖譜可以區(qū)分CAD易感小鼠和耐受小鼠,這種鑒別甚至可以在給予促發(fā)化學(xué)物前進(jìn)行。研究還發(fā)現(xiàn)一種自身抗體圖譜可以區(qū)分健康小鼠和CAD后糖尿病小鼠;該圖譜與CAD前抗原集的自身抗體圖譜有所不同。因此,在糖尿病的發(fā)病中,可以通過(guò)IgG對(duì)某些抗原的反應(yīng)性預(yù)測(cè)個(gè)體對(duì)于CAD的潛在易感性,而不是CAD本身。另一方面,一些IgG反應(yīng)性可以預(yù)示疾病而不是易感性。因此,對(duì)潛在疾病的預(yù)測(cè)以及對(duì)當(dāng)前疾病的診斷可能有賴于不同的自身抗體效價(jià)圖譜。
該研究列舉了定義各種風(fēng)濕性疾病自身抗體圖譜的多種方法。人們可能還將發(fā)現(xiàn)新的抗體圖譜,用以預(yù)測(cè)自身免疫疾病的病變過(guò)程,或提示可取的治療方案。
未來(lái)應(yīng)用
在一些重要的未來(lái)研究和臨床應(yīng)用中,基于自身抗體芯片的多路復(fù)用技術(shù)前景一片光明。最明顯的例子就是,為了進(jìn)行有效的診斷和治療,對(duì)可能反映某一具體自身免疫性疾病的大量抗原進(jìn)行篩查。其他潛在應(yīng)用包括:鑒定潛在致病性評(píng)估中的相關(guān)人IgG類型、鑒別自身免疫反應(yīng)的抗原表位分布以及指導(dǎo)抗原圖譜明確性治療的療程。3 多路復(fù)用測(cè)定法有助于發(fā)現(xiàn)尚未鑒別的自身免疫性疾病或疾病亞型的新型自身抗原。
同時(shí)還可以將這種技術(shù)用于其他醫(yī)學(xué)領(lǐng)域,如對(duì)變應(yīng)原、治療性和濫用藥物、血清抗體以及心臟病和癌癥蛋白質(zhì)標(biāo)志物的分析。
高數(shù)值芯片(含100多種分析物)將成為研究環(huán)境中最有用的技術(shù)。通過(guò)對(duì)成百上千種試驗(yàn)進(jìn)行多路復(fù)用,研究人員可以從與某種疾病無(wú)臨床關(guān)系的大量分析物中鑒別出數(shù)量有限的自身免疫生物標(biāo)志物。經(jīng)過(guò)這一階段,陣列密度低于100種分析物的蛋白質(zhì)即可投入臨床應(yīng)用。
結(jié)論
可對(duì)自身抗體及其他分析物進(jìn)行多路復(fù)用測(cè)定的全自動(dòng)系統(tǒng)現(xiàn)已上市。該系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)控制免疫測(cè)定開放系統(tǒng)分析儀能夠連續(xù)、隨機(jī)地調(diào)用標(biāo)本和試劑,并且與實(shí)驗(yàn)室信息系統(tǒng)、原管采樣及STAT功能完全整合。這種尖端產(chǎn)品在技術(shù)、成本和工作流程方面具有極大優(yōu)勢(shì),因此采用這種新技術(shù)的設(shè)備將為您提供一種傳統(tǒng)ELISA、免疫印跡及IFA技術(shù)之外的誘人選擇。