毛细管电泳技术在临床检验医学中的应用

阮丽明 周艳洁 朱茂灵

毛细管电泳技术在临床检验医学中的应用

阮丽明 周艳洁 朱茂灵

本文简要介绍毛细管电泳(capillary electrophoresis，CE)技术的发展概况，重点综述了CE技术在临床检验医学中的应用，并对该技术的应用前景做出了展望。

毛细管电泳;检验;临床应用

毛细管电泳又称高效毛细管电泳(high performance capillary electrophoresis，HPCE)，是以毛细管为通道分离带电粒子或离子，以高压直流电场为驱动力，依据样品中各组分之间电泳分配和流速上的差异来实现分离的新型液相分离分析技术。CE是80年代后期迅速发展起来的一项新技术并综合了电泳和色谱技术两者的优点；由于它高效、快速、简便、自动化操作和在检测方面具有高分辨率、高灵敏度、重复性好等诸多特点，在短短几年时间里就已经成为蛋白质、多肽、核酸及其他生物分子分离和分析的一项重要技术[1]。笔者对近年来毛细管电泳技术的概况及其临床检验应用进行综述，旨在为相关研究提供参考。

1 CE发展概况

早期的电泳技术是由瑞典Uppsala大学的 Tiselies教授于上世纪三十年代创立的界面电泳，他利用电场将蛋白质分子分成白蛋白和球蛋白等4个区带[2]。随后在1950～1960年间出现了纸上电泳，这一技术在医学生物实验室被广泛采用，依据大量检测资料使我们对电泳图谱和有关的临床病理相沟通成为可能。另外支持介质不断改进，各种电泳技术的不断更新和应用，使电泳区带分离更清晰，临床应用更为广泛。

传统的电泳分离过程会产生焦耳热使电解质溶液的密度发生变化并产生对流扰乱分离区带，使分离度下降，并限制了高压电场的使用， 解决问题的方法之一就可以利用小内径的分离管抗对流。 前人的研究工作从石英毛管到内径更细的聚四氟乙烯管, 尽管当时未获得所理想的的高分离柱效，但这些研究已显示出了细内径毛细管给电泳分离带来的优越性，为CE的发展奠定了理论和实验基础。1981年 Jorgenson和Lukacs[3，4]的研究标志着CE 的诞生。他们首次使用30 kV的高电压和内径为75um 的石英毛细管柱，产生出高于40 万理论塔板数的分离柱效，他们设计出简单的 CE装置并从理论上推导出了毛细管区带电泳(CZE)分离的效率公式。1983年，Hjerten[5]发明了把聚丙烯酰胺凝胶填充在毛细管中的毛细管凝胶电泳(CGE) 技术。1984 年，Terabe[6]开创了胶束电动毛细管色谱技术(MEKC)。1985年，Hjerten[7]又报道了新的毛细管等电聚焦技术(CIEF)。于同年，Knox[8]等更进一步发展了毛细管电色谱技术(CEC)，他们使用极细的液相色谱的材料来填充毛细管。 90年代起CE的技术应用方面有了很大的发展，1990年改进应用紫外检测器，1992年开发应用激发诱导荧光检测器[9]，CE技术得到不断改进和更新，敏感性和分辨率进一步提高。

目前以毛细管电泳法为载体的分离分析方法主要有毛细管区带电泳(CZE)、胶束电动毛细管色谱(MECC)、毛细管筛分电泳(CSE)、亲和毛细管电泳(AEC)、毛细管电色谱(CEC)、毛细管等电聚焦电泳(CIEF)和毛细管等速电泳(CITP)等[10]。使得CE技术在临床检验的应用分析领域具有更为广阔的发展前景。

2 CE在临床检验医学的应用

2.1血清蛋白质分析 血清蛋白电泳通常是临床上在无论何种原因引起的血液沉降率增加时都需要进行的常规实验检测项目，它将有助于确诊临床报告的炎症或感染的状况及提示进一步检测其他项目。采用CE可分离血清蛋白，并能准确计算各蛋白质的相对浓度，避免了凝胶电泳法染色、脱色过程中多种影响因素造成的误差，CE法的结果重复性好，可信度高[11]。前清蛋白在血清中的浓度可表明营养状态，且是确定恶性肿瘤、炎症、肝硬化、霍奇金病的重要指标，多数电泳法难以分辨，而用CE法很容易分离定量，检测波长为214或200nm。CE不仅增加了清蛋白部分的分辩率，对双清蛋白血症检测的灵敏度也有了很大的提高。CE提供了足够的在α1区的分辩率以区分α1酸性糖蛋白与α1抗胰蛋白酶。在α2区的球蛋白区，α2巨球蛋白与触球蛋白不易区分，但在β-球蛋白区具有高分辩率[12]。CE法对肾病、慢性感染、自身免疫病和肝硬化等多种疾病的免疫球蛋白分析有较好的优势。

2.2单克隆免疫球蛋白的特征鉴别 单克隆免疫球蛋白是一种过度合成的单一类型或亚型的异常免疫球蛋白。它的产生是由于单一克隆的恶性或高致敏B细胞的无限增殖，从而产生同源性的单克隆免疫球蛋白。单克隆免疫球蛋白组分的检测运用了各种与免疫学、血液学和生物化学等领域相关的技术和仪器。通过用特异性抗体包被的琼脂糖凝胶球消除一个特殊的峰来指示是哪种单克隆成分，借此对免疫球蛋白的型、亚型和轻链型予以鉴定和分类[13]。这一技术提高了对该蛋白组分的分析与研究水平。

2.3血红蛋白成分的分析 血红蛋白病(hemoglobinopathy)是一组由于血红蛋白(Hb)分子结构异常或珠蛋白合成障碍而引起的遗传性血液病，前者称为异常血红蛋白病，后者称为地中海贫血[14](简称地贫)。在地贫高发区检测出地贫高风险夫妇和预防地贫患儿出生是关系到提高我国出生人口素质和实现优生优育工作的一个重要任务。其中血红蛋白(Hb)电泳是研究和分离异常血红蛋白的有效方法，亦是诊断血红蛋白分子病和地贫不可缺少的手段之一[15]。毛细管电泳法是在充满电泳液的石英毛细管中进行电泳的技术，在溶血试剂中进行稀释的红细胞样品，会被注射到毛细管的负极端，在高压电的作用下竞相电泳分离，然后Hb会被靠近正极端的415nm光波检测装置检测到[16]。通过毛细管电泳将蛋白质分离，采用波长为200nm氘光源和CCD探测器，对血红蛋白成分分析灵敏度和分辨率高[17]。CE是一种敏感度和精确度较高的分析方法，具有操作简便、检测时间短的优点[18]。通过使用碱性pH缓冲液，正常和异常(或变异体)血红蛋白按下列顺序检测出来，从阴极到阳极依次为：δA’2(A2变异体)，C，A2/O-阿拉伯血红蛋白(O-Arab)，E，S，D，G费城血红蛋白(G-Philadelphia)，F，A，Hope，Bart，J，N-巴尔的摩血红蛋白(N-Baltimore)和 H。在CE区带中不出现碳酸酐酶，不但可以鉴别出HbA2变异体，还能够准确检测HbA、HbF、HbA2含量以及其他异常血红蛋白，可用于诊断地中海贫血及其他血红蛋白病[19]。

2.4尿蛋白质分析 临床医生和生物学家关注的尿蛋白检查的概念正在逐步更新。蛋白尿的分析得益于近年来重要的方法学的进步，特别是根据分子量和所带电荷来分离蛋白质的电泳技术。当今的生物学技术主要应用电泳方法来检测游离轻链，并用免疫学技术来分析它们的特性。免疫游离轻链是肾脏损害的直接原因，最常见的是肾小管性或系统性。这一毒性的出现可以是在尿中显现沉淀，也可以在间质中沉积。在过去的几年里，有关免疫球蛋白轻链毒性因素方面的认识已有了很大的进展。电泳异常条带位于β或γ区的病例中有三分之二的情况存在本周氏蛋白。一条或多个条带是根据尿液中单克隆免疫球蛋白存在与否进行识别，并且与典型的肾损伤或肾功能不全相关[20]。游离轻链常常沉积在肾小管中，导致肾小管中毒。由于蛋白尿定量与肾脏损害相关，形成蛋白尿的特定蛋白性质就反映了肾单位病变所在的位置和肾功能异常的发病机理。尿中特定蛋白的分析可以认为是如同一个真正的生化活检，它可即刻提供肾单位内部的状况[21]。

2.5肌红蛋白分析 肌红蛋白异常增高常在急性心梗后患者的血液和尿液中出现，而免疫比浊法难以测定低浓度的肌红蛋白。但是，CE可在8 min内快速分离尿中低浓度肌红蛋白并与血红蛋白相鉴别。

2.6脂蛋白分析 CE可将血浆脂蛋白分离出14个亚组分，如在分离缓冲液中加入表面活性剂，可在短时间内对2个主要组分：高密度脂蛋白(HDL)和低密度脂蛋白(LDL)进行定量，对LDL进一步分离为3个亚组分： LDL、中密度脂蛋白(IDL)和极低密度脂蛋白(VLDL)，并对各组分的比例进行推算，从而对脂蛋白异常提供不同脂肪代谢的信息。

2.7糖化血红蛋白(HbA1 c)分析 血红细胞中的血红蛋白糖基化部分即为糖化血红蛋白(HbA1 c)。HbA1 c的水平与测定前数周内的血糖水平呈正线性相关，因此对糖尿病患者测定糖化血红蛋白可了解过去一段较长时间内的血糖水平。此测定并不能作为糖尿病的诊断，但可用于作为控制血糖的指标，糖化血红蛋白的量还可作为评价各种治疗措施效果的标准。应用CE进行Hb A1 c电泳能分离几种糖蛋白的糖基构型，可鉴别糖化血红蛋白A1、A1 c和其他异构体，对糖尿病的监控具有重要意义。

2.8同工酶的分离 应用CE技术对多种同工酶进行了成功的分离。其方法是先使用CE法分离样品形成同工酶区带后，切断电源，并加入含底物的缓冲液，酶催化底物显色，进一步形成可被检测区带，又接通电源，再次电泳，使被检测的同工酶染色区带先后通过检测器，测定最大吸收峰值即测定和分析被分离的同工酶。如检测淀粉酶P(胰)和S(唾液)型等，均可采用HPCE技术分离其同工酶。

2.9免疫复合物分析 CE可将免疫复合物从结合的抗原抗体中迅速分离出来，应用荧光标记单克隆抗体，经LIF-CE检测，检测限可达毫克级，可用于混合液体中低浓度的免疫复合物鉴定。

2.10DNA片段和染色体分析 CE分离DNA分子需多聚物交联剂如聚丙烯酰胺、聚乙二醇、甲基纤维素等材料添加到缓冲液中作为分子筛，可对相差一个甚至几个碱基DNA高效分离。有作者[22]应用CE做X连锁隐性遗传病研究，成功地对DNA限制片段进行了基因多态性分析。研究表明CE可用于分析拾携带者及胎儿产前诊断。

2.11在治疗药物监测中的应用 CE可简便快速分析生物样品中各种有形的药物成分。在药理学研究、法医学检查及临床毒理等方面也有广泛应用[23]。在糖尿病的治疗监测中，可检测血中格列本脲的浓度以防止药物使用不当导致低血糖。

2.12其他小分子/离子的检测 CE能在3～4 min分离血和尿样品中的血管造影剂含量、草酸盐等弱阴离子，检测尿样中十几种卟啉物质和维生素C异构体。在新生儿遗传性有机酸尿症筛查用CE可检测到时多种有机酸标志物。

3 展望

随着CE技术在临床检验医学方面的广泛应用，也必将带来更多的挑战，未来的CE技术在细胞和组织等复杂生物样品体系中的临床检验分析将成为主要的的发展趋势。生物样品分析必然要求进一步发展复杂样品前处理富集技术和更灵敏的检测技术。电泳方法的创新性研究主要体现在新分离模式的建立和电泳技术的联用上，例如微乳液毛细管电动色谱(M E E K C)、亲和毛细管电泳(A C E)和芯片毛细管电泳等；还有将分子信标技术与C E 技术相结合进行可变长度寡 聚核苷酸识别和基因检测[24]；探索利用 C E 对 PC R 产物作 D N A 单链构象多态性分析筛查点突变等[25]。近年来我国在电泳技术的临床应用上有了迅猛发展，尤其是阵列毛细管电泳仪已经问世,这将克服目前大多数商品化毛细管电泳仪只能进行单根毛细管电泳的缺陷，这种高通量的新方法将会给后基因组时代的基因分析带来革命性的变化[26]。CE技术作为一种重要的分析手段，随着它的快速发展，必将在临床检验医学方面有着更广泛的应用前景并在各种分析分离领域发挥巨大的发展潜力。

[1] 宿振国,周玉明,高梅兰,等.高效毛细管电泳的临床应用.国际检验医学杂志,2011,32(10):1083-1084.

[2] 林庆芳,邱威.血红蛋白电泳方法的研究进展.医学综述,2010, 16(6):922-924.

[3] J. W. Jorgenson， K. D. Lukacs. Anal. Chem., 1981，53: 1 298.

[4] J. W. Jorgenson， K. D. Lukacs. J. Chromatogr ，1981，218: 209.

[5] S. Hjerten. J. Chromatogr,1983，270: 1.

[6] S. Terabe，K. Otsuka，K. Ichikawa， et al. Anal. Chem., 1984，56: 111.

[7] S. Hjerten， M. D. Zhu. J. Chromatogr,1985，346: 265.

[8] J. H. Knox, I. H. Grant. Miniaturisation in pressure and electroendosmotically driven liquid chromatography: Some theoretical considerations. Chromatographia, 1987,24(1).

[9] 应正华,陈露.高效毛细管电泳(HPCE)在中药分析中的应用.海峡学,2011,23(2):1-3.

[10] Jin Xiong Qian Zuan Guang Chen. A novel electromagnetic induction detector with a coaxial coil for capillary electrophoresis.中国化学快报：英文版,2012,2:201-204.

[11] 陈燕, 黄泽玉, 王雅杰, 等. 全自动多通道毛细管区带电泳法在血清蛋白分析中的临床应用. 中华检验医学杂志,2006, 29 (5): 420-423.

[12] 袁瑞丽,孟昊,郭炫,等.血清蛋白电泳分布规律对多种疾病的诊断价值.临床和实验医学杂志,2012, 13:1020-1022.

[13] BAO Xu-dong YUE Lin GAO Xue-jun. Characterization of Streptococcus oligofermentans sucrose metabolism demonstrates reduced pyruvic and lactic acid production.中华医学杂志：英文版,2011,21:3499-3503.

[14] 周艳洁,朱茂灵,丁进龙,等.广西横县9356对育龄夫妇地中海贫血干预结果分析. 中华检验医学杂志,2011,34(8):686-688.

[15] Zhaohai Yang， MD， PhD， Carolyn H. Chaffin， Pattye L. Easley， Beatrice Thigpen， and Vishnu V.B. Reddy， MD. Prevalence of Elevated HemoglobinA2Measured by the CAPILLARYS System. Am J Clin Pathol, 2009,131：42-48.

[16] 阮丽明,周艳洁,丁进龙.等.全自动毛细管电泳仪在血红蛋白分析中的应用.海南医学,2012,23(1):15-17.

[17] 阮丽明,周艳洁,朱茂灵,等.全自动毛细管电泳法定量测定血红蛋白A2快速筛查β珠蛋白生成障碍性贫血的应用评价.国际检验医学杂志,2012,33(19):2313-2316.

[18] 陈星,卢业成,初德强,等.全自动毛细管电泳系统在Hb-F检测中的应用.实用医学杂志，2009，25(14)：2359-2360.

[19] 阮丽明,周艳洁,朱茂灵,等.全自动毛细血管电泳系统在地中海贫血筛查中的临床应用.广西医学,2012,34(2):178-180.

[20] 沈建江,罗君,郭长青.尿蛋白电泳在肾脏疾病诊断中的临床应用. 中国医药指南,2012, 25: 408-409.

[21] 石同才,郭海龙,韩红霞.肾性蛋白尿的实验室诊断与鉴别诊断.实用医技杂志,2012, 8:843-844.

[22] 姜旭淦，陈盛霞.毛细管电泳技术及其在生物分子研究中的应用进展.江苏大学学报(医学版),2004,14(5)：449-452.

[23] Zhe Sun Lin-Jie Tian Qian Lin Xiao-Mei Ling Jun-Hai Xiao Ying Wang. Screening of chemokine receptor CCR4 antagonists by capillary zone electrophoresis.药物分析学报：英文版,2011,4:264-269.

[24] Liao C,Li DZ. Detection of non-deletional alpha-thalassemia inprenatal screening program.Eur J Haematol, 2010, 85 (3):273-274.

[25] 李婧.毛细管电泳芯片的临床应用现状.实用医药杂志,2010,27(12):1135-1138.

[26] 程樱.毛细管电泳分离技术的应用.中国药师,2011,14(9):1350-1352.

广西卫生厅课题(项目编号：Z.2010014)；桂人口计生研(项目编号：01-2010-001)

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