生物毒素的检测技术研究进展

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  摘要:生物毒素主要指由微生物代谢产生的毒素,包括肽类毒素、脂多糖内毒素、霉菌毒素等。通过介绍国内外对这几种毒素的检测方法,在对聚合酶链反应技术、酶联免疫检测技术、高效液相色谱法等检测方法综合分析的基础上,评述上述方法的特点和适用条件,并总结生物毒素检测技术的研究进展。
  关键词:肽类毒素 脂多糖内毒素 霉菌毒素 检测方法
  项目类别:农业科技 项目编号:XF11C004 项目名称:徐州市乳品质量安全检测技术
  生物毒素主要指微生物在生长代谢过程中产生的有毒化学物质,微量毒素侵入机体后即可引起生物机能破坏,使人畜中毒。包括肽类毒素、脂多糖内毒素、霉菌毒素等。
  肽类毒素主要有溶血素、肠毒素等,其中产生溶血素的细菌主要有单核细胞增生李斯特菌、霍乱弧菌等。溶血素的致病机理是作用于细胞膜,造成其结构和功能的紊乱,使大量细胞内的成分泄漏,导致细胞死亡。产生肠毒素的细菌主要有金黄色葡萄球菌、大肠杆菌和蜡样芽孢杆菌等。肠毒素是细菌外毒素,通过吸收或在肠内产生,作用于肠黏膜,通常引起腹泻等不适症状。
  脂多糖内毒素是革兰氏阴性菌细胞壁的主要组成成分。研究表明,过量的脂多糖内毒素可引起机体严重的病理生理反应,表现为发热、低血压、休克、器官功能衰竭甚至死亡等。
  霉菌毒素是霉菌产生的一种有毒的次级代谢产物,它是主要的真菌毒素,多数具有致癌作用。霉菌毒素主要有:黄曲霉素、赭曲霉素、单端孢霉烯族毒素等。目前为止,黄曲霉毒素有 B 1、B 2、M 1、M 2、G 1、G2 等几种,其中黃曲霉素B1的毒性和致癌性最强,被称为第一大类致癌物。赭曲霉素有 A、B、C、D 共4 种,其中毒性最大的是赭曲霉素A。单端孢霉烯族毒素中比较常见的是A 类单端孢霉烯族毒素,它主要包括T-2 毒素和HT-2 毒素。
  目前,生物毒素的检测技术已得到越来越多的重视,国内外学者对这些毒素也研究颇多。传统的检测技术以检测致病菌为主,需要培养,检测时间长。现代检测技术简便、快速、灵敏度高,且能达到微量检测的目的。本文对这些生物毒素的检测技术进行较为详细的阐述并对这些方法的特点进行总结。
  1、肽类毒素的检测
  肽类毒素传统的检测方法主要有:酶联免疫检测技术、聚合酶链反应技术和生物传感技术等。近年来产生了一些新兴检测技术,如:悬浮芯片技术等。
  1.1 酶联免疫检测技术
  酶联免疫检测技术是利用酶标记物同抗原抗体复合物的免疫反应与酶的催化放大作用相结合,当偶联物与固相载体上的抗原或抗体反应和酶的相应底物,即起催化水解或氧化还原反应而呈颜色。所生成的颜色深浅与待测标本含量成比例,由此进行定性或定量分析。酶联免疫检测技术是一种敏感、快速、简单的方法,应用较广,但是利用酶联免疫检测技术检测食品中金黄色葡萄球菌肠毒素时,会因为假阳性或假阴性影响检测结果。
  1.2 聚合酶链反应技术
  聚合酶链反应技术是一种在体外模拟DNA 复制过程,对特定的DNA或DNA片段进行快速扩增的方法。聚合酶链反应技术具有灵敏度高、检测时间短等优点。目前常用的聚合酶链反应种类有定性聚合酶链反应和荧光定量聚合酶链反应。荧光定量聚合酶链反应是把荧光基团加入普通聚合酶链反应技术反应体系中,利用荧光信号积累检测整个聚合酶链反应反应的进程,通过标准曲线对未知物进行定量。荧光定量聚合酶链反应比常规聚合酶链反应技术自动化程度更高、特异性更强,其应用也更广泛。根据报道已有包括葡萄球菌各型肠毒素,大肠杆菌毒素等30多种毒素可以应用聚合酶链反应来检验。
  1.3 生物传感技术
  生物传感技术是以酶的催化或者抗原抗体结合等特异反应,通过换能器将反应结果输出为可检测的信号通过信号分析定性或定量待测物质。生物传感器检测法具有分析速度快、检样微量、生物功能膜可反复多次使用等特点,可用于许多物质的检测。
  1.4 悬浮芯片技术
  悬浮芯片技术具有操作简便、重复性好、灵敏度高以及线性范围宽等优点。国外已经有利用悬浮芯片技术检测的报道。国内孙肖红等利用悬浮芯片系统建立检测模型,检测不同浓度金黄色葡萄球菌肠毒素B,其线性范围为0.2~1653.4ng/mL,最低检测值为203pg/mL均优于酶联免疫检测技术(最低检测质量浓度为60ng/mL),除与2.μg/mL金黄色葡萄球菌热休克毒素有交叉反应外,和其他几种细菌、毒素、蛋白均无交叉反应。实验证明悬浮芯片定量检测方法对于模拟添加的金黄色葡萄球菌肠毒素B 具有良好的检测效果。这比国外报道的荧光免疫层析法、磁免疫层析法、芯片传感器等方法的灵敏度都要高,与生物传感器- 质谱联用技术、毛细管芯片技术等在同一数量级。综合国内外对悬浮芯片的研究来看,该技术应用前景十分广阔,但是悬浮芯片能否从粉末样品中直接检测毒素和病原,尚缺乏模型和评价。
  2、脂多糖内毒素的检测
  1968年,国外研究人员Levin等建立了利用鲎实验检测脂多糖内毒素的方法。近几十年来,脂多糖内毒素的检测方法已有很大进展,实验简便、经济、准确性高,但是由于费时、响应慢、自动化程度低等原因已限制了其应用。近十年来出现了利用生物传感技术和气相色谱-质谱联用仪检测细菌内毒素的报道。国外研究人员Goh等用增强型绿色荧光蛋白固定在传感器上制成了荧光内毒素生物传感器,根据脂多糖内毒素与之结合时荧光强度的衰减检测细菌内毒素的含量。此荧光生物传感器存在非分析物产生的荧光干扰问题,是近年来发展较快的一类光学生物传感器。国内岳丽娜等利用气相色谱-质谱联用仪联用技术,对脂多糖内毒素标准品所含的3-羟基脂肪酸种类进行检测,用于分析脂多糖内毒素标准品菌种来源的纯度。结果表明脂多糖内毒素工作标准品中含有非肠道细菌,因此会出现误差,对检测结果产生影响。气相色谱-质谱联用仪联用法检测脂多糖内毒素,不受其标准品及细菌的生物活性的限制,可用于细菌内毒素标准品菌株来源的辅助监控及应用中的异常情况的研究分析。   此外,检测脂多糖内毒素也有酶联免疫检测技术、流式细胞术、化学发光测定法等方法,这些方法特异性、准确性高,但需要专业人员操作,步骤多,必须在实验室完成,其应用需要大量实际操作验证。
  3、霉菌毒素的检测
  检测霉菌霉素的常规方法由经典的薄层色谱法发展到高效液相色谱法、酶联免疫检测技术、免疫亲和层析法等。现在,质谱分析已被引入毒素分析中并衍生出各种质谱方法,如高效液相色谱法-常压化学电离质谱测定法、液质连用法、电喷雾-质谱法、液相串联质谱法、超高压液相联合三重四极杆质谱仪法,及同时测定上百种样品的高效液相色谱法-串联质谱-电喷雾阳离子等技术。随着这些新方法、新手段的发展,为霉菌毒素的检测提供了比较广的选择,适应了不同的检测目的和要求。
  3.1 薄层色谱法
  薄层色谱法是测定食品中霉菌毒素的经典方法,该方法操作简便、费用低、能同时定性定量霉菌毒素。其检测过程是:提取、柱层析、洗脱、浓缩、薄层分离。由于此方法操作繁琐、灵敏度低,现在的研究重点是改进样品的提取和净化方法,因此建立了薄层扫描法来测定霉菌毒素,进而提高薄层色谱法的精度。国内张寰等报道了利用薄层扫描法,在扫描仪上绘制黄曲霉毒素扫描图谱,并由此分辨出黄曲霉素种类,然后定量分析,从而得到样品的黄曲霉毒素含量。鉴于此方法的灵敏度低、安全性差等缺点,已越来越不适用现代分析的要求。
  3.2 高效液相色谱法
  高效液相色谱法具有高效、快速、灵敏度高、重现性好、检测限低、定量准确的特点,是定性定量霉菌毒素的常用方法,其中应用最广的是反相高效液相色谱法。国外研究人员Sobolev等利用高效液相色谱法,以新研发的氧化物质Al2O3作为流动相,对农产品的甲醇 ― 水提取液进行净化处理,样品中加標品2.5~7.5ng/g,结果表明:AFBl、AFB2、AFGl、AFG2 的回收率为 80%~87%,最低检测限为1.0ng/g,此方法与商业检测黄曲霉素方法相比,净化设备费用更低。国外研究人员Razzazi-Fazeli等利用高效液相色谱法-质谱联用仪检测单端孢霉烯族毒素,检测限为 5 0~8 5 n g / g,回收率为77%~101%。鉴于高效液相色谱法的这些优点,其在霉菌毒素检测中的应用越来越多,但是由于样品前处理较复杂,设备昂贵,操作时需专门人员等问题,难以满足快速检测的目的,限制了其应用。
  3.3 酶联免疫检测技术
  酶联免疫检测技术法灵敏度高、特异性强、操作简便,适宜大量样品的快速筛选,且设备费用比高效液相色谱法低,因此广泛用于霉菌毒素的检测。利用此方法检测霉菌毒素可以达到定性定量的目的。此外,根据酶联免疫检测技术开发的毒素试剂盒实现了快速检测霉菌毒素的目的。国外Saha等利用基于酶联免疫检测的流动装置检测红辣椒中黄曲霉素B1与赭曲霉毒素A,检测限分别为2ng/g 和10ng/g,结果证明此方法准确性高,与单独酶联免疫检测相关性良好,并且为欧盟的法定标准提供了简单、快速、有效的检测方法。酶联免疫检测测定结果易出现假阳性问题,且只能测定单一毒素。目前的一项研究是将酶联免疫检测技术和胶体金技术与噬菌体展示技术相结合,此方法可以显著提高检测限,缩短检测时间,同时可以减少毒素测定中所使用的毒素标准品对实验人员及环境的危害,这种结合技术应用前景广阔[ 31]。
  3.4 免疫亲和柱法
  免疫亲和柱是以单克隆免疫亲和柱为分离手段,根据单克隆抗体与载体蛋白偶联后将其填柱形成免疫亲和柱,并与霉菌毒素抗原产生一一对应的特异性吸附关系。免疫亲和柱法包括免疫亲和柱-荧光光度法和免疫亲和柱-高效液相色谱法。裴道国等采用改良型免疫亲和柱净化- 荧光光度检测技术检测花生及花生制品中的黄曲霉毒素。结果表明:改良后的方法具有更好的准确性和精密度,检测技术操作更简便,检测时间由传统的25min缩短至10min,大大提高了检测效率。免疫亲和柱-高效液相色谱法用于检测霉菌毒素在国内外的报道中也比较多。陈新等利用免疫亲和柱-高效液相色谱法分别定量地检测饲料中的黄曲霉毒素B1、B2、G1 和G2,在黄曲霉毒素B1为0~50μg/kg 测定范围内其线性相关系数为0.91,检测灵敏度为1μg/kg,可以作为测定饲料及饲料原料中的黄曲霉毒素B1的定量确认法。国外研究人员Aksenov等利用免疫亲和柱-荧光-高效液相色谱法检测了赭曲霉素,将检测限提高至0.5mg/kg,优化了其检测方法。免疫亲和柱法简便快速、灵敏度极高,一个样品只需10~15min,比传统方法快。特别是免疫亲和柱-高效液相色谱法可以特效性地将霉菌毒素或其他真菌毒素分离出来,分离效率和回收率高,比高效液相色谱法更有优势和应用前景。
  4、结论
  生物毒素的检测方法多种多样,但其灵敏度、精度、适用条件各不相同。近几年来,检测肽类毒素切实可用的检测方法主要是荧光定量聚合酶链反应技术和酶联免疫检测技术,生物传感器技术因其分析速度快、检样微量等特点,可用于许多物质的检测,但在国内的使用情况来看,由于成本高而不能被广泛采用。悬浮芯片技术由于操作简便、灵敏度高以及线性范围宽等优点,未来的应用前景将十分广阔。利用气色谱法-质谱联用仪检测脂多糖内毒素的技术相对比较成熟,而免疫学方法在我国还处于理论阶段,未来还需要大量的实践验证及优化。检测霉菌毒素较常用的检测方法是酶联免疫检测技术法和免疫亲和柱法。酶联免疫检测技术法法操作简便,成本比较低,适合大量样品的快速筛选,且设备费用较低,因此在我国已广泛应用。免疫亲和柱法快速简便、灵敏度极高,分离效率和回收率高。另外,国外一些新技术的发现和使用,在我国是值得引进且具有推广价值的。
  参考文献
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