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1 四 免疫分析 免疫学概述 一 免疫与免疫学 1. 免疫 (Immunity): 机体对 自己 和 异己 识别 应答过程中所产生的生物学效应的总和, 正常情况下是维持机体内环境稳定的一种生理功能 2. 免疫学 (Immunology): 是研究机体免疫系统结构和功能的一门学科来源于抗感染免疫 ( 微生物学的分支 ) 1. 免疫防御 (immune defense): 即抗感染免疫, 主要指机体对外来抗原 ( 如微生物及其毒素 ) 侵袭的免疫保护作用 * 应答过强或持续过长 在清除病原微生物的同时, 导致自身组织损伤和功能异常 ( 超敏反应 ) * 应答过低或缺如 免疫缺陷病 2. 免疫自稳 (immune homeostasis): 免疫系统通过调节网络实现免疫系统功能相对稳定 ( 主要针对衰老 损伤的细胞 ) 自稳机制发生异常 机体对 自己 或 非己 抗原的识别和应答紊乱, 破坏自身耐受 自身免疫病 3. 免疫监视 (immune surveillance): 指免疫系统识别畸变和突变细胞并将其清除的功能免疫监视功能异常 肿瘤发生或持续性感染 1

2 抗原 (Antigen,Ag) 防御病原微生物侵害 清除复制错误 / 突变细胞 细胞癌变持续性感染 1. 抗原的概念抗原 : 是引起机体免疫应答的外因, 也是决定免疫反应特异性的关键 因此, 任何一种物质能刺激机体的免疫系统, 使之产生抗体或致敏的淋巴细胞, 并能与之特异性结合, 即统称抗原 2. 抗原的特性 1) 免疫原性 (immunogenicity) 2) 免疫反应性 (immunoreactivity) 或抗原性 (antigenicity) 具有两种性质的物质为完全抗原 1) 免疫原性 (immunogenicity) 2) 免疫反应性或抗原性 指抗原能刺激机体产生特异性抗体及致敏淋巴细胞的特性 活化的杀伤 T 细胞 活化的 B 细胞 指抗原能与相应免疫应答产物 ( 抗体或致敏淋巴细胞 ) 发生特异性结合的特性 抗体 3) 半抗原与载体 * 半抗原 (Hapten): 仅具有免疫反应性而无免疫原性的物质, 也称不完全抗原, 如小分子化合物 药物等 * 载体 (carrier): 与半抗原结合而赋予其免疫原性的物质, 一般是蛋白质半抗原可被视为完全抗原的表位, 完全抗原可被视为载体上附有若干半抗原 决定抗原免疫原性的因素 1. 抗原的理化性质 1) 分子大小 2) 化学组成 3) 抗原表位的易接近性易接近性是指抗原表位与淋巴细胞表面抗原受体结合地难易程度 4) 物理性状 2

3 抗原的特异性抗原特异性 (antigenic Specificity): 指抗原诱导机体产生特异性免疫应答并与免疫应答产物发生专一结合的特性 1. 决定抗原特异性的分子结构基础 1) 抗原表位的概念表位 (epitope)/ 抗原决定簇 (antigenic determinant): 抗原分子中决定抗原特异性的特殊的基本结构或化学基团, 是 TCR /BCR 及抗体特异性结合的基本单位一般 5~15 氨基酸残基 5~7 多糖残基或核苷酸残基构成一个表位 2) 表位的类型根据结构分为两类 1 线性表位 : 主要由连续性 线性排列短肽构成, 又叫连续性表位 2 构象性表位 : 由序列上不连续排列 空间上形成特定构象的短肽 多糖残基或核苷酸构成 构像表位和线性表位 由识别的淋巴细胞分类 1T 细胞表位 : 为 T 细胞表面 TCR 识别 结合的表位 2B 细胞表位 : 抗原中被 BCR 和抗体分子所识别 结合的表位 共同表位与交叉抗原 1) 共同表位 : 在两种不同的抗原之间可以存在有相同或相似的抗原表位共同抗原是交叉反应的物质基础含共同表位的不同抗原为交叉抗原或共同抗原 3

4 交叉反应 (cross-reaction) 共同表位 2) 交叉反应 : 抗体或致敏淋巴细胞对具有相同或相似表位的不同抗原发生反应 抗原的种类 1. 依据抗原诱生抗体时对 T 细胞的依赖性 1) 胸腺依赖抗原 (TD-Ag) 此类抗原分子量大, 结构复杂 如蛋白质 菌体及鞭毛等 这类抗原除可产生体液抗体外, 也可有细胞免疫应答 2) 胸腺非依赖抗原 (TI-Ag) 此类抗原结构简单, 是由相同单位排列成单链构成, 能直接刺激 B 细胞, 主要是多糖类抗原 2. 依据与机体的亲缘关系 1) 异种抗原 (xenogenic Ag): 来自不同种属的抗原称为异种抗原 如 : 微生物 治疗用的动物免疫血清等马血清抗毒素马血清抗毒素的两重性 : * 特异性抗体 中和毒素 * 异种抗原 可刺激机体产生抗马血清抗体 2) 同种异型抗原 (allogenic Ag): 毒素 类毒素 马血清 在同一种属不同个体之间所存在的抗原人类同种异型 : 红细胞血型抗原 超敏反应 抗体 血型 :ABO 系统 抗原 抗毒素 血型 A B O AB 抗原 A B - A,B 抗体抗 B 抗 A 抗 A, 抗 B - 4

5 3) 自身抗原 (autoantigen) 在正常情况下, 机体对自身组织细胞不会产生 药物 免疫应答, 即自身耐受 ; 但在感染 外伤 服用某些药物等影响下, 使隔离抗原释放, 或改变和修饰了自身组织的抗原结构, 而成为自身抗原 RBC RBC 自身免疫性溶血性贫血 自身抗体 6 7 C C 5b 8 C9 RBC 激活补体 红细胞膜 3. 根据抗原所引起的作用分类 完全抗原 (Complete antigen): 具有免疫原性和免疫反应性 如蛋白质 细菌 病毒 细菌外毒素 动物血清等, 它们都有决定簇和载体 不完全抗原 (Incomplete antigen) 或称半抗原 (Heptene), 只有免疫反应性而缺乏免疫原特性, 一旦与蛋白结合后, 就具有免疫原性 半抗原又可分为复合半抗原和简单半抗原 免疫球蛋白 (Immunoglobulin,Ig) 一 概述免疫球蛋白 (Ig) : 即抗体 (antibody,ab), 是血液和组织液中一类糖蛋白, 由 B 细胞接受抗原刺激后增殖 分化为浆细胞产生, 是体液免疫应答的重要效应分子 Ig 是化学结构上的概念, 而抗体是生物学功能的概念 所有的抗体都是 Ig, 但并非所有的 Ig 都有抗体活性 二 免疫球蛋白的结构 1. 基本结构 ( 以 IgG 为例 ) Ig 的基本结构是 Y 形四肽链, 两条相同的重链 (H 链 ), 两条相同的轻链 (L 链 ), 之间以二硫键相连 5

6 可变区 (V 区 ) N 端 超变区 L 链 二硫键 H 链 恒定区 (C 区 ) C 端 重链与轻链 可变区与恒定区 抗原抗体的反应 免疫球蛋白 抗原抗体反应 (antigen-antibodyreaction) 是指抗原与相应抗体之间所发生的特异性结合反应 可发生于体内 (invivo), 也可发生于体外 (invitro) 体内反应可介导吞噬 溶菌 杀菌 中和毒素等作用 ; 体外反应则根据抗原的物理性状 抗体的类型及参与反应的介质 ( 例如电解质 补体 固相载体等 ) 不同, 可出现凝集反应 沉淀反应 补体参与的反应及中和反应等各种不同的反应类型 因抗体主要存在于血清中, 在抗原或抗体的检测中多采用血清作试验, 所以体外抗原抗体反应亦称为血清反应 ( serologicreaction) 抗原抗体结合力有四种分子间引力参与并促进抗原抗体间的特异性结合 1. 电荷引力 ( 库伦引力或静电引力 ) 这是抗原抗体分子带有相反电荷的氨基和羧基基团之间相互吸引的力 例如, 一方在赖氨酸离解层带阳离子化的氨基残基 (-NH3+), 另一方在天门冬氨酸电离后带有阴离子化的羧基 (-COO-) 时, 即可产生静电引力, 两者相互吸引, 可促进结合 这种引力和两电荷间的距离的平方成反比 两个电荷越接近, 静电引力越强 反之, 这种引力便很微弱 2. 范德华引力 : 这是原子与原子 分子与分子互相接近时发生的一种吸引力, 实际上也是电荷引起的引力 由于抗原与抗体两个不同大分子外层轨道上电子之间相互作用, 使得两者电子云中的偶极摆而产生吸引力, 促使抗原抗体相互结合 这种引力的能量小于静电引力 3. 氢键结合力 氢键是由分子中的氢原子和电负性大的原子如氮 氧等相互吸引而形成的 当具有亲水基团 ( 例如 -OH,-NH2 及 -COOH ) 的抗体与相对应的抗原彼此接近时, 可形成氢键桥梁, 使抗原与抗体相互结合 氢键结合力较范登华引力强, 并更具有特 异性, 因为它需要有供氢体和受氢体才能实现氢键结合 4. 疏水作用 抗原抗体分子侧链上的非极性氨基酸 ( 如亮氨酸 缬氨酸和苯丙氨酸 ) 在水溶液中与水分子间不形成氢键 当抗原表位与抗体结合点靠近时, 相互间正 负极性消失, 由于静电引力形成的亲水层也立即失去, 排斥了两者之间的水分子, 从而促进抗原与抗体间的相互吸引而结合 这种疏水结合对于抗原抗体的结合是很重要的, 提供的作用力最大 6

7 抗原抗体反应的特点 ( 一 ) 特异性 抗原抗体的结合实质上是抗原表位与抗体超变区中抗原结合点之间的结合 由于两者在化学结构和空间构型上呈互补关系, 所以抗原与抗体的结合具有高度的特异性 这种特异性如同钥匙和锁的关系 例如白喉抗毒素只能与相应的外毒素结合, 而不能与破伤风外毒素结合 但较大分子的蛋白质常含有多种抗原表位 如果两种不同的抗原分子上有相同的抗原表位, 或抗原 抗体间构型部分相同, 皆可出现交叉反应 ( 二 ) 按比例 在抗原抗体特异性反应时, 生成结合物的量与反应物的浓度有关 无论在一定量的抗体中加入不同量的抗原或在一定量的抗原中加入不同量的抗体, 均可发现只有在两者分子比例合适时才出生现最强的反应 ( 三 ) 可逆性 抗原抗体反应遵循生物大分子热动力学反应原则, 其反应式为 :[Ab-Ag]/[Ab].[Ag]=k1/k2=k 式中各反应项的单位以 mol 表示,k1 表示反应速度常数,k2 为逆反应速度常数,K 是反应平衡时的速度常数 由上式可知,K 值是反映抗原抗体间结合能力的指示, 所以抗体亲和力通常以 K 值表示 影响抗原抗体反应的因素 抗原抗体复合物解离取决于两方面的因素 : 一是抗体对相应抗原的亲和力 二是环境因素对复合物的影响 ( 一 ) 电解质 抗原与抗体发生特异性结合后, 虽由亲水胶体变为疏水胶体, 若溶液中无电解质参加, 仍不出现可见反应 为了促使沉淀物或凝集物的形成, 常用 0.85% 氯化钠或各种缓冲液作为抗原及抗体的稀释液 由于氯化钠在水溶液中解离成 Na+ 和 C1-, 可分别中和胶体粒子上的电荷, 使胶体粒子的电势下降 当电势降至临界电势 (12~15mV) 以下时, 则能促使抗原抗体复合物从溶液中析出, 形成可见的沉淀物或凝集物 ( 二 ) 酸碱度 抗原抗体反应必须在合适的 ph 环境中进行 蛋白质具有两性电离性质, 因此每种蛋白质都有固定的等电点 抗原抗体反应一般在 ph 为 6~8 进行 PH 过高或过低都将影响抗原与抗体的理化性质, 例如 ph 达到或接近抗原的等电点时, 即使无相应抗体存在, 也会引起颗粒性抗原非特异性的凝集, 造成假阳性反应 ( 三 ) 温度 在一定范围内, 温度升高可加速分子运动, 抗原与抗体碰撞机会增多, 使反应加速 但若温度高于 56 时, 可导致已结合的抗原抗体再解离, 甚至变性或破坏 ; 在 40 时, 结合速度慢, 但结合牢固, 更易于观察 常用的抗原抗体反应温度为 37 每种试验都有其独特的最适反应温度, 例如冷凝集素在 4 左右与红细胞结合最好,20 以上反而解离 此外, 适当振荡也可促进抗原抗体分子的接触, 加速反应 7

8 抗原抗体反应的类型 根据抗原和抗体性质的不同和反应条件的差别, 抗原抗体反应表现为不同的形式 颗粒性抗原表现为凝集反应 ; 可溶性抗原表现为沉淀反应 ; 补体参与下细菌抗原表现为溶菌反应, 红细胞抗原表现为溶血反应 ; 毒素抗原表现为中和反应等 利用这些类型的抗原抗体反应建立了各种免疫学技术, 在医学检验中广泛用于抗原和抗体的检测 为了提高反应的敏感性和特异性, 便发展了一些新的试验类型, 如各种标记的抗原抗体反应等 免疫分析 免疫分析方法内容 : 免疫分析方法是利用抗原与抗体特异性反应这一特性对抗原和抗体进行量和质的测定分析 免疫分析方法特点 : 1. 特异 2. 灵敏 3. 快速 免疫分析方法应用领域 : 1. 医学 2. 食品 3. 生命科学研究 常见的免疫分析方法 1. 免疫凝集 (agglutination) 2. 免疫沉淀 (preciptation ) 环状沉淀实验 (ring preciptant test) 单向免疫扩散实验 (radial immuno diffusion) 双向免疫扩散实验 (double immuno diffusion) 免疫电泳 (immuno-electrophoresis) 火箭电泳 (rocket- electrophoresis) 3. 酶联免疫分析技术 (enzyme-linked immunosorbent assay, ELISA) 直接 ELISA 间接 ELISA 夹心 ELISA 4. 免疫印迹 5. 免疫亲和层析 1. 免疫凝集 (agglutination) 定义 : 细菌和红细胞等颗粒性抗原, 当与相应抗体 特异结合后, 在适量电解质存在的条件下, 可逐渐聚集, 出现肉眼可见的凝集现象称为凝集反应 反应中的抗原称为凝集原 (agglutinogen) 抗体称为凝集素 (agglutinin) 分为直接凝集反应 (direct agglutination) 间接凝集反应 (indirect agglutination) 直接凝集反应原理 细菌 螺旋体和红细胞等颗粒抗原, 在适当电解质参与下可直接与相应抗体结合出现凝集, 称为直接凝集反应 (direct agglutination) (1) 玻片凝集试验 玻片凝集试验为定性试验方法, 一般用已知抗体作为诊断血清 与受检颗粒抗原如菌液或红细胞悬液各加一滴在玻片上, 混匀, 数分钟后即可用肉眼观察凝集结果, 出现颗粒凝集的为阳性反应 此法简便 快速, 适用于从病人标本中分离得到的菌种的诊断或分型 玻片法还用于红细胞 ABO 血型的鉴定 常用的凝集试验有 : (1) 玻片法 (2) 试管法 8

9 (2) 试管凝集试验 试管凝集试验为半定量试验方法, 在微生物学检验中常用已知细菌作为抗原液与一系列稀释的受检血清混合, 保温后观察每管内抗原凝集程度, 通常以产生明显凝集现象的最高稀释度作为血清中抗体的效价, 亦称为滴度 在试验中, 由于电解质浓度和 ph 不适当等原因, 可引起抗原的非特异性凝集, 出现假阳性反应, 因此必须设不加抗体的稀释液作对照组 临床上常用的直接试管凝集试验为肥达试验 (Widal test) 和外斐试验 (Weil-Felix test) 在输血时也常用于受体和供体两者的红细胞和血清的交互配血试验 间接接凝集反应原理 将可溶性抗原 ( 或抗体 ) 先吸附于适当大小的颗粒性载体的表面, 然后与相应抗体 ( 或抗原 ) 作用, 在适宜的电解质存在的条件下, 出现特异性凝集现象, 称间接凝集反应 (indirect agglutination) 或被动凝集反应 (passive agglutination) 这种反应适用于各种抗体和可溶性抗原的检测, 其敏感度高于沉淀反应, 因此被广泛应用于临床检验 应 用 血凝试验 (hemagglutination test) 是红细胞凝集试验的简称 间接血凝试验是以红细胞作为载体的间接凝集试验, 在临床检验中应用广泛 胶乳凝集试验也是一种间接凝集试验, 所用的载体颗粒为聚苯乙烯胶乳, 是一种直径约为 0.8μm 大小的圆形颗粒, 带有负电荷, 可物理性吸附蛋白分子, 但这种结合牢固性差 2. 免疫沉淀 沉淀反应是指可溶性抗原 ( 细菌培养滤液 细胞或组织的浸出液 血清蛋白等 ) 与相应抗体在液相中特异结合后, 形成的免疫复合物受电解质影响出现的沉淀现象 反应中的抗原称为沉淀原 (precipitinogen), 可以是类脂 多糖或蛋白质等 ; 反应中的抗体称为沉淀素 (precipitin) 环状沉淀试验 (ring precipitation test) 免疫比浊法 (immunoturbidimetry) Ascoli 于 1902 年建立 用于检查兽类内脏 毛皮浸液等标本中的炭疽杆菌抗原 优点 : 校正曲线稳定, 简便快速, 易于自动化, 无放射性核素污染 缺点 : 特异性 灵敏度稍差 9

10 凝胶扩散实验 原理 : 利用可溶性抗原抗体在半固体琼脂内扩散, 若抗原抗体对应, 且二者比例合适, 在其扩散的某一部分就会出现白色的沉淀 ( 圈 ) 每对抗原抗体可形成一条沉淀线 有几对抗原抗体, 就可分别形成几条沉淀线 琼脂扩散可分为两种类型 : 单向扩散 (radial immuno diffusion) 是一种定量试验, 可用于抗原和抗体相对浓度的测定 双向扩散 (double immuno diffusion) 多用于定性试验, 由于方法简便易行, 常用于测定分析和鉴定复杂的抗原成分的特异性, 纯度和相互关系 单向免疫扩散实验 1 将适当浓度抗体混合到琼脂 ( 0.8%-1%), 凝固 ; 2 打成小孔, 加入抗原 ; 3 扩散以后形成沉淀环 ; 4 沉淀环面积与抗原浓度成正相关 5 比较面积 ; 可以确定被测抗原浓度 6 缺点 : 使用抗体多, 抗原浓度低于 5 10µg/mL 不适用 免疫电泳 (immuno-electrophoresis) 原理 : 在一定的 ph, 混合的蛋白质在电场中因迁移率不同而被分离开来, 使混合的抗原组分得以分离, 然后通过扩散与特异性抗体形成相应的沉淀线 特点 : 具有较高的灵敏度 常见的免疫电泳有 : (1) 血清免疫电泳 (2) 火箭电泳 血清免疫电泳 1 用于检测病人血清与正常人血清的差异 ; 2 将病人血清与正常人血清电泳分离 3 在槽内加入抗血清 4 进行双向扩散 5 分析血清蛋白的缺少和增加 火箭电泳 1 制备含有抗体的凝胶, 打孔 2 加入标准和待测抗原 免疫共沉淀 (Immunoprecipitation) 免疫共沉淀是以抗体和抗原之间的专一性作用为基础的用于研究蛋白质相互作用的经典方法 是确定两种蛋白质在完整细胞内生理性相互作用的有效方法 3 电泳 4 沉淀线高度与抗原浓度成正比 5 待测抗原的定量 10

11 结果分析 应用范围 1. 寻找新的相互作用蛋白 2. 验证目的蛋白和待测蛋白是否有相互作用 免疫共沉淀的局限性 Nat Immunol Apr;9(4): (1) 难以检测低亲和力和短暂的相互作用 (2) 不能够确切分辨第三种蛋白的桥联作用 (3) 灵敏度不如亲和色谱高 (4) 需对未知蛋白的相关信息有一定了解 染色质免疫共沉淀 (chromatin immunoprecipitation assay, CHIP) CHIP 是目前唯一研究体内 DNA 与蛋白质相互作用的方法 它的基本原理是在活细胞状态下固定蛋白质 -DNA 复合物, 并将其随机切断为一定长度范围内的染色质小片段, 然后通过免疫学方法沉淀此复合体, 特异性地富集目的蛋白结合的 DNA 片段, 通过对目的片断的纯化与检测, 从而获得蛋白质与 DNA 相互作用的信息 结果分析 应用范围 1. 研究蛋白与 DNA 的动态作用 2. 研究组蛋白的各种共价修饰与基因表达之间的关系 Science 297, 1833 (2002) 11

12 免疫印迹 (Immunoblotting) 蛋白质印迹 (Western blotting) 根据抗原抗体特异性结合, 检测样品中某种蛋白的方法 原理 : 将混合抗原样品在凝胶板上进行单向或双向电泳分离, 然后取固定化基质膜与凝胶相贴 在印迹纸的自然吸附力 电场力或其它外力作用下, 使凝胶中的单一抗原组份转移到印迹纸上, 并且固定化 最后应用免疫覆盖液技术如免疫同位素探针或免疫酶探针等, 对抗原固定化基质膜进行检测和分析 Western Blot 基本原理 对蛋白质样品进行分离生物学活性不变 多肽类型 转移到固相载体 保持 吸附蛋白质 转移后的 NC 膜就称为一个印迹 (blot) 抗原抗体复合物 加入一抗封闭剩余疏水结合点 蛋白溶液 清洗 未结合的一抗 靶蛋白质与一抗结合 处理过的印迹 标记的二抗 抗体复合物 待研究的蛋白质的位置 指示一抗的位置 直接法 间接法 二抗与底物反应显色 辣根过氧化物酶法 (HRP) 碱性磷酸酶法 (AP) 化学发光显色法 (HRP) Western Blot 应用 目的蛋白的表达特性分析 目的蛋白与其它蛋白的互作 目的蛋白的组织定位 目的蛋白的表达量分析 12

13 Western Blot 结果分析 目的蛋白的灰度值除以内参的灰度值以校正误差, 所得结果代表某样品的目的蛋白相对含量 标记免疫分析技术 标记免疫技术 = 免疫技术 + 标记技术 Western Blot 结果分析软件 Gel-Pro Analyzer 4 绿色版 ( 附动画演示教程 ) 抗原抗体反应 特异性 示踪物标记 灵敏性 标记免疫技术的主要特点 : 高特异性 高灵敏性 一 放射免疫分析 ( radioimmunoassay,ria) 标记免疫技术 免疫组化技术 免疫测定技术 示踪物及标记技术 放射免疫技术荧光免疫技术酶免疫技术化学发光技术金免疫技术 1. 历史 : 1950, 美国免疫学家.Pressman Eisen, 放射性 I 标记抗原, 研究抗原 - 抗体反应 , Solomon Berson, Rosalyn Yalow 美国, 放射性 I 标记蛋白, 作为代谢示踪, 发现非标记抗原抑制标记抗原与抗体结合 创建放射免疫分析法 (Radioimmunoassay)RIA 测定胰岛素. 后又发展标记抗体 RIA, 又称之为免疫放射分析 (Immunoradiometric assay)irma 1977.Yalow 获诺贝尔生理医学奖 放射免疫技术 - 原理及分类 放射免疫分析 (radioimmunoassay,ria) 以标记抗原与反应系统中未标记抗原竞争结合特异性抗体来测定待检样品中抗原量 免疫放射分析 (immunoradiometric assay,irma) 以过量标记抗体与抗原非竞争结合, 采用固相免疫吸附载体分离游离和结合标记抗体 其他 : 放射受体分析 (radioreceptor assay,rra) 放射配体结合分析 (radioligand binding assay,rba) J. Clin. Invest. 35 (1956):

14 放射免疫技术 - 常用的放射性核素 放射免疫分析 - 基本原理 常用标记核素 125 I 3 H 射线 γ β 理化性 活泼 差 核素丰度 >90% - 半衰期 60.2d 12.3y 标记方法 简单 复杂 标记设备 低廉 昂贵 测量条件 简单 复杂 竞争性结合反应的经典标记抗原 (Ag*) 和非标记抗原 (Ag) 与限量抗体 (Ab) 竞争性结合 Ag* 和 Ag 具有等同的与 Ab 结合能力 Ab 限量,Ag* 定量, Ag* 和 Ag 的量大于 Ab 结合位点, 二者通过竞争方式与 Ab 结合 ; 随着 Ag 增加, Ag* 与 Ab 结合形成 Ag*Ab 复合物的放射量降低, 二者变化成函数关系 以未结合的 Ag* 为 F,Ag*Ab 复合物为 B, 则 B/F 或 B/(B+F) 与 Ag 的量变存在着函数关系 - 剂量反应曲线 注 :T 即是 B 与 F 的总和 放射免疫分析 - 实验方法及测定 抗原抗体反应 均相免疫分析 结合产物 B(Ag*Ab 或 AgAb*) 游离标记抗原或抗体 F(Ag* 或 Ab* Ag* Ag Ab 反应条件体积温度时间 ph 平衡非平衡 一步法二步法 不需分离 B.F 可直接测定 B, F 变化. 必要条件 : 结合前后必须标记物检测性能有变化 ( 标准 Ag/ 样品 Ag) 14

15 非均相免疫分析 : 需分离 B 与 F 测量 数据处理 二抗体沉淀法 PEG 沉淀法 PR 试剂法活性炭吸附法 分离彻底, 迅速 分离试剂和过程不影响反应平衡 效果不受反应介质影响 操作应简单 重复性好 经济 晶体闪烁计数器包括了 NaI 闪烁晶体 光电倍增管以及计数器 测量的放射性信号是仪器输出的电脉冲数 : 每分钟计数 (cpm) 参数 cpm 计算 B/T (%) 拟合 F/T (%) B/F (%) B/B 0 (%) 注 :T 即是 B 与 F 的总和 实例 :RIA 测定胰岛素 免疫放射分析 - 基本原理 第一步 : 製備血漿 ( 其 insulin 之濃度待測 ) 或已知濃度之 insulin 溶液 ( 作為對照之用 ) 第二步 : 加入抗體 (anti-insulin), 同時也加入已知量的標示 insulin, 混合均勻 第三步 : 靜置在 4,4 天 第四步 : 加入滑石粉 (talcum powder) 或活性炭以吸著自由態之 insulin ( 包括標示的 insulin) 第五步 : 遠心沉澱後, 自由態之 insulin 隨著滑石粉或活性炭沉到管底, insulin 與抗體之複合物 (complex) 則懸浮在上層液 第六步 : 取出上層液, 測量其放射性活性, 算出 insulin 之量 以过量 125 I 标记抗体与待测抗原进行非竞争性免疫结合反应, 用固相免疫吸附剂对 B 或 F 进行分离, 其灵敏度和可测范围均优于 RIA 操作也较 RIA 简单 单位点 IRMA 双位点 IRMA 先用过量标记抗体与待测抗原进行反应, 形成抗原抗体复合物 ; 用固相抗原结合未结合标记抗体并将其分离, 测定上清液的放射量 先用固相抗体与抗原结合, 再用过量的标记抗体与抗原的另一决定簇结合, 形成固相抗体 - 抗原 - 标记抗体复合物, 洗弃剩余标记抗体, 测固相上放射性 15

16 IRMA 与 RIA 比较 RIA IRMA 标记物 抗原 抗体 放射免疫分析技术的应用 原理 竞争性结合 非竞争结合 反应体系 Ag* Ag Ab 固相 Ab Ab* Ag 反应动力学 慢 快 灵敏度 相对低 高 检测范围 窄 宽 1~2 数量级 特异性 差 (PcAb) 优 (McAb) 放射免疫分析技术的灵敏度高 特异性强 精密度好, 常用于各种激素 微量蛋白质 肿瘤标志物和药物等微量物质的测定 但由于放射污染和危害, 常用核素半衰期短, 试剂盒稳定期不长等诸多不足, RIA 将逐渐被取代 标准曲线 结合率与测值成反比结合率与测值成正比 待测抗原大小分子二抗原决定簇 二 酶免疫分析法 (enzyme immunoassay EIA) 酶标半抗原抗体 分类 均相酶免疫测定 (EMIT), 非均相酶免疫测定 (ELISA) 均相酶免疫测定 酶扩大免疫测定技术 (enzyme-multiplied immunoassay technique EMIT) ( 小抗原 ) E + > = E > x + > = x > 待测半抗原 ( 小抗原 ) 因抗原较小, 酶与抗体接触紧密, 抑制酶活性, 无需相分离, 测定酶活性检测 特点 : 竞争性 均相, 结合前后酶受抑制 主要测抗原的方法, 抗原要小, 小抗原或半抗原 酶联免疫吸附实验 (enzyme-linked immunosorbent assay,elisa) 原理 : 先将抗体或抗原包被到某种固相载体表面, 并保持其免疫活性 测定时, 将待检样本和酶标抗原或抗体按不同步骤与固相载体表面吸附的抗体或抗原发生反应, 用洗涤的方法分离抗原抗体复合物和游离的未结合成分, 最后加入酶反应底物显色, 根据底物被酶催化产生的颜色及其吸光度 (A) 值的大小进行定性或定量分析的方法 16

17 基本过程 ELISA 的试剂 ELISA 中有三个必要的试剂 : 免疫吸附剂 结合物和酶的底物 (1) 已包被抗原或抗体的固相载体 ( 免疫吸附剂 ); (2) 酶标记的抗原或抗体 ( 结合物 ); (3) 酶的底物 ; (4) 阴性对照品和阳性对照品, 参考标准品 ; (5) 结合物及标本的稀释液 ; (6) 洗涤液 ; (7) 酶反应终止液 ELISA 的分类 : 直接法 (direct ELISA) 间接法 (indirect ELISA) 夹心法 (sandwich ELISA) 竞争法 (competitive-elisa) 间接 ELISA 此法是测定抗体最常用的方法 将已知抗原吸附于固相载体, 加入待检标本 ( 含相应抗体 ) 与之结合 洗涤后, 加入酶标抗球蛋白抗体 ( 酶标抗体 ) 和底物进行测定 1 包被固相载体 : 用已知抗原包被固相载体 ; 2 加待检标本 : 经过温育 (37 2h), 使相应抗体与固相抗原结合 洗涤, 除去无关的物质 ; 3 加酶标抗抗体 : 再次温育 (37 2h) 与固相载体上抗原抗体复合物结合 ; 洗涤, 除去未结合的酶标抗抗体 ; 4 加底物显色 : 终止反应后, 目测定性或用酶标仪测光密度值定量测定 17

18 双抗体夹心法 此法常用于测定抗原. 将已知抗体吸附于固相载体, 加入待检标本 ( 含相应抗原 ) 与之结合 温育后洗涤, 加入酶标抗体和底物进行测定 操作步骤 1 用已知特异性抗体包被固相载体 ; 2 加待检标本, 经过温育使相应抗原与固相抗体结合 ; 洗涤, 除去无关的物质 ; 3 加酶标特异性抗体, 与已结合在固相抗体上的抗原反应 ; 洗涤, 除去未结合的酶标抗体 ; 4 加底物显色, 终止反应后, 目测定性或用酶标仪测量光密度值进行定量测定 三 发光免疫分析法 ( luminescence immunoassay LIA) 光照发光 发光 : 是指分子或原子中的电子吸收能量后, 由基态 ( 较低能级 ) 跃迁到激发态 ( 较高能级 ), 然后再返回到基态, 并释放光子的过程 光照发光 (photoluminescence): 发光剂经短波长入射光照射后进入激发态, 当回复至基态时发出较长波长的可见光 根据形成激发态分子的能量来源不同可分为 : 光照发光 生物发光 化学发光等 生物发光 生物发光 (bioluminescence) : 是反应底物在荧光素酶的催化下利用 ATP 产能, 生成激发态的氧化荧光素, 后者在恢复到基态时多余的能量以光子形式放出 典型例子为萤火虫发光 化学发光 化学发光 (chemiluminescence): 在常温下由化学反应产生的光的发射 化学发光是一个多步骤的过程, 其机制为某些化合物 ( 发光剂或发光底物 ) 可以利用一个化学反应产生的能量使其产物分子或反应中间态分子上升至电子激态 当此产物分子或中间态分子衰退至基态时, 以发射光子的形式释放能量 ( 即发光 ) 18

19 ( 一 ) 直接化学发光剂 1. 吖啶酯 在发光免疫分析过程中不需酶的催化作用, 直接参与发光反应, 它们在化学结构上有产生发光的特有基团, 可直接标记抗原或抗体 在碱性条件下被 H 2 O 2 氧化时, 发出波长为 470nm 的光, 具有很高的发光效率, 其激发态产物 N- 甲基吖啶酮是该发光反应体系的发光体 2. 三联吡啶钌 三联吡啶钌 [RU(bpy)3]2+ 是电化学发光剂, 它和电子供体三丙胺 (TPA) 在阳电极表面可同时失去一个电子而发生氧化反应 ( 二 ) 酶促反应发光剂利用标记酶的催化作用, 使发光剂 ( 底物 ) 发光 1. 鲁米诺及其衍生物 Luminol 标记物 + H 2 O 2 + NaClO 混合后数秒测强度 三联吡啶钌 [Ru(bpy) 3 +2 ] + N 羟基琥珀酰胺酯 (NHS) + 三丙胺 TPA 620 nm 2. AMPPD 3-(2 - 螺旋金刚烷 )-4- 甲氧基 -4-(3 - 磷酰氧基 ) 苯 -1,2- 二氧杂环丁烷 化学发光剂标记技术 1. 碳二亚胺 (EDC) 缩合法 19

20 2. 过碘酸钠氧化法 3. 重氮盐偶联法 只适用于含糖量较高的酶 过碘酸钠将多糖氧化为醛基, 醛基与抗体分子上的氨基形成 Schiff 碱而结合 后者可进一步用 NaBH4( 或乙醇胺 ) 还原生成稳定的酶标记抗体 在酸性条件下, 可在实验室内临时制成一种重氮盐 ( 重氮化反应 ), 这种重氮盐在与一种芳香胺或苯酚化合时, 生成偶氮化合物, 称为偶联反应 4. N- 羟基琥珀酰亚胺 (NHS) 活化法 化学发光免疫分析系统 类型 : 第一种以发光剂作为抗体或抗原的标记物, 直接通过发光反应检测标本中抗原或抗体的含量 第二种是以发光剂作为酶免疫测定的底物, 通过发光反应增强测定的敏感性 夹心法为例 直接化学发光免疫分析 化学发光酶免疫分析 化学发光酶免疫分析 (chemiluminescence enzyme immunoassay,cleia) 是用参与催化某一化学发光反应的酶如辣根过氧化物酶 (HRP) 或碱性磷酸酶 (ALP) 来标记抗原或抗体, 在与待测标本中相应的抗原 ( 抗体 ) 发生免疫反应后, 形成固相包被抗体 - 待测抗原 - 酶标记抗体复合物, 经洗涤后, 加入底物 ( 发光剂 ), 酶催化和分解底物发光 20

21 1 HRP 标记的 CLEIA 该分析系统采用辣根过氧化物酶 (HRP) 标记抗体 ( 或抗原 ), 在与反应体系中的待测标本和固相载体发生免疫反应后, 形成固相包被抗体 - 待测抗原 - 酶 (HRP) 标记抗体复合物, 这时加入鲁米诺发光剂 H 2 O 2 和化学发光增强剂使产生化学发光 增强剂 四苯硼钠对碘苯酚 2- 碘苯酚 2 ALP 标记的 CLEIA 该分析系统以碱性磷酸酶标记抗体 ( 或抗原 ), 在与反应体系中的待测标本和固相载体发生免疫反应后, 形成固相包被抗体 - 待测抗原 - 酶标记抗体复合物, 这时加入 AMPPD 发光剂, 碱性磷酸酶使 AMPPD 脱去磷酸根基团而发光 3 电化学发光免疫分析电化学发光原理 : 电化学发光免疫分析 (electrochemiluminescence immunoassay,eclia) 是以电化学发光剂三联吡啶钌标记抗体 ( 抗原 ), 以三丙胺 (TPA) 为电子供体, 在电场中因电子转移而发生特异性化学发光反应, 它包括电化学和化学发光两个过程 21

22 磁性微粒子固相载体 链霉亲和素与生物素 链霉亲和素 (streptoavidin,sa) 和生物素 (biotin,b) 是具有很强的非共价相互作用的一对化合物 带有磁性的聚苯乙烯微粒 直径最小 2.8μm 表面积大而均一, 吸附率高 在液体中呈均匀悬浮状态 参与反应类似液相, 速度快 游离和结合标记物分离, 只需磁铁吸引, 方便迅速, 提高反应灵敏度 一分子 SA 可与 4 分子 B 相结合 在 Elecsys 的试剂中,SA 通过特殊的蛋白结合物均匀牢固地包被在磁性微粒上, 形成通用的能与 B 结合的固相载体 另一试剂为与经活化的 B 衍生物化合的抗原或抗体 两种试剂混合时,B 化合的抗原或抗体即结合在磁性微粒上 链霉亲和素 - 生物素包被技术 电化学发光免疫测定示意图 电化学发光免疫分析的应用与发展 应用实例 - 禽流感病毒检测 - 国家标准 1. 免疫标记技术日益融合 (1) 蛋白质 激素和肿瘤检测 (2) 病毒 毒物检测 (3) 其它方面应用 2. 与生物化学固定化技术日益融合 3. 与微细加工技术日益融合 NASBA+ECL 22

23 四 荧光免疫分析法 ( fluoroimmunoassay FIA) 荧光免疫技术是在免疫学 生物化学和显微镜技术的基础上建立起来的一项技术 免疫荧光技术包括荧光抗体技术和荧光抗原技术, 因为荧光色素不但能与抗体球蛋白结合, 用于检测或定位各种抗原, 也可以与其他蛋白质结合, 用于检测或定位抗体, 但是在实际工作中荧光抗原技术很少应用, 所以人们习惯称为荧光抗体技术, 或称为免疫荧光技术 基本原理 免疫荧光技术是将抗原抗体反应的特异性和敏感性与显微示踪的精确性相结合 以荧光素作为标记物, 与已知的抗体 ( 或抗原 ) 结合 但不影响其免疫学特性 然后将荧光素标记的抗体作为标准试剂, 用于检测和鉴定未知的抗原 在荧光显微镜下, 可以直接观察呈现特异荧光的抗原抗体复合物及其存在部位 在实际工作中, 由于用荧光素标记抗体检查抗原的方法较为常用, 所以一般通称为荧光抗体技术 荧光色素的标记 适于标记蛋白的荧光色素主要有 : 异硫氰酸荧光素 (fluorescein isothiocyanate, FITC) 四乙基罗丹明 (rho-damine B200,RB200) 四甲基异硫氰酸罗丹明 (tetramethyl rhodamine isotheynate,tmritc) 藻红蛋白 (R-RE) FITC 标记 FITC 为黄色结晶形粉末, 分子量为 389.4, 易溶于水和酒精等溶剂中, 溶解后呈黄绿色荧光, 最大吸收光谱为 nm,FITC 的溶液不稳定, 易因水解或迭聚而变质, 故需在配好后 2h 内应用 FITC 含有异硫氰基, 在碱性条件下能与 IgG 的自由氨基 ( 主要是赖氨酸的 ε- 氨基 ) 结合, 形成荧光抗体结合物 一个分子的 IgG 有 86 个赖氨酸残基, 但一般最多只能标记 个 实际上目前应用最多的只有异硫氰酸荧光素一种 其它荧光标记物质 1) 镧系螯合物铕 铽 钐 铈等 2) 酶作用后产生荧光的物质 ( 荧光底物 ) 4 甲基伞酮 -β-d 半乳糖苷 异硫氰酸荧光素 (FITC) 荧光免疫分析常用仪器设备 荧光显微镜荧光分光光度计流式细胞仪 23

24 荧光抗体的标记 ( 制备 ) 略公司承担 FIA 原理 荧光抗体的保存 以 0~4 或 -20 低温保存, 防止抗体活性降低和蛋白变性 最好加入浓度为 1:5000~10000 的硫柳汞或者 1:1000~5000 的叠氮钠防腐, 小量分装如 0.1~1ml, 真空干燥后更易长期保存 时间分辨免疫荧光技术 (time resolved fluorescence immunoassay,trfia ) 用三价稀土离子及其螯合物作为示踪物, 代替荧光物质 同位素 酶和化学发光物质, 标记抗原 抗体 激素 核酸探针等物质 ; 当免疫反应发生后, 根据稀土离子螯合物的荧光光谱的特点 ( 特异性强 荧光光谱的 Stokes 位移 寿命长 ), 用时间分辨荧光分析仪, 测定免疫反应最后产物的荧光强度 根据荧光强度和相对荧光强度比值, 判断反应体系中分析物的浓度, 达到定量分析的目的 具有独特荧光特性的稀土金属 --- 镧系元素 镧系元素共有 15 种, 应用在时间分辨荧光免疫技术中有四种 : 铕 (Eu) 钐(Sm) 镝(Dy) 锝(Te) 镧系元素荧光特点 : 荧光寿命极长 镧系元素螯合物 (60~900 us) < 铕 :714us> 普通荧光免疫中荧光团 :1~100us 样本中蛋白质荧光 :1~10us, 易猝灭 Stokes 位移大 ( 大约 290nm) 铕 : 发射光 613nm 激发光 340nm, 荧光素的 Stokes 位移为 28nm 荧光特异性强 ( 发射光谱带很窄 :615± 5nm) 时间分辨荧光免疫原理图 利用镧系元素荧光物理特性, 荧光激发后在固定时间段检测特异性荧光而在此时间之前, 非特异性荧光已完全衰减为 0 24

25 利用镧系元素光谱特点, 将发射荧光与激发荧光分辨开来 时间分辨荧光免疫 --- 突出优点 发射光谱与激发光谱间存在的巨大 Stokes 位移 可以通过干涉滤光片将发射光谱与激发光谱完全 零本底 灵敏度高 线性范围宽 试剂有效期长 标准曲线稳定性好 易于自动化 分离 金标记免疫分析技术 免疫胶体金技术是以胶体金作为示踪标志物应用于抗原抗体的一种新型的免疫标记技术 胶体金是由氯金酸 (HAuCl4) 在还原剂如白磷 抗坏血酸 枸橼酸钠 ( 柠檬酸三钠 ) 鞣酸等作用下, 聚合成为特定大小的金颗粒, 并由于静电作用成为 不同粒径胶体金的制备和特性 1% 柠檬酸 胶体金特性 胶体金粒径 (nm) 三钠加入量 (ml)* 呈色 λmax 紫色 518nm 红色 522nm 橙红 525nm 橙色 535nm 一种稳定的胶体状态, 称为胶体金 (colloidal gold) 人民卫生出版社 金免疫层析原理 将已知的特异性抗原或抗体固定于硝酸纤维素膜上某一区带作为检测带, 在样品区滴加样品后, 借助毛细作用, 样品泳动至玻璃纤维膜, 金标复合物溶解, 并与样品进行抗原抗体反应, 形成复合物 继续泳动至检测区, 带有金标记的复合物被检测区抗原或抗体捕获, 呈现红色条带 如样品中没有待测抗原或抗体, 则不发生结合, 即不显色 在硝酸纤维素膜检测区附近一般再固定上针对金标结合物相应的抗原或抗体作为质控带, 作为阳性对照 整个过程一般在 15 分钟内完成, 操作简单 快速, 且不需任何仪器 试验方法 25

26 试纸条组成结构 免疫层析法检测原理介绍 ( 双抗体夹心 ) 控制线 (C 线 ) ( 以 HCG 检测为例 ) 胶体金垫 吸水滤纸 样品垫 PVC 底板 层析方向 测试线 (T 线 ) NC 膜 ( 硝酸纤维素膜 ) 有 4 个组分 :⑴ 吸水纸 ( 样品垫 ) ⑵ 玻璃纤维膜 ( 胶体金垫 ) 膜上吸附着干燥的金标抗体 ( 流动带 ) ⑶ 硝酸纤维素膜, 膜上包被着抗原或抗体条带和能与标记物直接起反应的质控物条带 ( 检测带 ) ⑷ 吸水纸 以上各组份首尾互相衔接 HCG-β 亚基抗体 Y2, 羊抗鼠二抗固定于硝酸纤维素膜上, 金标 HCG-α 亚基单抗 Y1 固定于玻璃纤维素膜上 放射免疫 ( 精度 :10-12 mol/l ) 酶联免疫 ( 精度 :10-9 mol/l ) 胶体金标记 ( 金标 :10-15 mol/l ) 化学发光 ( 精度 :10-15 mol/l ) 电化学发光 ( 精度 :10-17 mol/l ) 时间分辨荧光 ( 精度 :10-18 mol/l ) 放射性免疫分析法 (RIA) 应用 放免自 60 年代问世以来对临床诊断起了革命性的贡献, 是一项较为成熟的诊断技术 夹心法 竞争法的标记原理为以后的检测技术的发展奠定了基础 缺点 放射性 ( 125 I), 对环境的污染及对身体的危害, 该方法已经为重视环保的国家逐步取消 ( 如整个欧洲仅尚存几个放免试验室 ) 125 I 的半衰期短而导致其试剂有效期短 标记物 125 I 的稳定性差, 导致试剂盒批间 批内的变异较大 ; 标准曲线有效期短, 必须每次定标, 造成浪费 操作繁琐, 出报告时间长 无法保存备用 酶免疫分析法 (ELISA ) 应用 酶免的最大优势在于避免了对环境和人体危害 试剂有效期较长 衍生技术 : 荧光酶免疫分析 增强化学发光酶免疫技术 曾经一度被认为是取代放免的检测手段 缺点 灵敏度 重复性不及放免, 易造成漏检和假阳性 因酶的纯度和反应过程容易受环境因素影响, 导致稳定性不好 化学发光免疫分析法 (CLIA) 应用 单个样本检测速度快, 适合做急诊 灵敏度较高 自动化程度高 分类 : 以丫啶酯直接标记 ACS180 系统 以 HRP 标记, 鲁米诺为发光底物 Amerlite 系统 以 AP 为标记物,AMPPD 为发光底物 Immulite 系统 缺点 发光过程短, 样品不能重复检测 本底较高, 易受环境物质干扰 仪器故障率较高 试剂稳定性较差, 需多次定标 检测精度不高, 在超微量分析及早期诊断方面能力不足 非开放性试剂 ; 试剂价格高 26

27 电化学发光免疫分析法 (ECL) 应用 缺点 80 年代末期问世的新型化学发光免疫分析方法 基本原理 : 根据三联吡啶钌 [Ru(bpy)3] 和三丙胺在电场触发下产生发光的化学发光反应 本底较小 灵敏度较高 线性范围较宽 非开放性试剂系统 不能做科研 试剂价格过高 27

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