兴奋剂重组人促红细胞生成素及其类似物检测方法的研究进展文库

1、7月 色谱 Vol. 26 No. 4 July 2008Chinese Journal of Chromatography 413416 兴奋剂重组人促红细胞生成素及其类似物检测方法的研究进展 杨霞 ,庞楠楠 ,廖一平 ,刘虎威 (北京分子科学国家实验室北京大学化学与分子工程学院 ,北京 100871 摘要 :重组人促红细胞生成素 ( rhEPO 是一种激素类兴奋剂 ,近年来被滥用在一些耐力性比赛项目中。由于重组 与内源性 EPO的氨基酸序列相同 ,区别很小 ,并且在尿样或血样中的浓度低 ,代谢快 ,给检测带来了很大的难度。 本文从直接方法和间接方法两个方面综述了近几年来兴奋剂 rhEPO及

2、其类似物检测的研究进展 ,并结合本小组 的工作展望了 rhEPO检测的发展方向。 关键词 :重组人促红细胞生成素 ;兴奋剂 ;检测 ;直接方法 ;间接方法 ;综述 中图分类号 : O 658文献标识码 :A文章编号 : 100028713 (2008 0420413204栏目类别 :兴奋剂检测方法专栏 Recent advances in the detection of in doping control LIU Huwei recombinant human erythropoiesis and its analogs is one of horm one dop ings. In the

3、 re2 cent years, in endurance competition sports. It is extremely diffi2 cult to discriminate between the naturalendogenous erythropoietin (EPO and recombinantex2 ogenous hormone because they have identicalamino acid sequences, and EPO has a relatively short half2lifeandverylow concentration inblood

4、orurine. In thispaper, the researchprogress on the analysis and detection of rhEPO and its analogs by direct and indirectmethods are re2 viewed. Future direction and prospects of the detection of rhEPO in doping control are dis2 cussed based on the research of our group. Keywords: recombinanthuman e

5、rythropoietin (rhEPO ; doping; detection; directmethods; indirect m ethods; review YANG Xia, (BeijingNationalLaboratoryforMolecularSciences, PANGNannan, LIAOYiping, PekingUniversity, Beijing 100871, Recombinanthuman erythropoietin (rhEPO ithas been alwaysmisused College ofChemistry andMolecular Engi

6、neering, China A bs t ract: 兴奋剂问题一直是国际体坛面临的严峻挑战之用直接或间接方法检测 rhEPO及其类似物的研究 一 ,随着 2008年北京奥运会的日益临近 ,反兴奋剂进展 ,并结合本小组的工作展望了兴奋剂检测的发 工作作为奥运会工作的一个重要方面也受到社会的展方向。 极大关注。使用兴奋剂不仅严重损害运动员的身心 健康 ,干扰运动员的科学训练和刻苦训练 ,而且违背 1rh E PO及其类似物的简单介绍 公平竞争原则和国际公认的体育道德 ,是一种欺骗促红细胞生成素 ( EPO 是一种糖蛋白 ,绝大部 行为 ,严重影响体育事业的健康、可持续发展。对于分由肾脏产生 ,

7、其最主要的功能是促进红细胞的生 现代奥运会来说 ,激素类的检测 ,如兴奋剂重组人生成 ,提高机体血红蛋白的浓度 ,临床上主要用于治疗 长因子 ( rhGH 、重组人促红细胞生成素 ( rhEPO 、肾性贫血和一些并发性贫血 1。 1988年出现了与 绒毛膜促性腺激素 (HCG 等是分析化学的难点。天然 EPO活性几乎相同的重组人 EPO产品 ,它能 其原因在于 ,在检测过程中难以将基因重组的激素够改善机体携氧能力 ,明显提高人体的红细胞数量 与内源性激素区分开来 ,而且这些激素在血液和尿及血红蛋白含量 ,从而提高人体运输氧的能力 ,提高 液中的半衰期短、浓度低。本文综述了近几年来采人体最大摄氧

8、量 ,增强人体耐力 ,对肌体的有氧工作 收稿日期 : 2008201205 第一作者 :杨霞 ,博士研究生 .E 2mail: xyangpku. edu. cn. 通讯联系人 :刘虎威 ,教授 ,博士生导师 . Tel: (010 62754976, E 2m ail: hw liupku. edu. cn. 基金项目 :国家自然科学基金资助项目 (No. 20635001. ·414· 色谱第 26卷 能力有明显的促进作用,可减少肌体的运动性疲劳, 故而有人在比赛或赛马中滥用,以提高运动成绩。 因此,从1990年起,国际奥委会( In te rna tiona l O

9、lym p ic C om m ittee, IO C 正式将EPO列为禁用 药物 2 。 重组人促红细胞生成素是一种高度糖基化的糖 蛋白,其分子骨架为165个氨基酸组成的肽链,具有 3个N连接的糖基化位点和1个O连接的糖基化 位点。天然EPO的相对分子质量约为34 000,其中 糖基部分的质量约占40% 3, 4 。影响rhE PO生物学 活性的部分主要是糖基上的唾液酸。唾液酸存在于 糖链的末端,它是rhEPO的活性成分,唾液酸含量 多少对其体内生物学活性高低起决定性的作用。 2001年,市场上又出现了一种新近开发的红细胞生 成刺激蛋白( e ry th rop o ies is s tim

10、 u la ting p ro te in, N ES P ,也称D a rbep o ie tin 2(D PO 5 ,它是在促 红细胞生成素分子的基础上进一步改造形成的。与 rhE PO不同的是, D PO有5个糖基化位点,而不是 3个; D PO的糖基化位点增加,相应的其唾液酸含量 也随之明显增加,与内源性和基因重组的EPO相 比, D PO的唾液酸含量更高,这就赋予了它更长的 半衰期和生物活性。此外,随着商品的更新换代, E PO的小分子仿照品,如E PO 2ze ta 6 和基因型兴 奋剂,也会渐渐面世,这将给反兴奋剂工作者带来巨 大的挑战。 2rh E PO及其类似物的检测 2.

11、1直接方法 2000年,法国科学家L a sne和d e C ea u rriz 7 首 次报道了人尿中内源E PO ( uE PO 和rh EPO的检 测方法。之后, L asne等 8 完整详细地描述了该方 法。该方法基于重组和内源E PO电荷上的 微小差 别,利用等电聚焦法( IE F 、二次印迹、化学免疫发 光检测等技术来改进不同糖蛋白的分离效率和提高 检测的灵敏度。具体来说该方法包括以下4个步 骤:首先,将20 m L的尿样过滤(采用截留相对分子 质量为30 000的超滤膜过滤以去除尿液中的盐和 其他杂蛋白 ,并浓缩至2 m L (使尿样中的E PO的 浓度达到1 500 IU /L

12、 ;将浓缩后的尿液进行等电聚 焦(由于rhE PO和uEPO之间存在等电点的差别, 故可以通过IE F将其区分开来 ;之后,将凝胶上的 条带转移到聚偏二氟乙烯( PVD F 膜上进行二次印 迹(D oub le 2b lo tting (二次印迹可以有效地阻止第 二抗体的非特异性结合,从而避免假阳性结果的出 现 ;最后,在发光氨和过氧化氢的作用下进行化学 发光检测。该方法可以检测出当事人在3 d内是否 注射过rhE PO。 然而,该方法过程复杂,步骤繁多,容易出现误 差,存在着很大的缺陷。近几年来,许多反兴奋剂工 作者为了寻求更加简单、更加准确的检测方法进行 着不断的探索。 毛细管电泳( C

13、E 方法是最初研究最多的。d e F ru tos等 9 和S anz2N eb o t等 10 利用涂层毛细管区 带电泳法在缓冲溶液中加入腐胺( 1, 42二氨基丁 烷、尿素、两性离子来抑制E PO在管壁上的吸附, 实现其微多相性的分析。腐胺动态涂层毛细管柱虽 然可实现EPO几种糖化体的基线分离,但平衡时间 长,检测时间长(约90 m in ,重现性差,缓冲溶液不 稳定,并且因为所用缓冲溶液体系中含有过多的不 挥发物质而无法采用质谱(M S 联用技术。Yu 等 11 合成了6, 62ionene聚合物,并对毛细管进行 永久涂层以分析E PO糖化体,结果证明该方法具有 检测时间短(约16 m

14、in 、重现性好的特点。该方法 由于使用了易挥发的缓冲溶液,使得作者可采用 C E 2M S法对rhE PO和uE PO的混合物进行在线分 离检测。与其他文献报道的方法相比,该方法具有 检测时间短、分辨率高等特点,但方法的灵敏度和重 现性还需要进一步提高。B a lague r等 12 采用新型 的聚丙烯酰胺为基础的低常态(LN 毛细管涂层材 料,并对毛细管电泳2电喷雾飞行时间质谱( C E 2ES I2 TO F M S 方法进行进一步的优化和改进,从而检测 到了更多次要的低含量的rhEPO糖型。rhE PO经 PN G ase F酶解后释放出自由的N 2多糖,由于TO F M S可以提供高

15、的质量分辨率,故N 2多糖可以清楚 地被辨认出是否经过了乙酰化、氧化、磺化,甚至是 氨基对羟基的取代。该方法可更直接、完整地分析 糖蛋白及多糖部分。 最近,我们小组经研究发现,以羧甲基壳聚糖作 为毛细管的涂层材料对rhE PO及一些蛋白质的分 析具有良好的效果 13 ,而且这种方法可与质谱联 用,相信对rhE PO糖型的分析能得到更好的分离效 率。此外,我们还应用这一涂层的毛细管,用荧光试 剂32( 22呋喃甲酰喹啉222羰醛( FQ 对rhEPO进 行在线衍生,并采用毛细管电泳和激光诱导荧光检 测器联用技术进行分析检测,结果证明这种方法的 灵敏度比紫外(UV 检测提高了2个数量级。 然而,对

16、于人尿或血液中rhE PO的检测,其灵 敏度还远远不够( E PO在尿液中的浓度很低,约 1 IU /L,即约10 ng /L 。因此,很多研究者把目光 转向了实际样品的前处理和浓缩上。采用固定有单 克隆或多克隆抗体的免疫亲和毛细管柱对样品中的 E PO及rhE PO进行浓缩,再利用毛细管电泳进行 第 4期杨霞 ,等 :兴奋剂重组人促红细胞生成素及其类似物检测方法的研究进展·415· 分离,以达到提高检测灵敏度的效果。B e naven te 等 14 采用接有E PO多克隆抗体的免疫亲和固相萃 取毛细管选择性地预浓缩稀释溶液中的rhE PO ,再 与毛细管电泳方法联用进行

17、分离分析。实验证明, 仅用C E 2UV方法,其检出限高于0105 m g /m L;而 用免疫亲和毛细管电泳方法, 0101 m g /m L的 rhE PO仍然有响应。但是该方法分析时间长,无法 得到糖型的信息,故仍需要进一步研究和优化。与 此相比,单克隆抗体具有更好的选择性。B o rne2 m ann等 15 报道了特异性多肽抗体用于E PO的分 析方法。该方法通过毛细管等点聚焦能检测到低于 100 pm o l的E PO。通过进一步的优化和降低样品 量,该方法有望满足人体体液中内源EPO和rhE2 PO的分析和检测。除了采用抗体对rh EPO进行亲 和富集之外, N a gano等

18、16 考察了采用凝集素对 rhE PO进行富集和纯化的可能性。研究证明凝集素 对糖蛋白的糖基片段有特异性的结合,可以用来选 择性地富集EPO。内源和重组EPO的唯一区别是 在多糖部分,而凝集素可以识别多糖结构上的微小 差别,这一独特的能力使凝集素很有可能被用于尿 液中rhE PO的亲和富集及纯化处理中。但是在富 集尿液时,尿液中的其他糖蛋白也会一并被富集,这 就需要与其他纯化方法相结合,以达到最佳的效果。 近几年,毛细管电泳检测E PO的方法得到了迅 速的发展,但关于高效液相色谱( H PLC 这个传统 分析检测方法的研究也没有停止,尤其是随着质谱 的高速发展,液相色谱与质谱联用方法也越来越多

19、 地被用于兴奋剂rhE PO的检测。L uykx等 17 利用 rhE PO本身的荧光响应高于其紫外响应的特点,采 用高效阴离子交换色谱2荧光检测法检测了rhE PO , 其线性范围为10200g /m L。从检测灵敏度角度 来看,该方法比较适用于药物产品中rhE PO的检 测,而不适合对人体内流体中含量极低的兴奋剂的 检测。与此类似,也有采用尺寸 排阻H PLC 2荧光检 测方法对rhE PO的二聚体及低聚体的总和进行定量 的报道 18 。该方法对药物产品中rhEPO总和的测 定非常有效,其定量限可达到80 ng /m L。此外, rhE PO与其类似物D PO也被用在了马术比赛上, 而马体

20、的内源性E PO与人体的内源性E PO不同。 人体的内源性E PO与rhE PO的区别在于糖基上的 微小差别,而由此导致等电点不同;马体的内源性 E PO在氨基酸序列上就与rhEPO有区别,这一特 点为马术比赛中兴奋剂rhE PO和D PO的检测 ( rhE PO与D PO的氨基酸序列是非常相似的打开 了方便之门。G uan等 19 先采用免疫亲和的方法对 实际样品进行浓缩,然后用胰蛋白酶酶解,针对人 E PO与马EPO在胰蛋白酶酶解后得到不同肽段的 特点,选择rhE PO和D PO都具有的同样的酶解片段 T646 VN F YAW K52和T17144 VYSN FLR150作为标志物, 采

21、用LC 2M S /M S方法,利用标准样品中两个标志肽 段的色谱保留时间和产生的子离子对实际样品中的 rhE PO或D PO进行定性和定量。该方法对马血清 中rhE PO和D PO的检出限达到了011 n g /m L,而 马血液中有效的该兴奋剂浓度为1 ng /m L,可见此 方法具有足够的灵敏度和准确性,完全可以作为赛 马是否使用了兴奋剂rhE PO和D PO进行判断和确 认的方法。S in gh等 20 也针对赛马中滥用rhE PO 和D PO开发了一种新的检测方法。由于血浆中含 有包括白蛋白在内的大量的高丰度蛋白,干扰了 rhE PO和D PO的检测,作者采用固定有凝集素 C onA

22、 的萃取柱 和固定有EPO抗体的免疫亲和柱相结合的方法,使 得回收率达到70%左右;再经过十二烷基硫酸钠2 聚丙烯酰胺凝胶电泳( SD S 2PAG E 进行纯化,以胰 蛋白酶和烯醇酶及肽段E YEA TL E ECCA K作为内 标,利用基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱 (MALD I2TO F M S 得到了线性的剂量2响应关系,分 别对纯化后的整个蛋白及酶解产物进行定量分析。 实验证明该方法对酶解片段检测的灵敏度高于整个 蛋白的检测灵敏度,并使得采用MALD I2TO F M S对 马体内rhE PO和D PO进行定量成为可能。 然而,虽然人们在研究兴奋剂rhEPO的检测上 有了很大的进

23、展,但仍然还没有一种方法来代替复 杂的尿检法对人滥用rhE PO进行快速准确的检测。 2. 2间接方法 rh EPO的使用会不可避免地导致全血或血清 中一些生理生化指标的改变 21, 22 。这些指标包括 可溶性转铁蛋白受体和与血红细胞及网织红细胞相 关的各种参数,如红细胞压积( H c t、血红蛋白含量 ( H b 、网织红细胞压积( re ticu locy te h em a toc rit, R e tH c t、可溶性转铁蛋白( sTfr浓度、血清中E PO 浓度及巨细胞百分数( % M a c ro 等 23 。依赖于对 这些间接指标的检测,与没有使用rhEPO的正常人 的评价 结

24、果相比较,可查明运动员是否滥用rhE PO。 由堪培拉澳大利亚体育学院科学家发明的血检 方法能够查出数星期内使用EPO的情况。该方法 依据的是统计模型,即ON 2m ode l和O F F 2m ode l: ON 2m ode l sco re = 31721H c t + 30145R e tH c t + 011871 ln ( E PO + 011267 ln ( sTfr + 01115 ln ( %M ac ro + 011 O F F 2m ode l sc o re = 61149H c t -92187R e tH c t -011463 ln ( EPO ( c anava

25、 lia ens ifo rm is agg lu tin in, 本文综述了近几年来对兴奋剂及其类 似物检测方法的研究进展,从直接方法和间接方法 本文综述了近几年来对兴奋剂及其类 似物检测方法的研究进展,从直接方法和间接方法 ·416· 色谱第 26卷 rhEPO。如果我们能发现一种或几种这样的标志物 Chem , 11 YuB, CongH, 2390 ,2003Benavente 75 (19: Liu H, , 5220 et al. J Sep Sci, 2005, 28 (17 : 便可以间接快速、准确地检测人体中的 rhEPO。 12 Balaguer E,

26、DemelbauerU, PelzingM, et al. Electropho2 3总结与展望 resis, 2006, 27 (13: 2638 ON 2m odel适用于正在使用 EPO的滥用者 ,若 计算值大于 2162 (男性 /2147 (女性 就为阳性 ; O FF 2m odel适用于近期 (24周内 使用过 EPO 但已经停药者 ,若计算值大于 2124 (男性 /2108 (女 性 为阳性 24-26 。这个公式模型从数学角度增强 了该检测方法的科学性 ,实践证明这种综合思维的 方式是可行的 ,该方法已成为 2000年悉尼奥运会 EPO的初筛方法。但这一方法的准确度大受怀疑

27、 , 有可能产生大量的假阳性反应。因此 ,只有将尿检 法和血检法互相取长补短 ,两种方法联合使用才能 在未来的兴奋剂检测中起到加强检测效果的作用。 我们实验室正致力于研究正常人体注射 rhEPO 前后其血清及尿液中小分子蛋白及多肽的变化 ,并进 行大量的对比实验 ,试图寻求一种或几种小分子蛋白 或多肽作为标志物来指示正常人体中是否注射了 两方面介绍了针对 rhEPO检测而发展的新技术及 其存在的优势和不足。然而 ,虽然人们在技术发展 上有了很大的进步 ,但仍然还没有从根本上解决问 题 ,仍然没有开发出一种快速准确的方法来代替步 骤复杂的尿检法检测人体中的 rhEPO。对于科学 工作者来说 ,我

28、们一方面要从样品的前处理着手 ,采 用免疫亲和技术尽可能地对尿样或血样中的 rhE2 PO进行富集和浓缩 ,再采用有效的分离技术和高 灵敏度的检测技术对内源和重组的 EPO进行分离 和检测 ;另一方面 ,针对 rhEPO在体内代谢快的特 点 ,利用代谢组学的思想 ,努力寻找一种间接的生物 指示剂来准确地判断是否存在 rhEPO滥用。 总之 , 兴奋剂检测技术的发展任重而道远。随着分子生物 学技术的发展 ,新的内源性兴奋剂药物不断产生 ,兴 奋剂检测将面临巨大的挑战。我们一方面要加快反 兴奋剂检测研究的步伐 ,另一方面还应当加大力度 呼吁全世界人民提高对兴奋剂危害性的认识 ,同时 应当教育运动员

29、人人从自我做起 ,拒绝使用兴奋剂 , 使奥运会成为干净公正的体育盛会。 参考文献 : 1W inearls C G, Pippard M J, Dow ning M R, et al. Lancet, 1986, 328 (8 517 : 1 175 2Mottram D R. SportsMed, 1999, 27 (1: 1 3DavisJM, Arakawa T, Strickland TW, etal. Biochemis2 try, 1987, 26 (9: 2633 4KrantzSB. Blood, 1991, 77 (3: 419 5D iam anti2Kandarakis

30、E, Konstantinopoulos P A, Papailiou J, et al. SportsMed, 2005, 35 (10: 831 6Segura J, Pascual J A, Gutierrez2Gallego R. Anal B ioanal Chem , 2007, 388 (7 : 1 521 7LasneF, deCeaurrizJ. Nature, 2000, 405 (6787: 635 8Lasne F, MartinL, CrepinN, deCeaurrizJ. AnalBiochem, 2002, 311 (2 : 119 9de Frutos M, Cifuentes A, D iez2Masa J C. Electrophoresis, 2003, 24 (4: 678 10 Sanz2Nebot V, F, Vallverdu A, et al.