第28卷第5期 影像科学与光化学 1aging Science and Photochemist Vo1.28 No.5 Sept.,2010 2010年9月 同步荧光法测定大鼠血浆中 牛血清白蛋白的研究 覃光炯 。,高云华 (1.中国科学院理化技术研究所光化学转换与功能材料重点实验室,北京100190; 2.中国科学院研究生院,北京100049) 摘要:以异硫氰酸荧光素标记的牛血清白蛋白为模型药物,采用同步荧光法 测定了大鼠尾静脉注射模型药物后血浆中药物浓度随时间的变化.系统研究了 样品处理、测试条件等一系列因素对测试结果的影响,建立了一种简单有效的 测定生物体内的微量外源性蛋白质的方法,并与酶联免疫吸附法测定结果进行 了比较,二者的测试结果具有良好的一致性. 关键词:同步荧光法;牛血清白蛋白;血药浓度;酶联免疫吸附法 文章编号:1674—0475(2010)05—0354—08 中图分类号:0657 文献标识码:A 许多蛋白质和多肽类物质在临床上具有药效_1],可用来治疗某些特定的疾病.随着 生物学技术的飞速发展,越来越多的蛋白质和多肽类药物已被广泛的研究,有的已进入 临床实验阶段Ⅲ2 ].测定这类药物在给药后的药代动力学参数,特别是血药浓度一时间曲 线,对于判定药物的疗效、确定最优给药剂量、指导临床用药具有重要意义. 蛋白和多肽类药物的药代动力学具有生物半衰期短、血药浓度低等特性,同时生物 体内有大量相似的干扰物质存在,使蛋白和多肽类药物的药代动力学测定更加困难.目 前常用的分析方法主要为免疫分析法[4]、同位素标记示踪法[5]、生物检定法[6]以及一些 理化分析技术如高效液相色谱、质谱、色质联用[7]等.但这些方法都有一些缺陷,如免疫 分析法需要开发相应的抗体,测定时间较长,测定结果在很大程度上受到药物与对应抗 体的反应性的影响;同位素标记法测定需要特定的防护措施;高效液相色谱、质谱测定, 样品前处理步骤复杂,且测试所用仪器均较昂贵. 在药物的前期研究中,大多采用动物实验的方法评价药物的药代动力学E s, .本论文 收稿日期:2010—05—11:修回日期:2010—05—25.通讯联系人:高云华,E-mail:yhgao@mail.ipc.ac.ell 作者简介:覃光炯(1983一),博士研究生,主要从事药学分析研究,E-mail:gjqin@yahoo.con3.cn. 354 第5期 覃光炯等:同步荧光法测定大鼠血浆中牛血清白蛋白的研究 355 拟建立一种快速、灵敏的测定实验动物体内蛋白和多肽类药物血药浓度的分析方法.采 用异硫氰酸标记的牛血清白蛋白(FITC-BSA)为模型药物,通过对样品处理、测试方法等 一系列条件的摸索,建立了一种采用同步荧光法测定FITC-BSA的大鼠体内药代动力学 的分析方法,并用酶联免疫吸附法(ELISA)验证了该方法的准确性. 1实验部分 1.1仪器与试剂 仪器:F-2500荧光分光光度计(日本Hitachi公司);RT-2100C酶标仪(深圳市蕾杜 电子有限公司);EASYPure LF超纯水仪(美国Barnsted公司);TGL_16B高速离心机 (上海安亭科学仪器厂). 试剂:异硫氰酸荧光素标记牛血清白蛋白(FITC-BSA,标记比MF丌c:MBsA一1.75, pfjSA一15.12 mg/mL,北京成文免疫化学研究室);牛血清白蛋白酶联免疫试剂盒(无锡 罗益生物技术有限公司);牛血清白蛋白标准品(中国药品生物制品检定所);氯化钠、氯 化钾、磷酸二氢钾、磷酸氢二钠均为分析纯试剂,所有实验所用水均为超纯水. 1.2大鼠血液的采集以及血清血浆的制备 雄性SD大鼠(250 g)乙醚麻醉之后,采用5.0 mL注射器心脏取血.血清制备:血液 取出后装入2.0 mL离心管中,4℃保存,于6 h之内离心,取上清液得到血清.血浆制备: 血液样品取出后装入肝素钠抗凝的离心管中,并立即离心,得到血浆.离心出的血清和血 浆样品如不立即使用,于一2O℃冷冻保存。 1.3不同浓度FITC-BSA的血清、血浆、缓冲溶液荧光测试 配制pH一7.4的磷酸盐缓冲液(PBS)方法:取0.2 g KC1,0.2 g KH PO4,8.0 g NaC1,0.29 g Na2HP04・12H2O于1 L烧杯中,加入950 mL超纯水溶解后,调节pH 至7.4,然后定容至1.0 L. 依次用大鼠血清、血浆和PBS缓冲液将FITC-BSA溶液分别稀释至0.1、0.5、1.5、 3.0、5.0、10.0/ ̄g/mL.设定F-2500荧光仪的激发波长为480 nm,测定扫描波长范围 5O0—7O0 nm的荧光发射光谱. 1.4普通激发测试与同步荧光测试对比 同步荧光扫描技术与常用的荧光测定方法最大的区别是同时扫描激发和发射两个 单色器波长.由测得的荧光强度信号与对应的激发波长(或发射波长)构成光谱图,称为 同步荧光光谱.恒波长同步荧光法是在扫描过程中使激发波长和发射波长彼此间保持固 定的波长间隔,一般设定该波长间隔等于测定物质的stokes位移.恒波长同步荧光光谱 法较多用于多组分物质的测定或者一种组分在常规测试条件下受到较大干扰时的测定, 具有选择性好、灵敏度高、干扰少等特点. 为了对比采用普通激发模式和恒波长同步荧光模式测试对FITC-BSA血浆样品测 定的影响,配制2.5/ ̄g/mL的FITC-BSA的血浆样品,并分别采用普通激发模式和恒波 长同步荧光模式测试其荧光光谱图.两种测试模式下F-2500荧光分光光度计的参数设 356 影像科学与光化学 第28卷 注:EX:激发;EM:发射;WL:波长 1.5 pH对同步荧光测试的影响 配制质量浓度为1.0/xg/mI 的FITC-BSA血浆溶液和PBS溶液,另配制pH分别 为5.0、5.5、6.0、6.5、7.0、7.4、7.5、8.0、8.5、9.0的磷酸盐缓冲溶液.取1.0“g/mL FITC-BSA的PBS溶液和血浆溶液各100 L,用上述缓冲溶液分别稀释至1.0 mL,采用 同步荧光法测定其荧光光谱. 1.6血浆稀释对同步荧光测试的影响 取6只大鼠采血,得到血浆.并用每只大鼠的血浆液分别配制0.1、0.5、1.0、2.5、5.0 ptg/mL的FITC-BSA溶液,同步荧光法测定各样品同步荧光光谱.然后每个样品各取 0.1 mL用pH 7.4的PBS缓冲液分别稀释至0.5 mL和1.0 mL,即将原溶液分别稀释至 5倍和10倍,相同荧光测试条件下测定样品的同步荧光光谱. 1.7大鼠静脉注射后血药浓度的测定 8只SD雄性大鼠(250 g)随机分成两组,实验之前至少禁食12 h以上,但可以自由 饮水.用pH 7.4的PBS缓冲液将FITC-BSA溶液稀释至9O p ̄g/mL,4只SD雄性大鼠尾 静脉注射,注射剂量为0.1 mL/只,另配制浓度为90 t ̄g/mL的BSA标准品溶液,取另一 组4只大鼠各尾静脉注射0.1 mI BSA标准品溶液.注射后第10 min、30 min、1 h、4 h、7 h、12 h、24 h、36 h、48 h从大鼠眼眶采血约300 L,置于含有少量肝素钠溶液的离心管 中,并立即离心出血浆.血浆样品在一20℃冷冻保存直至测试. 注射FITC-BSA溶液组大鼠的血浆样品,用PBS稀释1O倍后,利用同步荧光法测定 其荧光光谱,并根据最大发射波长处的荧光强度值和标准曲线计算出血浆中BSA的浓 度.注射BSA标准品的实验组大鼠则采用酶联免疫吸附法测定血浆样品中BSA的浓度. 2结果与讨论 异硫氰酸荧光素为一种优良的荧光探针,具有良好的荧光性质E加],其分子中的异硫 氰基可与蛋白质的氨基发生化学反应,从而将蛋白质标记上荧光探针.在体外实验和动 物实验中,使用荧光标记可以大大简化检测蛋白质的方法和步骤. 2.1 FITC-BSA血清溶液、血浆溶液、PBS缓冲液荧光对比 在普通的激发模式下,采用480 nm波长的光激发FITC-BSA溶液,荧光发射光谱最 第5期 覃光炯等:同步荧光法测定大鼠血浆中牛血清白蛋白的研究 357 大发射波长为518 nm.图1为0.1、0.5、1.5、3.0、5.0、10.0 ̄g/mL FITC-BSA的血清、 血浆以及PBS溶液在518 nm处的荧光强度一质量浓度图.从图中可以看出,FITC-BSA 质量浓度较低时,血清和血浆样品的荧光强度明显高于PBS缓冲液;在FITC-BSA质量 浓度较高时,荧光强度差别不大,说明血清和血浆样品中的其他蛋白对FITC-BSA的荧 光测试有较大的影响.低质量浓度时,由于血清和血浆液的荧光光谱背景值较高,可能导 致FITC-BSA的荧光发射峰被湮没,从而降低了测试的灵敏度.因此,降低血清和血浆中 其它物质的干扰,提高样品的荧光响应是测定低浓度样品必须解决的问题. 如 印 如 O 占IsII lu— uI】 Q呐20;一 o 2 4 6 8 10 PBSA(/*g/mL) 图1不同质量浓度的FITC-BSA血清、血浆及PBS溶液荧光强度一质量浓度图 Profile of fluorescence intensity vs.FITC BSA mass concentration in serum,plasma and PBS 将图1中不同质量浓度的FITC-BSA血清溶液、血浆溶液和PBS溶液荧光强度一质 量浓度曲线外推至BSA质量浓度为零时,对应的荧光强度分别为32.5,30.1和0.2.表 明血浆样品中其他物质的背景干扰比血清样品的小,但是血清和血浆溶液背景均明显高 于PBS溶液的背景.图1还显示,在FITC-BSA质量浓度相同时,血浆样品的荧光强度均 高于血清样品且血浆样品荧光强度~浓度曲线的斜率较大,说明血浆样品中FITC-BSA 荧光强度对浓度的响应更大.因此,在后续研究中均采用血浆溶液进行测试. 2.2恒波长同步荧光法测试结果 测定FITC-BSA血浆溶液的三维荧光谱图,发现FITC-BSA的荧光Stokes位移为 23 nm,因此选择激发光波长和发射光波长相差23 nm对FITC-BSA血浆样品进行同步 荧光法测定。对FITC-BSA质量浓度为2.5 t ̄g/mL的血浆样品,采用常用的固定发射波 长扫描法,FITC-BSA的荧光发射峰基本被湮没;采用同步荧光法测试,谱图出现了明显 的荧光发射峰,最大发射波长处的荧光强度也明显增加(图2).表明采用同步荧光法测 试,能明显降低其他物质的干扰,增加最大发射波长处的荧光强度,且荧光谱图的峰形较 好,适合于低浓度样品的分析. 同步荧光法具有选择性好、灵敏度高、干扰少等特性,可用于多组分物质的分 析口 ].由于激发波长和测定的发射波长同时变化,因此能有效的降低干扰.在本研究 中,采用同步荧光法,可以明显减少血浆中其它物质对FITC-BSA荧光测试的干扰. 358 影像科学与光化学 第28卷 扫ls 菪一 0口 曲20T1一 O O 扫 0 菪一 uL1 u曲 jof1一 H O 7 O 如 加 0 520 560 600 640 680 Wavelength/nm 图2质量浓度为2.5 ̄g/mL的血浆样品的荧光发射光谱图和同步荧光光谱图 The fluorescence emission and synchronous fluorescence spectroscopy of FITC-BSA in plasma 2.3 pit的影响 采用同步荧光测试法,在相同样品浓度和测试条件下,FITC-BSA血浆溶液和PBS 溶液在不同pH条件下测得的荧光强度不同,表明溶液的pH值会影响FITC的量子产 率[1引.在碱性环境下,不论是FITC-BSA的血浆溶液,还是PBS溶液,FITC的量子产率 明显高于在酸性环境中的量子产率(图3).因此,利用同步荧光法测定血浆样品中的蛋白 浓度时,应尽量使样品的pH保持一致.生理环境的pH为7.4,所以后续实验均将溶液的 pH调至7.4后测试. 5 6 7 pH 8 9 图3 FITC-BSA血浆溶液和PBS溶液在不同pH环境中的荧光强度 Profile of fluorescence intensity VS.pH of FIT@BSA in plasma or PBS 2.4血浆样品的稀释测定 在动物实验的给药研究中,动物的生理状态不同,可能会导致血浆中对荧光测试有 干扰的物质含量不同,同时,pH值也直接影响荧光强度.根据图1,由于PBS溶液中未含 有血清和血浆中的物质,因而荧光测试时背景干扰较小,将血清和血浆采用PBS溶液稀 释,有可能降低其它物质的干扰.因此,为了使同步荧光测试的结果更接近实际,我们考 察了采用pH一7.4的PBS缓冲液对血浆进行稀释后测定的方法,评价了6只大鼠的 第5期 覃光炯等:同步荧光法测定大鼠血浆中牛血清白蛋白的研究 359 FITC-BSA血浆样品在不稀释、稀释5倍和稀释10倍时的荧光强度一质量浓度关系. 18O 80 ‘ 害 d .薹 o 0 量 60 扫 IJ lu—o0 ∞20 .l 120 盘 ∞ 呈 。 0 1 2 3 4 5 2 40 0 也 ∞ 如 加 m 三 20 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 PBSA( ̄g/mL) PBSA(t ̄g/mL) 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 PasA(bLg/mL) 图4六只大鼠的FITC-BSA血浆溶液在(a)未稀释、(b)PBS溶液稀释5倍和(c)10倍时的荧光强度一质量浓度图 Profiles of fluorescence intensity VS.mass concentration of FITC-BSA (a)plasma,(b)×5 diluted by PBS,(c)×10 diluted by PBS 图4a表明,6只不同大鼠血浆溶液在未稀释时的荧光背景值差异很大,且荧光强度 对FITC-BSA浓度的响应(图中各线的斜率)也不相同,将血浆液采用PBS溶液稀释5倍 之后,图中每条线的斜率差异减小(图4b),当采用PBS溶液将血浆样品稀释10倍后,图 中各线的斜率基本相同(图4c).这是因为采用PBS稀释之后,血清和血浆中其它蛋白类 物质也被稀释,其对FITC-BSA荧光测试的干扰会降低,从而使荧光强度一质量浓度曲线 的斜率趋于一致。上述结果表明,采用PBS稀释大鼠的血浆样品,可以降低不同大鼠之 间的差异.对同一批实验动物,可以只做一条荧光强度一浓度标准曲线,得到斜率相同的标 准曲线Y—kX+Z,其中y为同步荧光法测定荧光谱图中最大发射峰处的荧光强度,X 为FITC-BSA质量浓度,z为大鼠空白血浆稀释10倍后的荧光强度,是为标准曲线的斜 率.在本研究的测试条件中,我们得到的k一15.19,对于不同的仪器、不同的荧光标记 物,k值不同. 2.5测试方法的验证 为了验证上述测试方法的正确性,分别对大鼠进行FITC-BSA和牛血清白蛋白标准 品尾静脉注射,并分别采用本研究中建立的方法和酶联免疫吸附法(ELISA)E 测定给药 360 影像科学与光化学 第28卷 后大鼠血浆液中BSA的质量浓度,将同一实验组中4只大鼠测定的血浆中BSA质量浓 度进行平均,计算平均值和标准偏差,并对时间作图.图5表明,二者测定的结果具有很 好的一致性,说明本研究中建立的测试方法是准确可靠的. 晕 16 竺 ∞ 《 12 ∞ 口 .2 董 菪 8 c 8 一 昌 蛊 0 lO 2O 50 图5大鼠尾静脉注射FITc_BSA及BSA标准品后血药浓度一时间图 Mass concentration of FITC-BSA and BSA standard after tail vein injections 本研究建立了一种快速、简单测定生物体中外源性蛋白质的方法,对于蛋白和多肽 类药物动物实验的药代动力学分析具有重要意义.采用酶联免疫吸附法测定不同的蛋白 质时,需要制备每种蛋白的特异性抗体,并需要采用特定的反应和显色系统,测定时间 长,所需试剂均较昂,而且目前的酶联免疫试剂盒均只能针对特定的蛋白质进行测定.而 采用FITC标记蛋白质的技术已经很成熟,几乎所有的蛋白质均能采用FITC进行标记, 因此,本方法可适合于所有蛋白类药物的测试.相对于酶联免疫吸附法、放射性标记等, 本方法还具有样品处理简单、测试快速灵敏、不需要特殊防护等优点. 3结论 本文采用异硫氰酸荧光素标记的牛血清白蛋白为模型药物,采用恒波长同步荧光 法,建立了一种简单、快速、灵敏的测定蛋白类药物给药后血药浓度的分析方法.研究结 果表明:选择血浆样品进行测试比血清效果好;用pH===7.4的PBS缓冲溶液对血浆样 品进行稀释,可以有效的减少测试误差;同时,利用同步荧光法可以有效的降低血浆样品 中其他物质荧光测试的干扰.在相同的测试条件下,同一批实验可以建立一个斜率相同 的荧光强度一样品质量浓度标准曲线.酶联免疫吸附法证明采用本研究中的方法能准确测 定蛋白质的血药浓度. 参考文献: [1]Hopkins A L,Groom C R.The druggable genome[J].Nat.Rev.Drug Disc.,2002,1(9):727—730 [2]Drews J.Drug discovery:a historical perspective[J].Science,2000,287(5460):1960—1964. 第5期 覃光炯等:同步荧光法测定大鼠血浆中牛血清白蛋白的研究 361 [33 Torchilin V P,Lukyanov A N.Peptide and protein drug delivery to and into tumors:challenges and solutions [J].Drug Discov.Today,2003,8(6):259—266. [4]Engvall E.Enzyme immunoassay ELISA and EMIT[J].Methods Enzymo1.,1980,70(A):419. [5]李高.稳定同位系标记药物在l临床药代动力学研究中的应用[J].中国临床药理学杂志,2000,16(1):58—62. Li G.The application of stable isotope labelled drugs in clinical pharmacokinetic study[J].Chin.J.Clin. Pharmaco1.,2000,16(1):58-62. [6]Meager A.Biological assays for interferons[J].J.Immuno1.Methods,2002,261(1):21—36. [7]张琪,王广基.蛋白多肽类药物药代动力学分析方法研究进展LJ].药物生物技术,2000,7(2):126—128. Zhang Q,Wang G J.The progress of the analysis method of protein polypeptide drug pharmacokinetics[J]. Pharm.Biotechno1.,2000,7(2):126—128. [8]Woodnutt G,Berry V.Two pharmacodynamic models for assessing the efficacy of amoxicillin-clavulanate against experimental respiratory tract infections caused by strains of streptococcus pneumoniae[J].Antimicrob. AgentsCh.,1999,43(1):29. [9]Koopmans S J,wee_Pals L V D,Lowik C,et a1.Use of a rat model for the simultaneous assessment of pharmacokinetic and pharmaeodynamic aspects of bisph0sph0nate treatment: Application to the study of intravenous (;labeled 1一hydroxy-3一(1一pyrrolidiny1)一propylidene-1,1一bisphosphonate[J].J.Bone Miner. Res.,2009,9(2):241—246. [10]Weiss H R.Measurement of cerebral capillary perfusion with a fluorescent label[J].Microvasc.Res.,1988, 36(2):172—180. [u]Cabaniss S E Synchronous fluorescence spectra of metal—fulvic acid complexes[J].Environ.Sci.Techno1., 1992,26(6):1133—1139. [12]Patra D,Mishra A K.Recent developments in multi—component synchronous fluorescence scan analysis[J]. nAC-Trend.Aha1.Chem.,2002,21(12):787—798. [13]Lorenz J,Gruenstein E.A simple,nonradioactive method for evaluating singl ̄nephron filtration rate using FIT(;inulin[J].Am.J.Physio1.一Renal Physio1.,1999,276(1):F172一F177. Study on the Determination of Bovine Serum Albumin in Rat Plasma by Synchronous Fluorescence Spectrometry QIN Guang-jiong ,GAO Yun-hua (1.Key Laboratory of Photochemical Conversion and Optoelectronic Materials,Technical Institute of Physics and Chemistry,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100190,P.R.China; 2.GraduateUniversity ofChineseAcademy ofSciences,Be(1ing 100049,PR.Chia)n Abstract:With fluorescein isothiocyanate labeled bovine serum albumin(FITC-BSA)as a model drug,the concentration of FITC-BSA in rat plasma was assayed after tail vein injection by utilizing synchronous fluorescence spectrometry.The impacts of sample pretreatment, measurement parameters were investigated.A simple and effective determination method for exogenous protein in vivo was established by utilizing synchronous spectrometry,whose results match with results by standard enzyme-linked immunosorbent assay(ELISA)very wel1. Key words:synchronous ̄luorescence;bovine serum albumin;enzyme-linked immunosorbent assay Corresponding author:GAO Yun-hua