除了完整的抗體蛋白之外,抗體的功能性片段也被廣泛應用于疾病檢測領域。抗體的功能性片段是指經過特定的蛋白酶酶切之后獲得的功能性片段。抗體FC段由于具有抗原性,可被其他抗體所識別,如小鼠單克隆抗體可被類風濕因子、HAMA等異嗜性抗體所識別,從而影響檢測結果。因此目前在體外診斷領域中去除抗體FC段的主要目的是去除異嗜性抗體引起的非特異性反應。常用的功能性片段有Fab(由木瓜蛋白酶酶切而得)和F(ab’)2(由胃蛋白酶酶切而得)。
由于動物源性的抗體在疾病診斷應用中往往會受到不同種異嗜性抗體的影響,因此在未來,嵌合抗體(人源化)、基因工程重組抗體將會成為抗體發展的主要趨勢。嵌合抗體是將不同物種的抗體片段進行組合后獲得的改造抗體,如將小鼠抗體的FC片段替換為人抗體FC片段,這樣便可以免除HAMA的影響。重組抗體是通過經免疫淋巴細胞而提取的抗體輕鏈和重鏈基因片段(mRNA),經逆轉錄后導入基因工程載體,然后進行體外表達。該方法獲得的抗體,在產量、生產周期和多樣性等方面相比于傳統的雜交瘤方法均有明顯優勢。此外,該方法還可以跳過免疫系統,在不經過免疫動物的情況下直接獲得特定的抗體。關于單克隆抗體,多克隆抗體和重組抗體的對比如下表。
在疾病診斷領域,抗體是體外診斷試劑的核心原料。根據技術平臺和檢測方法的不同,應用也略有不同。目前主要的應用平臺有放射免疫分析、酶聯免疫分析、化學發光免疫分析、膠體金側向層析、熒光免疫側向層析、免疫比濁、蛋白免疫印跡、免疫組化和直接酶聯免疫分析等。在不同平臺中,抗體通過修飾偶聯于不同的標記物和固相介質。其中,抗體與標記物組成的偶聯物稱為檢測系統(產生信號),而抗體與固相介質的偶聯物則稱為分離系統。這兩個系統最終形成了完整的體外診斷免疫學試劑。關于標記物,目前常用的有放射性同位素標記、酶標記(辣根過氧化物酶和堿性磷酸酶等)、直接熒光標記、時間分辨熒光標記、直接化學發光(吖啶酯)、生物發光標記、電化學發光標記、磷光標記、微球標記、鏈霉親和素-生物素標記等。關于固相介質,目前主要應用的有聚苯乙烯微孔板、玻璃/聚苯乙烯乳膠微球、磁微粒、硝酸纖維膜等。
關于偶聯的方法,主要有靜電吸附、生物偶聯(鏈霉親和素-生物素、二抗、ProteinA/G等)和化學偶聯。在主要的三種偶聯方法中,最重要的是化學偶聯。主要原理是通過將抗體分子中的活性基團與偶聯物的活性功能基團通過化學反應進行交聯,因此制備工藝和反應途徑會對抗體活性乃至整個試劑的性能產生重要的影響。目前應用的主要活性基團有氨基、巰基、羧基和糖基等。針對于蛋白質,主要的交聯反應有過碘酸鈉法、同型雙功能交聯劑法、異型雙功能交聯劑法等。而針對于半抗原等小分子,主要交聯方法有碳二亞胺法、碳二亞胺-NHS法、混合酸酐法和曼尼希反應等。關于不同交聯方法的具體反應原理,可參考相關書籍,這里不再贅述。
在不同的檢測方法中,抗體起到了多種關鍵的功能作用。目前常用的檢測方法有雙抗體夾心法、雙抗原夾心法、間接法、抗體競爭法、抗原競爭法和捕獲法等。在雙抗體夾心法中,待測物為抗原(蛋白質和多肽為主),捕獲抗體和檢測抗體分別與固相介質和標記物偶聯,通過與抗原形成三明治免疫復合物從而實現對抗原的檢測;在雙抗原夾心法中,待測物為抗體,因此抗體在試劑盒中扮演的角色為校準品或質控品,不同抗原分別與固相介質和標記物偶聯,通過與待測抗體形成三明治免疫復合物從而實現對抗體的檢測;在間接法中,待測物為抗體,抗原與固相介質進行偶聯對待測抗體進行捕獲,抗人IgG特異性抗體作為檢測抗體;在抗原競爭法中,待測物為抗原(通常是小分子抗原,主要原因在于小分子上至多只有一個抗原決定簇,因此不能形成夾心復合物),捕獲抗體與固相介質偶聯,抗原和待測抗原競爭性地被捕獲抗體捕獲,從而實現對抗原的檢測;在抗體競爭法中,待測物為抗體,抗原與固相介質偶聯,抗體與標記物偶聯,與待測抗體競爭性地與捕獲抗原反應,從而實現對抗體的檢測,同時,抗體還可作為校準品和質控品;在捕獲法中,待測物為IgM抗體,抗IgM抗體作為捕獲抗體與固相介質偶聯,IgM對應的抗原的特異性抗體作為檢測抗體與標記物偶聯,通過形成抗IgM抗體-IgM-IgM抗原-抗IgM抗原特異性抗體的復合物對待測IgM進行檢測。除上述的經典免疫學檢測方法外,免疫比濁法也是目前體外診斷行業中應用非常廣泛的方法。該方法中,抗體與膠乳微球進行偶聯,當待測物中有抗原存在時,會引起膠乳溶液的濁度變化,從而實現對抗原的檢測。關于不同檢測方法的詳細原理,這里不再贅述,可參考其他相關書籍。
除上述的常見方法外,蛋白免疫印跡、免疫組化和直接酶聯免疫分析在科研領域應用廣泛,在體外診斷領域也有一定程度的應用。其中抗體作為檢測抗體可直接與待測抗原反應。
如前所述,作為主要的核心原材料,抗體對于整個免疫檢測分析系統有著至關重要的影響。因此除去試劑制備工藝外,抗體自身的性能可在很大程度上決定著檢測試劑的質量。目前,衡量抗體質量的技術指標仍然沒有統一標準,但是可以大概總結為活性/效價/親和力、線性范圍、特異性、純度、重復性/批間差和穩定性等。
活性/效價/親和力,是反應抗體與抗原之間反應性的直接指標,但是目前關于該指標的測定沒有標準和統一方法。現階段,大多數抗體供應商對于效價的檢測是在ELISA平臺上通過重組或者天然抗原對抗體進行測試,通過信號值對抗體的活性進行考察。檢測方法以直接ELISA為主,即抗原包被于聚苯乙烯微孔板后,用標記的抗體直接與抗原進行反應。這里值得注意的是,并不是高親和力的抗體就一定對應為高性能的免疫檢測分析系統。針對不同種類的標志物,對于親和力的要求有一定區別,具體討論將在線性指標中詳細展開討論。
線性范圍是指分析方法在給定范圍內獲取與樣品中待測物濃度成正比的試驗結果的能力。該指標是反映分析方法檢測范圍和準確性的直接指標。線性范圍的測試是在抗體配對組成基本的免疫檢測分析系統后進行的,因此可以理解為是抗體性能的間接指標。正如前文所述,高親和力抗體并不代表高性能試劑,針對不同種類的標志物,對于親和力的需求有一定差異。當待測標志物在外周循環中存在的濃度范圍很寬時,如果使用了高親和力的抗體,那么會導至鉤狀效應的過早出現(鉤狀效應或HOOK效應,是指由于抗原抗體比例不合適而導至假陰性的現象,產生的主要原因是當抗體親和力很強,同時抗原濃度很高時,可用抗體全部被抗原中和,導至了反應提前進入平臺期甚至信號下降。),從而嚴重影響到了試劑盒的線性范圍,導至了高濃度樣本被嚴重低估,甚至可能導至醫療事故的產生。典型的寬濃度范圍的標志物,如人絨毛膜促性腺激素(hCG)、肌紅蛋白(MYO)和C反應蛋白(CRP)等。但是對于微量存在即可提示某種疾病的且濃度范圍并不是很寬的標志物而言,高親和力的抗體便顯得尤為重要,因為低值樣本的檢出能力或稱為靈敏度直接與抗體親和力掛鉤。典型的低濃度具有重要意義的標志物,如肌鈣蛋白(TnI,目前市場上已經有超敏肌鈣蛋白檢測試劑了)和降鈣素原(PCT)等,均對試劑靈敏度有很高要求。
特異性指抗體單一性識別某種特定抗原的能力。該指標雖然不直接影響試劑整體反應性,但是卻對于檢測結果有著很重要的影響。外周循環中除了待測標志物之外,還存在許多其他分子。這些分子可能和待測物具有類似的結構或構象;也可能與待測物存在共同的氨基酸片段。而抗體所識別的位點主要分為線性表位和構象表位。當抗體所識別的線性表位的氨基酸序列或者構象表位的結構域存在于其他分子中時,便會導至測試結果的假陽性或者假陰性。這既是抗體特異性差所導至的結果,也可以理解為抗體識別的抗原表位不夠專一所致。不同分子間具有相同的抗原表位往往見于同源蛋白中,如心肌肌鈣蛋白和骨骼肌肌鈣蛋白直接存在多段相同的氨基酸序列;促甲狀腺激素、促卵泡生成激素、促黃體生成激素和人絨毛膜促性腺激素存在共同的α亞基等。肌紅蛋白與血紅蛋白均具有血紅素核心、地高辛和洋地黃毒苷具有類似的糖苷結構、糖抗原CA50和CA19-9均有Lewis-A糖抗原等。因此,抗體的識別位點是決定抗原特異性的關鍵性因素。
關于純度,在體外診斷試劑制備過程中,往往需要先將抗體進行修飾,當抗體純度不夠時,會導至其他雜蛋白被一起偶聯于固相介質或者標記物上,從而影響了試劑的反應性能,如特異性、反應信號、背景值等。抗體的純度通常由細胞培養工藝和抗體純化工藝所決定。使用無血清培養基可以很大程度上去除血清培養基中帶來的雜質蛋白,而穩定精密的蛋白質純化工藝則可以進一步將抗體中絕大多數雜質去除。目前,抗體的純度測定主要有SDS-PAGE電泳后的條帶掃描和HPLC測試等。值得一提的是,目前國內抗體生產廠家普遍存在的批間差問題,可以嘗試從細胞培養和蛋白質純化控制方面著手改善。
重復性/批間差,是指每批次產品的可重復性。之前所述的一系列抗體性能對于體外診斷試劑的性能有直接影響,而重復性則是保證體外診斷試劑降低批間差異并且穩定生產的前提條件。另外,如前所述,重復性和生產工藝密切掛鉤,因此也是體現抗體質量的關鍵指標。
穩定性是指在特定的儲存條件下,一定時間內抗體保持其活性的能力。值得注意的是,這里所指出的穩定性僅代表抗體在進行修飾/偶聯之前的穩定性。抗體在進行修飾后,結構會根據工藝的不同產生的不同的變化,而后續的穩定性也很程度上取決于制備工藝,在制備成半成品試劑之后的穩定性并不能代表抗體的真實穩定性。抗體的保存條件對于抗體的穩定性至關重要,目前多數供應商提供的抗體的儲存條件為4或-20℃;常規抗體的稀釋液大多數為不含有其他蛋白和保護劑的緩沖液(抗體中若含有其他蛋白或者保護劑,會影響抗體的后續偶聯)。關于37℃下的加速穩定性,目前大多數體外診斷生產公司傾向于使用37℃的加速破壞試驗以模擬抗體的長期穩定性。其原理主要基于阿倫尼烏斯的經驗公式推理而得,但是實際上加速穩定性并不能體現抗體的真實穩定性,其參考意義并不大。
隨著我國體外診斷行業的迅速發展,相應的抗體產業也在迅速增長。但是由于我國相關行業起步較晚,因此國內抗體制造行業依然處于相對落后的階段。現階段,國內大多數免疫檢測試劑依然以使用進口原料為主。目前主要的抗原抗體進口廠商有HyTest、Medix、Meridian和Biospacific等,這些公司均有著數十年的發展歷史,對于抗體的研發生產和質量管理均有著系統化的控制。國內著名的原料生產企業有菲鵬等。隨著中國體外診斷試劑行業的不斷發展,中國市場越來越受到國際原料廠商的重視,可以說,除了少數因ZL或特供限制不能商品化銷售的原料外,國內IVD廠家與國際巨頭在原料的獲取渠道上已沒有明顯差距。
抗體的質量控制是保證體外診斷試劑質量的重要環節。目前,關于抗體質量控制尚沒有國際公認的檢驗標準。不同的原料生產廠商的出廠檢驗也略有差異。其中,主要的檢驗指標有外觀、純度、濃度、分子量、活性、等電點等。此外,除上述常見的質檢參數外,根據用戶需求不同,可能會進行更多特殊的檢測,如手性測試、質譜和糖譜測試等,這里不再贅述。
關于外觀,一般情況下純化后且沒有雜質的單抗通過肉眼觀察基本為均一澄清的溶液。而純化工藝出現問題,導至蛋白質變性等則會引起溶液渾濁、蛋白質聚集沉淀等現象的產生。部分特殊抗體或者多抗可能不可避免地會出現輕微的沉淀或者渾濁,供應商一般會加以說明。此外,抗體凍干粉基本為白色粉末。關于純度,如前所述是抗體重要的性能指標。目前的檢測方法基本為SDS-PAGE電泳后的條帶掃描和HPLC檢測。理論上,抗體純度越高,其偶聯效率和活性就越高。對于不同生產批次抗體的純度控制,是體現產品質量非常重要的一環。關于濃度,抗體的濃度對于抗體偶聯具有重要的指導意義,是計算交聯劑分子比例的關鍵參數。主要測定方法為Lowry法和OD280nm光吸收法等。目前,對于濃度的控制并沒有嚴格要求,每次純化后所獲得濃度差異屬于正常現象。針對目前大多數的抗體偶聯工藝,濃度高于2mg/mL可基本滿足要求。另外,若抗體濃度過低可以通過透析或者超濾進行濃縮;若濃度過高則可以用緩沖液進行稀釋。關于分子量,目前體外診斷試劑所使用的抗體主要為IgG抗體,通過還原性SDS-PAGE電泳可以看到重鏈和輕鏈的電泳條帶,從而根據其位置判斷重鏈輕鏈的分子量。理論上,IgG重鏈的分子量約為55 KD左右,輕鏈約為25 KD左右,不同IgG之間可能會存在細微差異。若分子量差異較大,則提示抗體構象可能遭到了破壞。關于活性,對每一批生產出的抗體進行活性測試,是反映批間差異最直接的指標。細胞株保存、傳代、培養、純化工藝的過程控制,都會對抗體活性產生重要影響。因此活性差異的控制可以理解為是抗體質量控制的核心環節。目前,關于抗體活性測試的方法,主要是通過抗原與抗體反應的信號值來進行判斷,反應平臺以ELISA為主。關于等電點,在抗體偶聯時,pH值是影響偶聯反應的重要參數,而pH設定的依據則是根據抗體等電點。一般情況,在沒有經過任何特殊修飾的情況下,不同抗體等電點差異不大。另外,隨著蛋白質保存時間的推移,等電點可能會出現一定程度的偏移,因此等電點的測試對于質量控制并非關鍵性因素。
上述討論內容為目前原料供應商對于原料的質控參數,而對于生產過程的控制則是獲得理想質控參數的前提條件。根據抗體整個生產流程,可以將過程控制分為原料質量控制、細胞庫質量控制和生產純化質量控制三個環節。首先,高質量的原料是獲得高質量產品的保障,其中包括對于動物源品質的控制、培養基質量的控制、生物安全性檢測等。由于行業競爭激烈,目前部分生產廠商為了壓縮生產成本從而降低了原料的質量控制,這也是我國目前抗體生產行業質量參差不齊的重要因素。其次關于細胞庫質量控制,細胞庫的系統化管理、合理的細胞儲存、傳代、培養是保證高質量抗體的前提。雜交瘤細胞在數次傳代后會出現活力逐步下降現象,當細胞活力不足時會導至所生產的抗體活性大打折扣。另外,若細胞株保存不善受到污染,將會造成不可設想的嚴重后果。因此細胞株科學的保存、復蘇及傳代是非常必要的。關于生產和純化,目前單克隆抗體的生產方式主要分為體內培養和體外培養兩種。體內培養是通過小鼠腹水培養而得,而體外培養則是通過生物反應器而得。兩種培養方式均對原料有著很高的要求,同時,在培養過程中細胞培養工藝的控制也十分重要。值得一提的是,由于動物保護問題和動物個體間的潛在差異,在未來體外培養生產抗體可能會成為主要的生產方式。在獲得培養產物后(體內培養為小鼠腹水、體外培養為懸浮培養液),通過一定的純化步驟便可獲得最終的抗體。目前純化方式主要為親和層析和離子交換層析,對于單抗而言,主要以protein A/G 的親和層析為主;而對于多抗,則以高純度的抗原親和層析為主。為進一步獲得更高純度的抗體,則可以選擇在親和層析之前進行離子交換層析。在純化過程中,保證各項參數和原料的穩定是降低純化后抗體的批間差的重要因素。此外,不同抗體在使用同樣純化工藝純化時,所得的產物可能會出質量差異。因此,對于不同的抗體選擇針對性的純化方式是非常重要且必須的。
抗體經過出廠質檢合格并到達體外診斷試劑生產商手中后,根據我國體外診斷試劑生產及質量控制技術的指導原則,需要對抗體進行入庫檢定。一般情況下,質檢的指標主要包括:外觀——肉眼觀察,大部分生物原料為澄清均一的液體,不含異物、渾濁或搖不散的沉淀或顆粒;或為白色粉末且不含有其他雜質;特殊抗體應具備相應外觀標準。純度和分子量——主要方法是SDS-PAGE電泳后經考馬斯亮藍或者銀染色法進行染色,然后對條帶進行掃描分析。此外,高效液相層析也可以用于純度和分子量測定。蛋白濃度——主要測定方法為Lowry法、OD280nm光吸收法和雙縮脲法等。需要注意的是,不同方法學之間的結果存在一定差異,因此建議可以采取與原料廠商一致的方法進行驗證。效價——一般在相應試劑平臺上通過待測抗原進行測定。功能性——除上述抗體固有的性質之外,功能性結果可以直接反應該原料用于實際生產的效果。一般考查使用該原料的試劑的靈敏度、特異性、穩定性以及和上一批的平行對照等。這里值得指出的是,為了更嚴謹地對抗體批間差異進行驗證,對于合格抗體的留樣是非常有必要的。此外,還可根據實際情況定制或修改相應的其他功能性質檢標準。
最后,關于抗體性能和質量與試劑性能和質量的關系。好的抗體是能做出好的試劑的前提,高品質抗體在最適的試劑制備條件下能夠發揮出最佳性能。但是抗體在經過修飾偶聯后形成最終的免疫檢測分析系統則需要經過多種復雜工藝,其中任何一環的變化都會對最終的試劑性能產生影響。目前,我國體外診斷行業處于快速發展階段,大量試劑質量已臻完善,但仍有許多項目或平臺的制備工藝需不斷優化及驗證。抗體與試劑制備工藝在優秀的診斷試劑體系中相輔相成,對特定工藝而言,公認的好抗體卻可能是“汝之蜜糖,彼之砒霜”,廣泛篩選最適抗體是提升國產試劑質量和性能的關鍵一環。
在我國體外診斷行業快速發展的過程中,我們已經取得了巨大的成就,但與國際巨頭之間仍有不小的差距。對于我國抗體生產廠商而言,需要更加系統且嚴謹地認識抗體的質量控制,從原材料到最后的生產純化都必須嚴格把關,為中國體外診斷試劑廠商做好堅實后盾,共同推動我國體外診斷行業走上更加健康的發展道路。