質譜方法在過敏原研究中的應用

趙璟源，賀艷，張裕君，鄭文杰，宋喆，許泓

（天津出入境檢驗檢疫局，天津300461）

過去10年，食品過敏的情況在世界范圍日益普遍。發達國家有超過20%的人受過敏性疾病的困擾[1]，美國每年約有2%～5%的人發生食品過敏，其中兒童及嬰兒的發病率較高，約為5%～8%。我國食品過敏發病率高于發達國家。中國疾控中心與食品安全所的調查表明，在15 歲～24 歲年齡段健康人群中，約有6%的人曾患有食品過敏。盡管食品過敏在兒童和成人間日益流行，但沒有應對措施，因而在食品標簽上標明過敏原的存在是避免過敏患者食入潛在過敏原的最有效的途徑。已經有行業標準采用酶聯免疫方法和實時熒光PCR 方法檢測食品中過敏原成分，但存在一些不足，質譜技術的發展，為過敏原的研究提供了新的手段。

1 食品過敏原

1.1 食品過敏原種類

食品過敏原指那些能對特定人群產生免疫反應或過敏反應的食品中的蛋白質。已知結構的過敏原都是蛋白質或糖蛋白，大部分過敏原分子量介于10 000 u～70 000 u 之間，占食品總蛋白的極小一部分，但是微量的食品過敏原蛋白即可引起嚴重的過敏反應。蛋類、花生、牛奶、大豆、小麥、樹木堅果、魚類和甲殼類食品是常見的過敏原食品。90%以上的過敏反應由這些致敏食物引起。

1.2 過敏原發病機制

過敏原進入機體后，會引起機體發生正常的或過度的免疫應答，通常稱過度的免疫應答為過敏反應。過敏反應分為I～IV 型，食品過敏為I 型過敏反應，90 %以上是由IgE 抗體介導的，少數為非IgE 介導。在IgE介導的食品過敏中，當易感人群初次攝入食品過敏原后，機體會產生相當量的IgE 抗體，這種IgE 抗體具有親細胞的特征，能與肥大細胞和嗜堿性粒細胞結合，當相同過敏原再次入侵時，與上述細胞表面的IgE 抗體特異的結合，所形成的過敏原-IgE 復合物能夠激活肥大細胞和嗜堿性粒細胞并使之脫顆粒，然后從排除的顆粒中及細胞內釋放一系列生物活性介質，而引起毛細血管擴張、血管壁通透性增加、平滑肌收縮和腺體分泌增多。在臨床上可表現為蕁麻疹、休克、哮喘、腹痛和腹瀉等多種癥狀[2]。

2 質譜方法在過敏原研究

離子源和質量分析器是MS 技術研究蛋白質的核心。基質輔助激光解吸電離（MALDI）和電噴霧電離（ESI）是最廣泛使用的軟電離手段。MALDI 和ESI 可以與各種質量分析器聯用。目前，有4種常用的質量分析器：四級桿（Q）、離子阱（QIT 三維離子阱/LIT 線性離子阱）、飛行時間（TOF）、傅里葉變換離子回旋共振（FTICR）質量分析器[3]。隨著生物質譜（MS）技術的快速發展，蛋白質和多肽分析的分辨率、靈敏度、準確性、鑒定能力大為提高。質譜的發展使得該技術可以應用于過敏原蛋白的研究及檢測方法建立。

2.1 質譜方法作為過敏原研究的技術

目前基于質譜技術分析組蛋白及其翻譯后修飾主要有兩種策略：bottom-up 和top-down.Bottom-up策略通常是將提純后的組蛋白酶解成多肽，然后用液相色譜和串聯質譜技術（LC/MS/MS）分析酶解多肽，最后采用生物信息檢索分析多肽序列和修飾位點。Top-down 策略通常是將組蛋白直接引入到質譜中進行分析，通過碎片裂解技術將組蛋白裂解成多肽的碎片分子，得到蛋白質和碎片離子的質量，最后采用生物信息檢索推演多肽序列和修飾位點。常見的碎片離子裂解技術主要有：碰撞誘導解離（CID/CAD）電子捕獲解離（ECD）電子轉移解離（ETD）等[3]。通常食品中含有復雜的基質，在進行質譜分析前需要對蛋白質進行純化。常用的純化方法有SDS-PAGE 方法和二維電泳的方法。通過考馬斯亮藍、銀染等看到蛋白質。然后切膠，再用胰酶處理，再通過質譜鑒定。羅春萍等結合SDS-PAGE、MALDI-TOF/MS 和Western blotting 鑒定了花生過敏原Ara h 6[4]。

質譜法與圓二色譜的方法相結合可應用于過敏原的過敏機制研究。Iris Lauer 對Cor a 11 的分子學特征進行研究，SDS-PAGE 和MALDI-TOF MS 結果表明Cor a 11 的2 個潛在糖基化作用部位中的一個是糖基化的，圓二色譜表明重組和自然Cor a 11 擁有相似的二級結構。與其他幾個榛子過敏原比較致敏性，通過對65 名榛子過敏患者進行體外測試，研究重組Cor a 11、Cor a 1、Cor a 2、Cor a 8 的IgE 致敏模式，得到結論，榛子豌豆球蛋白Cor a 11 的IgE 反應患病率在50 %以下。與Cor a 1 相比，1 000 倍濃度的Cor a 11 可以誘導相似的嗜堿細胞介體釋放[5]。胡純秋等從花生中提取Ara h 2，并用SDS-PAGE 和MALDI-TOF-MS 鑒定。用酶聯免疫吸附試驗（ELISA）、圓二色譜（CD）熒光和紫外吸收譜衡量熱處理對Ara h 2 抗原性和結構的影響。結果表明Ara h 2 抗原性在加熱至55 ℃和70 ℃有輕微的提高，在85 ℃以上時，抗原性明顯下降，并隨溫度上升不斷下降。CD 表明熱處理后Ara h 2 二級結構被改變。紫外吸收光譜表明除了50 ℃30 min 的樣品外，Ara h 2 在被加熱后最大吸收波長均有提高。因此，得出Ara h 2 的構象變化導致了抗原性的下降[6]。Lauer Iris等通過研究重組榛子過敏原，得到的蛋白利用快速蛋白液相色譜（Fast protein liquid chromatography，FPLC）兩步法純化，IgE 抗體反應性被驗證。通過N-末端測序和MALDI-TOF-MS 分析來驗證特征。用圓二色譜和NMR 來確定二級和三級結構。可利用這種重組的榛子過敏原進行體外測試診斷，研究過敏原特征[7]。

吳海強等將花生總蛋白2-DE 指紋圖譜與蛋白點MALDI-TOF/MS 分析聯用，發現其中共有178 個特征性蛋白點，并得出結論，每個蛋白斑點都有各自的摩爾分子量和不同的MALDI-TOF/MS 圖譜[8]。Hird H 等利用原生雙向電泳檢測榛子過敏原，用堅果過敏患者的血清進行免疫印跡分析，可以使有相同等電點和分子質量的花生和榛子過敏原得以鑒定。通過基質輔助激光解析/離子化質譜法（MALDI-MS）得到這2種蛋白的分子量為4 826 u[9]。

Schmidt H 等分別用單向和雙向電泳對弗吉尼亞型花生和印尼花生的基本提取物進行比較。通過質譜方法，在這些提取物中發現了一百多種不同成分，并得到了包含目前未知片段的主要花生過敏原的高分辨率圖譜。結果表明在各種印度尼西亞花生中Ara h 1水平的下降與Ara h 2 的豐度降低有關，用單克隆抗體和過敏患者血清的Western blotting 得到相同結果[10]。

Kottapalli K R 等用雙向電泳和nESI-LC-MS/MS方法研究了從NewMexico Valencia C（NM Valencia C），Tamspan 90，Georgia Green，及NC-7 這4 個花生品種的成熟種子中分離的總種子蛋白。先用硝酸銀染色的雙向電泳得出4種花生中分別有457、516、556、530 個蛋白斑點，用nESI-LC-MS/MS 分析20種顯示出相對豐度差別的大量蛋白斑點，鑒別出14種非冗余蛋白。這些蛋白中的大部分屬于由花生球蛋白和伴花生球蛋白種子貯存蛋白以及其他過敏原蛋白組成的球蛋白。一些確定的蛋白斑點的表達具有品種特定性，例如，過敏原Ara h 3/Ara h 4 和伴花生球蛋白斑點只在Tamspan 90 和NC-7 中檢測到，而Gly1 蛋白斑點只在New Mexico Valencia C 和NC-7 中檢測到。表明可以利用2-DE 和nESI-LC-MS/MS 檢測特定花生過敏原的存在[11]。White B L 等用nanoLC-MS/MS 測序對花生種皮蛋白質組分析，來研究蛋白質組成和潛在過敏性。在去皮的種子和種皮中總共有123 個蛋白質被鑒定，其中83 個是兩個部分都存在的。除了38 個在種子中不存在的蛋白，種皮中含有所有已知的花生過敏原[12]。

Hebling C M 等使用使用凝膠洗脫液相組分截留電泳技術（gel-eluted liquid fraction entrapment electrophoresis，GELFREE）根據蛋白質分子量的不同，對完整蛋白質進行分組，并結合LC-MS/MS 平臺對原料花生進行球蛋白組表征。這種方法提高了獨特肽標識的數量，提供蛋白異構體的直觀圖[13]。

2.2 質譜方法作為過敏原檢測方法

目前過敏原的檢測方法有很多。最常用的過敏原檢測方法是實時熒光PCR 的檢測方法，以過敏原物質的DNA 為檢測目標，通過分析確定DNA 序列上一段核苷酸片段作為過敏原的檢測標志[14]。盡管實時熒光PCR 方法通過NCBI 檢索能夠很好地保證結果的準確性，可是由于實時熒光PCR 方法的檢測目標是DNA，而引起過敏反應的通常是蛋白質，在檢測中即便是檢測到樣品中含有過敏原的DNA，但并不代表該樣品中含有過敏原的蛋白質。

以蛋白質為檢測目標的方法有酶聯免疫（ELISA）和試紙條方法，這些方法主要是基于抗原抗體的特異性反應。酶聯免疫檢測方法是半定量檢測方法，其檢測限（LOD）通常在。ELISA 檢測方法的局限在于與抗體結合的抗原決定簇通常研究不深入，而且有一部分是蛋白質空間構象，因此熱加工和機械加工均有可能影響抗原決定簇，從而會導致ELISA 檢測過程中出現假陰性的結果。質譜技術可以是DNA 檢測方法和酶聯免疫方法的有益補充。

由于蛋白質或肽段的離子化效率受很多的物理化學因素（如分子的大小，電荷數量，極性等）的影響，因此，采用MS 技術定量需要對應的標準品作為參照物質。依據top-down 策略，完整蛋白的直接定量是將帶多電荷離子的信號強度與內源或者外源的標準相比。然而，top-down 質譜方法的靈敏度往往因為蛋白質帶電量不同而受限。因此bottom-up 策略即鳥槍方法更多地應用于過敏原質譜的檢測和定量。蛋白質組學中定量分析越來越多地應用bottom-up 的方法。定量分析方法如DILAC，ICAT，ITRAQ 或者非標記方法能夠用于復雜樣品中整個蛋白質的分析[15-16]。然而上述策略適合于目標分析物是差異表達蛋白質。

串接質譜的SRM 檢測方式目前為復雜樣品中目標蛋白準確定量最好的方法[17]。SRM 在蛋白質組學中的應用更多地依賴于穩定的isotopedilution（SID）方法[18]，實際SRM 和SID 不是新技術，早在70年代晚期就已經在小分子的定量分析中使用。與蛋白質組學結合后，得到越來越多的應用，因此可以認為是絕對定量的“金標”。這種對目標前體離子與對應產物離子的監測，避免了“蛋白水解肽段”方法大量的主要成分的干擾，使定量的重現性得以提高。基于質譜的絕對定量方法需要用到內源參考肽段。比如：用LC-MS/MSSRM 檢測食品中花生的Ara h 2 和Ara h 3/4 蛋白質時，選用亮氨酸-腦啡肽作為內源[19]。張偉等確定酪蛋白的3 個不同亞型的特征肽段分別為：β 酪蛋白的特征性肽段為：AVPYPQR 和VLPVPQK，αs1 酪蛋白的特征肽段為YLGYLEQLLR 和FFVAPFPEVFGK，αs2 酪蛋白的特征性肽段為：ALNEINQFYQK 和FALPQYLK[20]。

Parisa Ansari 等Lock Stephen J.等通過提取榛子蛋白Cor a 8、Cor a 9、Cor a 11，選定榛子特有的肽段[21-22]。Chassaigne H 等開發了毛細管液相色譜（capillary LC）與納升電噴霧四極桿飛行時間串聯質譜（nano-ESI QTOF MS/MS）結合的方法，來確定那些可以作為花生過敏原標記的肽，著重確定主要花生過敏原Arah1，Ara h 2，和Ara h 3。所得的分析數據與de novo 測序組合，進行數據庫搜索，并用于以上3種花生過敏原的大量序列標簽的鑒定。通過分析花生原料和烤花生，可以鑒定作為特定過敏原蛋白標記的5種花生特定序列標簽。對Arah1，發現兩個標記肽鏈，即VLEENAGGEQEER（m/z 786.88，charge 2+）和DLAFPGSGEQVEK （m/z 688.85，charge 2+）；對Ara h 2，發現一個滿足所需條件，為RQQWELQGDR（m/z 439.23，charge 3+）；對Ara h 3，特異性的肽鏈是SPDIYNPQAGSLK （m/z 695.35，charge 2+）和SQSENFEYVAFK（m/z 724.84，charge 2+）。其他的肽鏈已經被提出作為食品加工的標記[23-25]。

質譜方法在開發成為過敏原檢測方法過程中需要考核質譜方法在不同的食品基質中的基質效應，回收率，檢測低限，定量限等指標。紅葡萄酒在澄清過程中需要加入酪蛋白作為澄清劑，紅葡萄酒含有大量的丹寧等鞣質，傳統蛋白質提取方法（超濾、透析、有機溶劑沉淀等）用于葡萄酒時回收率只有20%～30%，而十二烷基硫酸鉀（KDS）法、聚乙烯基吡咯烷酮（PVP）法提取后蛋白仍需要去除丹寧和兩性解電質，工作量大，分析通量低，蛋白質的回收率很低[26-28]。交聯聚乙烯基吡咯烷酮（PVPP）能夠有效去除丹寧，結果表明用液相色譜-串聯質譜分析酪蛋白的回收率提高到80%以上，檢出限達10 μg/L。冰激淋中往往會添加花生作為風味物質。含有各級別花生蛋白的冰淇淋樣品可用50 kDa 的超濾膜可有效提高Ara h 1 回收率，低至10 mg/kg 的Ara h 1 可被反相液相色譜串聯質譜（RPLC/MS/MS）法常規檢測[23-24]。類似的方法應用于黑巧克力作為模型食品基質的花生過敏原研究，預提取消化（20 mg/kg）比后提取消化（50 mg/kg）顯示出更好的檢出限。通過三重四級桿和多反應監測模式（MRM）可將檢出限進一步減少到10 mg/kg。提取技術的改善結合提取的巧克力的數量增加（1 g），可將檢出限提高到2 mg/kg 花生蛋白[29]。大米脆皮和巧克力相關小吃作為模型食品基質，開發了基于過敏原蛋白生物標志物肽段的液相色譜電噴霧串聯質譜（LC-ESIMS-MS）檢測方法來確定并定量食品中的花生過敏原。結果表明此方法對Ara h 2 和Ara h 3/4 有良好的檢出限，分別是5 μg/g 和1 μg/g，此類食品中花生蛋白線性在10 μg/g ～200 μg/g 范圍。通過分析樹木果仁（杏仁、山核桃、榛子、核桃）和食品成分如牛奶、大豆、巧克力、玉米片、米制脆皮，證明了這項方法的選擇性[30]。Careri M 等開發了從早餐谷物中分離痕量花生過敏原Ara h 3/4 的選擇性免疫磁珠提取步驟，并結合了微波輔助蛋白質提取和LC-ESI-IT-MS/MS 的方法。通過蛋白A 包被磁珠輔助，抗Ara h 3/4 單克隆抗體作為篩選捕獲分子。LC-ESI-IT-MS/MS 得到的檢測限為3 mg/kg，另外，明顯的抑制基質效應表明抗體包被磁珠能對早餐麥片中的Ara h 3/4 蛋白進行有效的選擇性捕捉[31]。

Bignardi C 等在利用液相色譜電噴霧線性離子阱串聯質譜（LC-ESI-LIT-MS/MS）檢測麥片和餅干中花生及其他堅果類過敏原。此方法可對麥片和餅干中5種堅果過敏原（Ana o 2，腰果；Cor a 9，榛子；Pru 1，扁桃仁；Ara h 3/4，花生；Jug r 4，胡桃）同時分析。在此過程中，從峰值形狀、分離度、分析時間和選擇性幾方面比較填C18 充柱和硅整體柱的性能。C18 填充柱表現出更高的性能，得到基質良好匹配標定曲線，檢測極限在14 mg/kg ～55 mg/kg 范圍。回收率在（76±4）%到（94±3）%范圍內，RSD ＜15%[32]。

對花生或者含有花生的食品進行熱加工（例如烘焙）會引起復雜的化學反應，從而改變花生蛋白的結構構象，阻礙利用免疫化學的方法對過敏原的精確檢測，但對質譜方法檢測過敏原沒有影響。Hebling C M等改變了傳統的花生蛋白提取方法，包括蛋白變性劑和增溶劑。通過SDS-PAGE 和Western blot 對原料及烘焙花生提取物進行定量表征分析，確定總蛋白回收率有所提高，并為Ara h 1，Ara h 3 的結合提供了證據，較輕程度的Ara h 2 在烘焙后形成高摩爾分子量的蛋白復合物。用HPLC-MS/MS 對花生裂解物中的過敏原相對定量，將原料和烘焙花生對MS 有差別反應的過敏原肽段作為熱變性的候選目標[33]。用HPLC-MS/MS 鑒定賴氨酸修飾的美拉德糖基化終末產物，確定了在烘焙花生品種中羧甲基賴氨酸（CML）、羧乙基賴氨酸（CEL）和pyrraline（Pyr）對Ara h 1 及Ara h 3 胰蛋白酶消化肽段的蛋白質修飾[34]。

此外，CareriM 等基于ICP-MS，通過使用銪標記的抗體，檢測低量的花生（低至接近2 mg 花生/千克谷物基質）。富含蛋白的原料缺少可檢測的交叉反應，證明了選擇性[35]。CareriM 等選取巧克力大米脆皮點心作為食品基質，比較銪標記ICP-MS 免疫法與LC/ESI-MS/MS 在花生過敏原檢測方面的性能。ICP-MS 檢測Ara h 2 和Ara h 3/4，檢測限分別為2.2 μg/g 和5 μg/g，回收率范圍是（86±18）%到（110±4）%，線性范圍是5 μg/g～50 μg/g。LC/MS/MS 方法得到Ara h 3/4 和Ara h 2 的檢出限分別是1 μg/g 和5 μg/g，表現明顯的高值，得到線性范圍為10 μg/g～200 μg/g，RSD ＜10%表明良好的精度[36]。

3 結語

食品過敏在兒童和成人間日益流行，但沒有措施應對，避免接觸是主要的治療模式，因此，研究人員必須克服障礙，處理復雜食品基質并快速準確確定過敏原的存在。質譜新技術的發展使得十年前十分復雜的生物樣品分析能在十幾分鐘得以完成，生物大分子研究的需要一直是質譜新技術和新儀器發展的動力之一。作為定性和定量的有力分析工具，質譜技術在過敏原的研究中具有廣闊的應用前景。

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