化学发光免疫分析技术-引领体外诊断行业

病理医师

体外诊断（ IVD， In Vitro Diagnosis）是指在人体之外，通过对人体样本(血液、体液、组织液等)进行检测而**临床诊断信息，进而判断疾病或机体功能的产品和服务。

根据检测原理和检测方法的分类，体外诊断主要可分为生化诊断、免疫诊断、分子诊断、即时诊断、微生物诊断、尿液诊断、凝血类诊断、血液诊断等诊断方法，其中免疫诊断是体外诊断的重要分支。

免疫诊断是基于抗原与抗体特异性结合的原理，主要应用于肝炎、病毒、血源、肿瘤、药物检测等。免疫诊断技术的发展经历了同位素放射免疫（RIA）、胶体金、酶联免疫（ELISA）、时间分辨荧光（TRFIA）、化学发光（CLIA）等。

目前我国免疫诊断技术的主流是酶联免疫和化学发光，由于化学发光较酶联免疫更为灵敏、快速、稳定、特异性强、重现性好，所以化学发光市场规模每年在不断扩大，化学发光取代酶联免疫是一个大趋势。

化学发光免疫分析技术包含免疫反应和化学发光两部分。首先将发光物质或酶标记在抗原或抗体上，抗原或抗体与待检测物质特异性结合后，加入氧化剂或化学发光底物，经氧化或与底物产生反应后，化学发光物质会形成一个处于激发态的中间体，中间体回到基态会发射光子释放能量。由于化学检测体系中待测物浓度与体系的化学发光强度在一定条件下呈线性定量关系的原理，利用仪器对体系化学发光强度的检测，可以确定待测物含量。

化学发光免疫分析技术根据化学发光所用的标记物和发光原理的不同可分为三类：直接化学发光免疫分析（CLIA）、酶促化学发光免疫分析（CLEIA）和电化学发光免疫分析（ECLIA）。

直接化学发光免疫分析

直接化学发光免疫分析（CLIA）是将化学发光剂如吖啶酯类化合物，直接标记在抗原上或抗体上。这种标记物的化学反应简单、快速、无须催化剂，且标记效率高，本底低。一般常用的化学发光物质主要是通过启动发光试剂NaOH+H2O2作用而发光，其发光非常迅速。其中小分子物质的检测多采用竞争法，大分子物质的检测主要用夹心法。



酶促化学发光免疫分析

酶促化学发光免疫分析（CLEAIA）是用参与催化某一化学发光反应的酶来标记抗原或抗体，与待测样本中相应的抗体或抗原发生免疫反应后，形成固相包被抗体—待测抗原—酶标记抗体复合物后，经洗涤，加入底物（发光剂），酶催化和分解底物发光。目前常用的标记酶有碱性磷酸酶（ALP）和赖根过氧化物酶（HRP）。

ALP和1,2-二氧环己烷衍生物（AMPPD）构成的发光体系是目前较灵敏的化学发光体系，其特点是反应速度快，在很短时间内提供可靠的结果。AMPPD的分子结构中有两个重要部分，一个是联接苯环和金刚烷的二氧四节环，它可以断裂并发射光子；另一个是磷酸根基团，它维持着整个分子结构的稳定。而HRP和鲁米诺构成的发光体系存在发光强度低、不易测量等缺点，通过加入增强发光剂后，增强发光信号，并在较长时间内保持稳定，便于重复测量，从而提高分析灵敏度和准确性。



电化学发光免疫分析

不同于直接化学免疫发光免疫分析和酶促化学发光免疫分析，电化学发光免疫分析（ECLIA）是以电化学发光剂三联吡啶钌（［Rb（bpy）3］2＋）标记抗原或抗体，以三丙胺（tripropylamine，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。





资料来源：《化学发光免疫分析研究进展》

化学发光免疫分析技术的优势

1）灵敏度高：灵敏度高是化学发光免疫分析关键的优越性。化学发光免疫分析能够检出放射性免疫分析和酶联免疫分析等方法无法检出的物质，对疾病的早期诊断具有十分重要的意义。


2）宽的线性动力学范围：发光强度在4-6个量级之间，与测定物质浓度间呈线性关系。这与显色酶联免疫分析吸光度（OD 值）2.0 的范围相比，优势明显。虽然同位素放射免疫也有较宽的线性动力学范围，但是放射性限制其应用。

3）光信号持续时间长：化学发光免疫分析的光信号持续时间可达数小时甚至一天，简化了实验操作及测量。

4）分析方法简便快速：绝大多数分析测定仅需加入一种试剂（或符合制剂）的一步模式。

5）结果稳定、误差小：样本本身发光，不需要额外光源，避免了外来因素的干扰（光源稳定性、光散射、光波选择器），分析结果稳定可靠。

6）安全性好及使用期长：到目前为止还未发现化学发光免疫分析试剂的危害性；另外这些试剂稳定，保存期可达一年之久。

化学发光免疫分析技术的市场情况

根据Kalorama Information的市场数据，2010-2015年期间，酶联免疫的复合增长率为-5%，化学发光复合增长率为28%。在欧美发达国家的免疫诊断市场，酶联免疫法已基本被淘汰，占免疫诊断市场比例不到5%，化学发光免疫诊断已成为主流，其中以罗氏、雅培、贝克曼、拜尔、索灵和西门子的产品为主，占据了市场近70%的份额。




资料来源：WHO


我国化学发光免疫分析技术起步较晚，但近几年发展迅速。目前在我国大多数三甲医院中，化学发光法免疫分析已成为免疫诊断的主流，但是在大量的基层医院中酶联免疫法仍然占据主导地位，总体上仍约占免疫诊断领域40%的市场份额。近年来，随着国内企业技术进步和化学发光生产规模扩大，化学发光免疫分析呈现出逐步取代酶联免疫分析的趋势，目前国内免疫诊断领域中化学发光的市场份额已超过50%。未来化学免疫分析技术将持续逐步取代酶联免疫。

化学发光诊断产品一般是试剂和仪器一体化的封闭系统，技术壁垒和研发难度较高，国内该领域的技术发展相对较慢，所以国内自主产品较少，基本以进口产品为主，罗氏、雅培、贝克曼、拜耳、西门子等外企占国内市场份额达到70%左右。但是目前国内的企业也在迅速崛起，在国内上市公司中已经推出化学发光免疫分析仪和配套试剂盒的公司有迈克生物、深圳迈瑞、深圳新产业和郑州安图，同时利德曼、科华生物等上市公司也在研发该类产品，非上市公司有石家庄康普生、北京科美等。

常见的化学发光免疫分析仪器技术参数



化学发光免疫分析技术的临床应用



化学发光免疫分析具有灵敏度高、操作简单等诸多优点，是目前临床诊断中常用的方法，特别在癌症筛查和诊断中起了非常重要的作用。其中对肿瘤标志物的检测在肿瘤的早期发现、病情的发展、治疗后的评价、监测复发和转移等方面都具有一定的应用价值。目前通过化学发光免疫分析检测的相关肿瘤标志物有甲胎蛋白（AFP），癌胚抗原（CEA），糖类抗原（CA125、CA153、CA199），磷脂酰肌醇蛋白聚糖（GPC3），前列腺特异抗原（PSA），鳞状细胞癌抗原（SCC），Y-盒结合蛋白1（YB-1），P53蛋白等。

化学发光免疫分析除了应用于肿瘤标志物检测外，还被广泛用于糖尿病、高血压、心脏病、传染病、过敏性疾病等的检测和评价。



化学发光免疫分析的发展方向

近年来，随着化学发光免疫分析技术在各个方面的不断改进，化学发光免疫分析呈现出高灵敏度、多项目联合检测和自动化的特点。



高灵敏度检测

为了提高化学发光免疫分析的灵敏度主要通过：

1）降低信号噪音，减少非特异性反应信号和信号干扰；
2）增强光信号，提高信噪比和稳定性。

化学发光免疫分析系统的信号噪音和信号干扰的因素主要是发光体系缺陷和原料试剂的影响。为改善发光体系缺陷，通过研发新的发光剂、增强剂、发光体系以及对反应时间、孵育时间、缓冲液的选择和标记抗体浓度等方面进行优化，都是减少信号噪音干扰的影响因素。如在反应体系中，抗原-抗体免疫复合物的分离往往比较复杂，这也是信噪比低的原因，因此引入磁性微粒子作为免疫反应与分离的固相载体就能有效解决此问题。磁性微粒子主要用于与抗体相连，通过免疫反应使其能够捕获待测物形成免疫复合物，在外加磁场的作用下，免疫复合物被滞留下来，实现了分离，从而清除了样品中基质的干扰，降低了背景值。另外在原料试剂中基因工程抗原对检测的特异性和灵敏度有很大影响，因此筛选优化获得高特异性和高灵敏度的抗原是至关重要的步骤。

除了减少信号噪音和干扰外，如何增强发光信号提高稳定性一直是化学发光研究的重点。新型纳米材料如纳米金、碳纳米管CNT、碳纳米球CNSs、碳纳米纤维以及量子点等联用到CLIA中，大大提高了CLIA的信号强度和稳定性；在电化学反应免疫分析中改善电极表面的修饰能增强发光信号。

多项目联合检测

在实际样品检测中，经常涉及到复杂体系多组分的测定。多组分同时检测具有分析通量高、样品消耗少、所需时间短、检测成本低等优点，已成为近年来的研究热点。目前，利用CLIA进行多组份同时检测已有很多报道，主要有通过结合微流控芯片、免疫层析以及流动注射等技术手段达到多组分同时检测的目的，这也拓宽了化学发光免疫分析的应用范围。

全自动化检测

传统的免疫分析由于免疫物质的混合反应效率低，检测分析的流程冗长，操作繁琐，因而耗时较多。为实现快速检测，需加速热力和免疫动力学反应，提高自动化水平，联用其他技术减少操作节约时间。



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