生物医学探测技术的昨天和今天

1生物医学探测技术的昨天和今天

随着科学技术的不断发展，新的、准确的探测手段不断涌现。20世纪生命科学得到惊人的发展，是与先进的分析技术和优越的探测手段分不开的。早在20世纪20年代就开创了微量分析技术，促进了生物微量元素及辅酶的发现。20世纪30年代电子显微镜技术使人们对生物的观察由宏观世界进入微观世界。电子显微镜技术是继光学显微镜技术之后发展起来的。由于光学显微镜的分辨本领只能达到照明波长的2/3，远不能满足科学家们对观察超微结构的要求。1932年，德国科学家鲁斯卡（Ruska）和克诺尔（Knoll）研制成功第一台电子显微镜，经过50多年的发展，目前电子显微镜的分辨能力已达到0.2～0.3纳米（1纳米=10⁹米），可以直接观察原子。无论是透射电镜或扫描电镜，在许多科学领域都已被广泛使用。1982年，美国科学家格尔德等发明了扫描隧道显微镜，它的分辨率更高，可以直接观测单个的原子，它既可以在超真空中工作，也可以在大气或液态条件下工作，在生命科学领域有极大的应用潜力。电镜技术的迅速发展和应用，促使生物学研究从细胞水平进入分子水平，已成为现代医学研究工作中的重要手段。

20世纪40年代，层析、电泳技术的兴起，极大地推进了蛋白质、核酸的分离和检测。层析技术是一种古老的物质分离方法，它采用纸上层析和玻板层析的简单分离形式，其被分离的物质不理想。20世纪40年代后，层析技术得到了长足的发展，现代层析技术有连续层析、梯度层析、离子交换层析、亲和层析和高效薄层层析等，除分离形式的改变外，还出现了各种选择性载体。当今生物科学的奋进，技术手段的更新，层析技术已全面成为生物和分子生物学研究中不可缺少的一门实用性测试技术。

除了层析技术外，电泳技术也是物质的分离、纯化、提取和鉴定中一项重要的测试技术。早在100多年以前就发现了电泳现象，但由于当时生物学各分支学科的发展不协调，这一技术未被重视，直到1939年和1948年提塞尼尔斯（Tiselius）和韦兰姆德（Wielamd）等人，先后对电泳技术加以改进，将人血清分出5种蛋白质成分，这一技术才被受到应有的重视。近50年来，随着生物学的飞速发展，电泳技术的发展也相当迅速，不论是被测物的分离能力还是对仪器的研制改进，都取得了很大的进展。

20世纪50年代免疫学的飞速发展，大量新技术不断涌现，如酶联免疫吸附技术、免疫荧光技术、放射免疫技术、单克隆抗体技术以及生物素—抗生物素系统等。这些技术的建立和推广大大推动了生物医学的发展。

20世纪60年代微生物遗传学的新发展，大大丰富了细胞遗传学的内容，与此同时发展的同位素示踪技术和20世纪70年代体外DNA重组技术的应用，对于探测生物体内部结构起了重要的作用。用常规的方法来研究生物体的内部结构和新陈代谢，生物化学家们的处境一直像是在从房子的外面往里面看那样，他们只能弄清楚活体内新陈代谢的最终结果，他们要弄清楚在活的生物体内正在进行什么，就需要一种示踪方法，来追踪体内发生的各种事件，追踪各种特定物质的去向。事实上，这种技术在20世纪早期就已发明了，可是化学家们没有及时地把它充分利用起来。头一个沿着这个途径前进的是德国生物化学家努普。1904年，他产生了一个想法，想用作了标记的脂肪喂狗，看看脂肪分子在体内能发生什么变化，他在脂肪分子的另一端连上个苯环作标记。他之所以用苯环是因为动物体内没有能分解苯环的酶。努普预料，出现在尿中的苯环所携带的东西，能够说明脂肪在体内是怎样分解的。他的想法是对的，排出的苯环总是带着一个双碳的侧链。他根据这一点推断，在体内，脂肪分子一定是每次断裂两个碳原子，在40年以后，用其他更准确的实验证实了他的这个推断。努普在生物化学中应用了第一种“示踪物质”。1913年，匈牙利化学家赫维西和他的同事德国化学家帕内斯（Fridrich Adolf Paneth）想到可以用另一个方法来标记分子：利用放射性同位素。开始时他们利用放射性铅。他们的头一个生物化学实验是测量一种植物能吸收多少铅盐溶液。吸收的量确实是太少了，用当时已有的任何一种化学方法都测不出来。赫维西和帕内斯把标记的放射性铅盐溶液施给植物，并定期烧掉一棵植物，测定灰烬里的放射性。用这种办法，他们成功地确定了植物细胞吸收铅的速度。

但是，作标记用的苯环和铅都是极端“非生理性”的物质。它们很容易打乱活细胞的正常化学过程。如果利用那些真正参与体内一般代谢的原子——像氧、氮、碳、氢、磷这类原子来作为标记，那就会好得多。

当约里奥（Joliot）和居里（Curie）夫妇在1934年发现了人工放射性时，赫维西马上就沿着这个方向开始利用含有放射性的磷酸盐。他利用这种盐测定了植物对磷酸盐的吸收。可惜，活组织中某些关键性元素的放射性同位素（特别是氮和氧）不能应用，因为它们非常短命，半衰期顶多只有几分钟。但是，大多数重要的元素都有可以用做标记的稳定同位素。这些同位素是¹³C、¹⁵N、¹⁸O和²H。它们平常的含量非常少（约10%或更少）；因而，通过把天然氢“浓缩”，也就是增加²H的含量，就可用它作为提供给身体的含氢分子中的标记物。任何一种化合物中所含有的重氢，都能够用质谱仪探测出来，因为它重得多。这样，就可以追踪带有标记的氢在身体内部的遭遇了。

事实上，氢是第一种得到使用的生理示踪物质。1931年，尤里分离出²H（氘）的时候，就有可能用它来示踪了。利用氘作为示踪物质最早弄清楚的大事之一，是体内的氢原子并不像以前所想象的那样固定在它的化合物上。人们发现，它们总是来回地从一种化合物跑到另一种化合物上，在糖分子和水分子等的氧原子上换来换去。因为一个普通的氢原子是无法和另一个区分的，所以，这种来回交换的情况，要是没有氘原子来暴露它，是无法发现的。这个发现表明，氢原子是在整个身体内跳来跳去的。如果有氘附着在氧上，那么，不管这种化合物是否参与所有的化学变化，氘原子都要散布到全身。所以，研究者就必须查明，某一种化合物中的氘原子到底是通过某个由酶催化的反应跑到那里去的，还是由于来回移动或变换位置的过程跑去的。幸亏附着在碳上的氢原子并不交换，所以在碳链上找到的氘从代谢的角度看是有意义的。

1937年，当德国出生的美国化学家桑恩海默（Rudolf Schoenheimer）和他的同事开始利用¹⁵N的时候，就更进一步证明了原子具有转来转去的习性了。他们用¹⁵N标记的氨基酸喂养大鼠，按一定的时间杀死大鼠，然后分析组织里哪些化合物带有¹⁵N。在这里，他们又一次发现交换起着重要的作用。在一种带有标记的氨基酸进入体内以后，几乎所有的氨基酸都很快带有¹⁵N。1942年，桑恩海默出版了一本书，名叫《动态的身体成分》，这个书名表明了同位素示踪物质给生物化学带来的新面貌。除了真正的化学变化以外，在原子之间还在不断进行着无休止的交换。

利用了示踪物质，代谢途径的细节就一点一点地描绘出来了。它使人们确定了糖的分解、柠檬酸循环和尿素循环等过程的图式，找出了新的中间产物，弄清了其他的反应途径，等等。

由于有了核反应堆，在第二次世界大战以后有了数量够用的一百多种不同的放射性同位素，于是，示踪研究就加快了。把普通的化合物放在反应堆里用中子轰击，取出后就带有放射性同位素。在美国（也可以说几乎是全世界），几乎每一个生物化学实验室都已开始用放射性示踪物质从事研究了。

除了稳定的示踪物质以外，目前还用放射性氢（氘）、放射性磷（³²P）、放射性硫（³⁵S）、放射性钾（⁴²K）、放射性钠、放射性碘、放射性铁、放射性铜和放射性碳（¹⁴C）进行研究，其中以¹⁴C最为重要。¹⁴C是美国化学家卡门（Martin David Kamen）和鲁宾（Samuel Ruben）在1940年发现的。他们惊奇地发现，它的半衰期比5 000年还长。人们从来没想到一个轻元素的放射性同位素会有这么长的半衰期。

¹⁴C解决了化学家们多年不能解决而且似乎根本无法解决的一些问题。它开始解答的一个难题就是“胆固醇”这种物质的产生。韦兰（他由于研究与胆固醇有关的化合物，而获得了1927年的诺贝尔化学奖）等人经过数年的苦心研究，终于弄清了胆固醇的分子式。

胆固醇在体内的作用虽然还不完全清楚，可是胆固醇显然是非常重要的。在神经周围的脂肪鞘里，在肾上腺里，以及在某些与蛋白质结合的物质里，都发现有大量的胆固醇。过量的胆固醇能引起胆结石和动脉粥样硬化。最有意义的是，胆固醇是所有的“类固醇”族的原坯。类固醇的核心就是四环结合物。类固醇是一族固态的脂肪样物质，其中包括性激素和肾上腺皮质激素。它们无疑都是由胆固醇形成的。可是，胆固醇本身又是怎样在体内合成的呢？

关于这个问题，在得到示踪物质的帮助以前，生物化学家们连个模糊的概念也没有。第一次用示踪物质研究这个问题的是桑恩海默和他的同事里顿伯格（David Rittenberg）。他们让大鼠喝重水，并发现胆固醇分子里有氘。这个情况的本身并不太重要，因为氘可能是通过交换跑到那里去的。可是1942年（在桑恩海默悲惨地自杀以后），里顿伯格和另一个同事、德国血统的美国生物化学家布洛赫（Konard EmilBloch）发现了一种更为确切的线索。他们用CH₃基里有示踪氘原子附在碳原子上的醋酸离子（一个简单的二碳基团，即CH₃COO—）喂大鼠，发现在胆固醇分子上又出现了氘。这一次，它就不可能是通过交换来的了，它必然是作为CH₃基的一部分结合到分子中去的。

二碳基团（醋酸离子就是其中的一种）看来是代谢作用的一个总交叉路口。因此，这种基团很可能被用作组成胆固醇的原料库。可是，它们是怎样形成胆固醇分子的？

1950年，在开始有¹⁴C可以利用的时候，布洛赫重复了这个实验。这次他把醋酸离子的两个碳都作了标记，每个碳用不同的标记。他用稳定的示踪原子¹³C把CH₃的碳标记出来，而—COO基的碳则用放射性同位素¹⁴C来标记。然后，他用这种化合物喂养大鼠，再分析它的胆固醇，看看这两个标记的碳出现在胆固醇分子的什么地方。要进行这种分析，必须有精湛的化学技巧。布洛赫和许多其他实验者为此工作了好几年，一个又一个地鉴定胆固醇中各个碳原子的来源，他们最后得到的图式表明，醋酸基团可能先形成一种叫做“角鲨烯”的物质，它是体内很稀少的一种化合物，有30个碳，以前从来也没有人想到要特别注意这个化合物。但到了这时，看起来它好像是通往胆固醇的路途上的一个中途站，因此，生物化学家们都满怀兴趣，开始研究起角鲨烯来。布洛赫和吕南由于这项工作而分享了1964年的诺贝尔生理学与医学奖。

20世纪80年代以来，光谱、色谱、激光、基因探针、磁共振、彩色B超、计算机断层扫描等新技术的迅猛发展，使生命科学的各个领域繁花似锦，这一切有力地说明了先进技术的推广与应用是科学技术向纵深发展的重要条件。上面所介绍的各种探测技术虽然为科学事业的发展立下了赫赫战功，但是它们仍然还存在这样或那样的缺点和不足，如有些技术只适宜离体测量，即必须从生物体内采集样品然后进行测量。这种方法由于样本脱离了生物体的内环境，因此所获得的信息往往不能代表活体内的真实情况；有些方法操作非常繁琐，既不能快速、准确地获取信息，又加大了实验的工作量和工作难度；还有些方法虽然可以进行在体探测，但仪器十分昂贵，探测的运转费用高，因而难于推广和普及。20世纪80年代起，国内外开始了一种新的探测技术——生物医学传感技术的研究。生物医学传感技术是一项知识密集、涉及多学科的综合性技术，它兼具有其他方法的优点，如可进行生物医学探测，仪器结构简单，操作方便，可加工成微型和超微型装置，既可进行个体水平的探测，又可进行细胞水平，即在不破坏细胞的条件下进入单个细胞内，对活细胞进行动态、实时传感。生物医学传感技术被誉为“科学之眼”，是探测微观世界奥妙的强有力武器，下面就这一技术作一介绍。