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      農(nóng)藥危害風(fēng)險(xiǎn)及其殘留檢測用廣譜特異性抗體研究進(jìn)展

      2019-09-10 01:52:06徐重新劉敏張霄劉媛張存政劉賢金
      關(guān)鍵詞:農(nóng)藥殘留檢測方法農(nóng)產(chǎn)品

      徐重新 劉敏 張霄 劉媛 張存政 劉賢金

      摘要:農(nóng)藥殘留是威脅農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全的關(guān)鍵危害因素之一,是農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全監(jiān)管工作的重要對象。當(dāng)前已被開發(fā)和投入使用的農(nóng)藥種類紛繁復(fù)雜,農(nóng)藥殘留檢測工作任務(wù)多、責(zé)任大,因此建立一套可用于農(nóng)藥殘留檢測用的免疫學(xué)快速檢測方法一直是廣大科研工作者努力探索的目標(biāo)。本文分門別類梳理農(nóng)產(chǎn)品中主要農(nóng)藥殘留及其危害,探討國內(nèi)外抗體創(chuàng)制領(lǐng)域最新熱點(diǎn)技術(shù),并就農(nóng)藥殘留檢測用廣譜特異性抗體研發(fā)和應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行概述及展望,旨在為指導(dǎo)農(nóng)藥殘留快速檢測技術(shù)的研發(fā)提供參考。

      關(guān)鍵詞:農(nóng)產(chǎn)品;農(nóng)藥殘留;廣譜特異性抗體;檢測方法

      中圖分類號:TS207.5*3

      文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

      文章編號:1000-4440(2019)02-0489-08

      農(nóng)藥作為當(dāng)今世界農(nóng)業(yè)生產(chǎn)不可或缺的重要生產(chǎn)資料,主要用于防控病蟲害、雜草及鼠類等,有效保障了農(nóng)作物的產(chǎn)量和質(zhì)量,帶來了巨大的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益”。同時(shí),也因?yàn)檗r(nóng)藥在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中的大量使用,其在農(nóng)產(chǎn)品、水及土壤環(huán)境中的殘留,給生態(tài)環(huán)境造成了巨大的負(fù)面影響,嚴(yán)重威脅人及動(dòng)物健康[23]。近年來農(nóng)藥引發(fā)的影響較大的農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全事件也時(shí)有發(fā)生,如2010年海南“毒豇豆”事件、2013年山東濰坊“毒生姜”事件等,導(dǎo)致多名消費(fèi)者中毒,影響較大,嚴(yán)重挫傷廣大消費(fèi)者對中國農(nóng)產(chǎn)品的消費(fèi)信心[4]。農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)供過程的用藥安全關(guān)系到廣大老百姓的日常生活,是關(guān)乎國計(jì)民生的大事,黨中央和國務(wù)院各有關(guān)職能部門高度重視。習(xí)總書記2013年在中央農(nóng)村工作會(huì)議上就提出農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全是“產(chǎn)出來”與“管出來”的重要論斷,要求以“四個(gè)最嚴(yán)”確保廣大老百姓“舌尖上的安全”;2016年12月原國家衛(wèi)計(jì)委、農(nóng)業(yè)部和食藥總局聯(lián)合發(fā)布了食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)《食品中農(nóng)藥殘留最大限量》(GB2763-2016),規(guī)定了中國食品中433種農(nóng)藥4140項(xiàng)最大殘留限量指標(biāo),配套的檢測方法接近1000個(gè);與此同時(shí),新修訂的《食品質(zhì)量安全法》和《農(nóng)藥管理?xiàng)l例》已分別在2015年10月1日和2017年6月1日正式頒布實(shí)施,《農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全法》也在著手修訂當(dāng)中[5]。農(nóng)藥殘留監(jiān)測作為農(nóng)產(chǎn)品準(zhǔn)入市場前的最后一道工序,是保障農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全的最后一道防線。當(dāng)前農(nóng)藥殘留檢測分析方法主要分為高精度的儀器分析法[氣相色譜法(GC)、液相色譜法(HPLC)、氣相/液相色譜串聯(lián)質(zhì)譜法(GC/HPLC-MS)]和快速檢測法(免疫分析法、酶抑制法、生物傳感器法、活體檢測法和液體工作站檢測法等)[6]。眾多方法中,基于“抗原-抗體”結(jié)合原理的免疫學(xué)檢測方法因其具有操作簡單、特異性強(qiáng)、靈敏度高、方便快捷、分析容量大等特點(diǎn),適用于現(xiàn)場樣品分析和大容量樣品檢測,是農(nóng)藥殘留檢測的研究熱點(diǎn)刀。同時(shí),很多類型的農(nóng)藥都具有通用結(jié)構(gòu)或共性區(qū)域等特點(diǎn)[8],這也為農(nóng)藥檢測用廣譜特異性抗體提供了依據(jù)和可能,本文著重就廣譜檢測用抗體在農(nóng)藥殘留檢測上的研究及應(yīng)用狀況進(jìn)行概述。

      1 當(dāng)前農(nóng)藥使用狀況及其主要?dú)埩麸L(fēng)險(xiǎn)

      農(nóng)藥作為用于防控農(nóng)林病蟲害及雜草和調(diào)節(jié)農(nóng)作物生長的藥品的統(tǒng)稱,其具有來源廣、品種多、成分復(fù)雜等特點(diǎn),是當(dāng)今農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中必不可少的投入品,為農(nóng)業(yè)增產(chǎn)保收做出了巨大貢獻(xiàn)[9]。與此同時(shí),隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對農(nóng)藥的過渡依賴,長期大量使用農(nóng)藥(特別是化學(xué)農(nóng)藥)導(dǎo)致農(nóng)藥殘留、土壤功能退化、水體和環(huán)境污染、生物鏈結(jié)構(gòu)中斷以及生態(tài)失衡等一系列問題日益凸顯[2.10]。有證據(jù)表明,相當(dāng)一部分化學(xué)農(nóng)藥對人畜具有高“三致”(致癌、致畸、致突變)危害風(fēng)險(xiǎn),越來越引起科學(xué)界和政府部門的高度關(guān)注[11-12]。按來源可將農(nóng)藥劃分為無機(jī)農(nóng)藥(砷酸類、氯酸類、硫酸銅等有毒有害無機(jī)物)、有機(jī)合成農(nóng)藥(有機(jī)氯類、有機(jī)磷類、擬除蟲菊酯類、三嗪類和新煙堿類等合成農(nóng)藥)和生物農(nóng)藥(微生物農(nóng)藥、植物和動(dòng)物等代謝產(chǎn)物或提取物以及轉(zhuǎn)基因生物毒素)等三大類。本文按類別劃分,整理了幾種較為典型的代表性農(nóng)藥的主要用途、危害風(fēng)險(xiǎn)及其每日允許攝入量等信息(表1)。

      無機(jī)農(nóng)藥主要是源于天然的無機(jī)類化學(xué)物或其制劑,在早期農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上發(fā)揮了重要作用,然而隨著科技的發(fā)展,其多數(shù)品種因具有毒性強(qiáng)、安全性差、藥效欠佳及使用量大等缺點(diǎn),逐漸被淘汰,其中汞制劑、砷鉛類等早已被列入國家禁用農(nóng)藥名錄[13]。有機(jī)氯農(nóng)藥[如DDT(Dichlo-rodiphenyltrichloroethane)、六六六(Hexachlorocy-clohexane)、艾氏劑(Aldrin)等]主要以苯、環(huán)戊二烯以及松節(jié)油為原料,結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,不易降解,具有持久性、遠(yuǎn)距離遷移性、生物蓄積性等特點(diǎn),能引起人畜慢性中毒,目前有機(jī)氯農(nóng)藥已經(jīng)在世界范圍內(nèi)開始被陸續(xù)禁止生產(chǎn)和使用[14]。有機(jī)磷農(nóng)藥多數(shù)屬于磷酸酯類或硫代磷酸酯類化合物,其殘留引發(fā)的中毒特征主要是導(dǎo)致神經(jīng)系統(tǒng)機(jī)能失調(diào),引發(fā)身體不良狀況,中國農(nóng)藥食物中毒事件中有機(jī)磷農(nóng)藥高居首位,其中甲胺磷(Methami-dophos)、對硫磷(Parathion)、毒死蜱(Chlorpyri-fos)、甲拌磷(Phorate)等已被列入國家禁用農(nóng)藥名錄[15-1]。擬除蟲菊酯(Pyrethroid)是由天然除蟲菊素改變結(jié)構(gòu)后發(fā)展而來,是一類類似于天然除蟲菊素(Pyrethrin)的有機(jī)化學(xué)合成物(如高效氯氟氰酯、順式氯氰菊酯、順式氰戊菊酯等),因其對作物和多種害蟲具有高選擇性、高效率、低毒性、快速殺蟲和殘留少等優(yōu)點(diǎn),在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中占據(jù)了較大市場份額,但菊酯類農(nóng)藥對水生生物具有特異性高毒活性,因而嚴(yán)重威脅水生生物群落平衡[17-18]新煙堿類有機(jī)農(nóng)藥也是近年來蓬勃發(fā)展的人工合成的超高效殺蟲劑[如啶蟲瞇(Acetamiprid)、噻蟲胺(Clothianidin)、吡蟲啉(Imidacloprid)、噻蟲啉(Thiacloprid)等],具有廣闊的發(fā)展前景,對昆蟲具有高殺蟲活性,而對人及哺乳動(dòng)物低毒,屬于安全農(nóng)藥[19]。生物農(nóng)藥是非化學(xué)合成的天然生物源化合物,具有類似農(nóng)藥的作用,主要來源于生物活體或其代謝產(chǎn)物[如當(dāng)前使用較為成熟的有蘇云金芽孢桿菌Bt毒素(Bacillus?thuringiensis,Bt)、2,4-D(2,4-Di-chlorophenoxyacetic acid)、沙蠶毒素(Lumbriconer-is heteropoda)、阿維菌素(Abamectin)等],一般認(rèn)為其具有對人畜和非靶標(biāo)生物安全、環(huán)境兼容性好、不易產(chǎn)生抗性、易于保護(hù)生物多樣性等優(yōu)點(diǎn),對人類健康、環(huán)境保護(hù)和農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展都有重大的意義[2[20],但近年也不斷暴露出一些安全隱患,引起關(guān)注[21-23]。

      2 抗體的發(fā)展及其創(chuàng)制技術(shù)

      抗體(Antibody,Ab)又稱為免疫球蛋白(Immu-noglobulin,Ig),是當(dāng)今生物醫(yī)藥、生命科學(xué)基礎(chǔ)研究以及免疫學(xué)診斷、分析與快速檢測等研究領(lǐng)域最熱門、使用最廣的蛋白質(zhì)材料[2425]。自1890年德國科學(xué)家首次證實(shí)在免疫動(dòng)物的血清里有免疫球蛋白存在,隨后抗體結(jié)構(gòu)與功能被不斷研究、挖掘和利用,并逐漸發(fā)展成為一門全新的熱門學(xué)科一免疫學(xué)(Immunology),到目前為止,抗體制備技術(shù)已經(jīng)從第一代的多克隆抗體(Polyclonal antibody,PAb)制備,第二代的單克隆抗體(Monoclonal antibody,MAb)制備發(fā)展到了第三代全新的基因工程抗體(Genetic engineering antibody,GEAb)創(chuàng)制階段[26],多克隆抗體是天然抗原經(jīng)不同途徑免疫動(dòng)物產(chǎn)生的多種抗體的混合物,其制備過程簡單,生產(chǎn)成本低,無需特殊的儀器設(shè)備,而且親和力普遍較一般的單克隆抗體高,所以目前仍是抗體制備研究領(lǐng)域最為經(jīng)典和普及的首選方法;然而其存在抗原結(jié)合特異性不強(qiáng)、效價(jià)低、數(shù)量有限、難以重復(fù)制備、不利于批量生產(chǎn)等不可避免的缺陷[27]。目前多克隆抗體主要通過免疫兔、羊、鼠等動(dòng)物,采集其血清并經(jīng)純化(包括飽和硫酸銨鹽析、柱親和層析及吸附法等)獲得純度較高的抗體蛋白[26]。單克隆抗體是Kohler和Milstein在1975年發(fā)現(xiàn)并創(chuàng)制的純單一性抗體,具有抗原特異性和較高親和力的特點(diǎn),由此從根本上解決了傳統(tǒng)多克隆抗體存在的抗原特異性和可重復(fù)性等問題,是抗體制備技術(shù)領(lǐng)域標(biāo)志性的突破,其在生物醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用價(jià)值尤為凸顯,現(xiàn)已獲批準(zhǔn)上市的單抗類藥物有近50種,且還有近300種已經(jīng)進(jìn)入臨床試驗(yàn)階段[28-29]。目前制備的單克隆抗體以鼠源抗體居多,但單克隆抗體也存在制備周期長、過程繁瑣、專業(yè)技術(shù)要求高、制備條件苛刻以及雜交瘤細(xì)胞傳代退化等缺點(diǎn)[28]?;蚬こ炭贵w興起于20世紀(jì)80年代,是伴隨分子生物學(xué)、分子免疫學(xué)等學(xué)科飛速發(fā)展而來的一項(xiàng)在分子水平對抗體基因進(jìn)行剪接修飾及表達(dá)與篩選的基因工程人工新型抗體創(chuàng)制技術(shù)[30]。Morrison等[31]在1984年首次報(bào)道人-鼠嵌合體在骨髓瘤細(xì)胞中成功表達(dá),并結(jié)合Smith等[32]發(fā)明的噬菌體表面展示技術(shù),從而催生出了噬菌體表面展示抗體庫技術(shù),由此拉開了人工基因工程抗體創(chuàng)制技術(shù)的序幕,抗體就此擺脫動(dòng)物免疫過程并進(jìn)入能定向進(jìn)化成熟的新階段。目前基因工程抗體類型主要有人源化修飾抗體(如人鼠嵌合抗體)、單鏈抗體(如劍橋大學(xué)蛋白質(zhì)工程中心推出的Tomlinson I+J庫)、單域抗體或納米抗體(如駝源單域抗體,VHH)和隨機(jī)多肽抗體(如NEB公司推出的七肽庫、十二肽庫)等,此外還有Fab抗體、二硫鍵穩(wěn)定抗體、雙特異性抗體等衍生抗體3333目前可用于基因工程抗體展示表達(dá)的載體主要可以分為噬菌體表面展示系統(tǒng)、核糖體展示系統(tǒng)、酵母展示系統(tǒng)、細(xì)菌展示系統(tǒng)、桿狀病毒展示系統(tǒng)以及哺乳細(xì)胞展示系統(tǒng)等,其中以噬菌體表面展示抗體研究最早技術(shù)最成熟、普及最廣、應(yīng)用最成功,也最為人們所關(guān)注[3536]。噬菌體抗體是集抗體的表型與基因型于同一個(gè)噬菌體上,通過抗原固相篩選,從庫中獲得抗原特異性抗體的同時(shí)也獲得其基因,這樣極大方便了抗體進(jìn)一步定向成熟結(jié)構(gòu)分析以及多宿主轉(zhuǎn)移表達(dá)和大量制備等3738]。以噬菌體表面抗體展示技術(shù)為代表的新型基因工程抗體創(chuàng)制技術(shù),有效避免了免疫及雜交等繁雜過程,使得抗體制備更方便、更省時(shí)、更省力,具備自動(dòng)化高通量篩選和制備特異性抗體的優(yōu)勢,是當(dāng)今抗體創(chuàng)制研究領(lǐng)域發(fā)展最具潛力的技術(shù)。

      3 廣譜特異性抗體創(chuàng)制策略及其在農(nóng)藥殘留檢測上的應(yīng)用

      農(nóng)藥雖然來源廣、成分復(fù)雜、結(jié)構(gòu)多樣,但針對其殘留檢測的免疫學(xué)檢測方法卻大同小異,都是依托制備具有識(shí)別多種農(nóng)藥成分的廣譜特異性抗體,然后建立免疫學(xué)檢測方法。依據(jù)農(nóng)藥共性結(jié)構(gòu)或化學(xué)基團(tuán)制備針對農(nóng)藥廣譜檢測用的抗體,是當(dāng)前農(nóng)藥殘留檢測免疫分析最主要的方式(表2)。針對小分子農(nóng)藥,大多數(shù)都是根據(jù)其類別的共性結(jié)構(gòu)或化學(xué)基團(tuán)來設(shè)計(jì)、合成與母體結(jié)構(gòu)密切相關(guān)的類似物作為通用性半抗原,然后以半抗原為免疫或包被抗原,制備或篩選廣譜特異性抗體[8]。文孟棠等[39]以擬除蟲菊酯通用結(jié)構(gòu)間苯氧基苯甲酸(PBA)為半抗原,免疫制備了具有同時(shí)識(shí)別4種菊酯類農(nóng)藥的單克隆抗體,檢測靈敏度在0.24~1.80 mg/L;Zhao等[40]以同樣的半抗原為包被抗原,從噬菌體抗體庫中成功篩選到具有識(shí)別多種菊酯農(nóng)藥的單域抗體,檢測靈敏度在0.33~0.86 μg/ml,并建立檢測方法用于實(shí)際樣品添加回收檢測。梁穎等[41]和賀江等[42]以甲氧基有機(jī)磷類農(nóng)藥通用結(jié)構(gòu)0,0-二甲基硫代磷酸酯(GMP)為半抗原,分別獲得了具有同時(shí)識(shí)別馬拉硫磷、稻豐散、樂果、亞胺硫磷等農(nóng)藥的廣譜多克隆抗體和人源單鏈抗體。此外,根據(jù)通用半抗原結(jié)構(gòu),Wang等[43]制備了二乙氧基有機(jī)磷類農(nóng)藥廣譜多克隆抗體,Eugenia等[4制備了氨基甲酸酯類農(nóng)藥廣譜多克隆抗體,王升吉等[45]制備了2,4-D類農(nóng)藥廣譜多克隆抗體,Wang等[46]制備了阿維菌素類農(nóng)藥廣譜單克隆抗體。大分子農(nóng)藥的殘留免疫檢測用廣譜特異性抗體主要依據(jù)其三維結(jié)構(gòu)或者氨基酸序列相似的特點(diǎn)免疫制備或靶向庫篩選獲得[47]。Dong等[48-49]和Xu等[50]通過三維結(jié)構(gòu)分析,發(fā)現(xiàn)BtCry類生物農(nóng)藥Cry1Ab、Cry1Ac、Cry1B、Cry1C、Cry1F等毒素蛋白的DomainI區(qū)氨基酸和三維結(jié)構(gòu)具有高度同源性和相似性,并以此為依據(jù)通過設(shè)計(jì)分別成功制備或篩選到了具有識(shí)別多種Cry毒素的單克隆抗體和單域抗體,建立的免疫學(xué)分析方法可用于實(shí)際樣品添加回收檢測。此外針對特異性農(nóng)藥類別的殘留檢測,也有采用制備決定簇人工抗原[51]、雜交-雜交瘤抗體[52]以及基因工程抗體的特性改造[53-54]等方式的報(bào)道。

      4 展望

      總的來說,目前廣譜特異性抗體在農(nóng)藥殘留檢測上的應(yīng)用還處于實(shí)驗(yàn)室研究和初步探索階段,成熟的商品化產(chǎn)品很少,抗體材料和相應(yīng)的快速檢測技術(shù)還需進(jìn)一步加快研究步伐。就抗體材料創(chuàng)制來說,目前傳統(tǒng)多克隆抗體、單克隆抗體仍然是農(nóng)藥殘留免疫學(xué)檢測的主流,抗體親和活力相對穩(wěn)定、有保障,但從目前發(fā)展趨勢來看,基因工程抗體在不久的將來必將取代傳統(tǒng)多克隆抗體、單克隆抗體用于免疫檢測技術(shù)研發(fā),不過其前提是基因工程抗體親和活力定向成熟技術(shù)要有實(shí)質(zhì)性的突破,目前定點(diǎn)突變(Site-directed mutagenesis)、易錯(cuò)PCR(Error PCR)、鏈置換(Chain shuffling)、DNA改組(DNA shuffling)等可用于抗體親和力改造的技術(shù)多數(shù)處于理論階段[65]。就免疫學(xué)檢測方法來說,目前最為常見的是ELISA法,其基于HRP顯色從而間接反映檢測物的存在與否,一般對檢測物的可分辨靈敏性不高,這樣極大限制了抗體的廣譜識(shí)別能力;為提高既有抗體的檢測}靈敏度從而擴(kuò)大抗體對農(nóng)藥的廣譜識(shí)別能力,可以大力發(fā)展時(shí)間分辨熒光免疫分析技術(shù)(如抗體標(biāo)記非放射性稀土離子),如此達(dá)到進(jìn)一步提高抗體對農(nóng)藥的檢測靈敏度(可達(dá)1000倍以上)的目的[66]

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