氨基酸分析仪在医学中的应用
发布时间：2020-03-11
摘要：氨基酸分析仪用于检测并分析人体代谢产物中的氨基酸成分及含量，在临床医学中具有辅助医生诊断、监护疾病治疗状况、对疾病治疗提供指导的作用。氨基酸分析仪在疾病研究中的应用为疾病的治疗和预防提供了新思路、开辟了新路径。因此，氨基酸分析仪是现代临床医学和医学研究中必不可少的仪器手段，推动了疾病治疗和医学研究的发展。
关键词：氨基酸分析氨基酸分析仪医学应用
氨基酸(aminoacid)是构成蛋白质的基本单位。目前为止，已发现300多种天然氨基酸，且均为α-氨基酸，其中为人体所需的氨基酸有22种[1]。不同氨基酸在人体代谢过程中发挥着不同的功能，他们共同调节生命活动、维护身体的健康。氨基酸的检测分析方法分为非衍生化方法和衍生化方法两类。非衍生化方法包括通过荧光检测器、电导检测器、蒸发光散射检测器(ELSD)进行检测;衍生化方法则包括使用液相色谱-质谱联用(LC-MS)、氨基酸分析仪、高效液相色谱法等进行检测[2，3]。其中氨基酸分析仪的方法有方便快速，性能良好的特点，能对组成蛋白质和多肽的22种氨基酸组成与含量进行分析，是现代临床医学和生物化学研究中必不可少的手段。
1氨基酸分析仪概述
氨基酸分析仪有近60年的历史。1958年Spaekman、Moor和Stein研制出第一台采用离子交换树脂柱分离和柱后茚三酮衍生法检测的自动氨基酸分析仪[4]。近年来，质谱、核磁技术在氨基酸分析法中的引入，提高了氨基酸分析的准确性。
氨基酸分析仪分为普通的氨基酸分析仪和全自动氨基酸分析仪两种。二者原理一致，但后者更为方便，应用较广。普遍应用的有日立L-8900、L-8800、A-330、赛卡姆氨基酸分析仪等[5]。
氨基酸分析仪能够对蛋白质水解液以及各种游离氨基酸的组分含量进行分析，与普通高效液相色谱(HPLC)的原理相似。但氨基酸分析仪加强了氮气的保护作用，并将洗脱梯度进行优化，改善了惰性管路以及柱温梯度的控制。
氨基酸分析仪通过阳离子交换柱色谱将结构、分子量、酸碱性、极性不同的氨基酸分开，并利用不同pH值及离子浓度的缓冲液将氨基酸按顺序洗脱。洗脱后的氨基酸在螺旋反应管中与另一通路的茚三酮试剂混合，并在温度115～120℃时发生显色反应，形成的蓝紫色产物在波长570nm处具有最大吸收峰。其中羟脯氨酸与茚三酮反应生成黄色的产物，最大吸收峰在440nm。将显色后的产物与标准氨基酸样品进行比较，可完成对氨基酸进行定性和定量的测定[6]。氨基酸分析仪的不足之处有：(1)测定时间相对较长，主要由于仪器的离子交换树脂易压缩、流动相流速的加快与压力的增加不成正比造成;(2)分离后的氨基酸在柱后与水合茚三酮衍生剂产生反应，造成了柱后扩散比较大、峰形变宽、精确值降低，从而导致了分辨率下降;(3)氨基酸检测不够全面。某些柱后衍生剂(邻苯二甲醛)，不能与亚氨基反应，造成不能检测脯氨酸的含量。另外仪器结构复杂，价格相对昂贵[5]。
2氨基酸分析仪在医学方面的应用
在消化酶的作用下，摄入的蛋白质先被分解为低分子的多肽或氨基酸，然后在小肠内被吸收。人体通过不同的氨基酸代谢途径将摄入的氨基酸整合，再利用这些氨基酸，使体内各种氨基酸的含量形成一种稳定的动态平衡状态。通过氨基酸分析仪检测分析人体代谢产物里的氨基酸成分和含量，能辅助医生进行临床诊断和帮助治疗。
2.1氨基酸分析仪在疾病诊断中的应用
患病时人体的代谢产物中会出现某些氨基酸含量的改变。以人体的血液、尿液以及其它生命物质为生物样本，检测其中某些氨基酸含量的变化可以帮助医生诊断疾病。
2.1.1以血液中的氨基酸为检测样本
人体的血液中存在多种氨基酸成分，检测其含量的变化能够帮助判断某种疾病是否发生，如苯丙酮尿症。宋彦强[7]等认为，测定儿童血液中各种氨基酸的含量，能提供患者氨基酸代谢情况的判断依据，从而诊断患者是否属于氨基酸代谢障碍人群。在诊断病人是否患有苯丙酮尿症时，首先将血液中的苯丙氨酸羟化酶分解，然后使用氨基酸分析仪检测苯丙氨酸羟化酶分解产物中的氨基酸组成与含量，这能够帮助医生诊断患者是否患有苯丙酮尿症。
此外检测血液中的氨基酸含量能够区分出肠胃炎患者。消化系统疾病通常伴有不同程度的继发性氨基酸紊乱。TadakazuH等[8]检测并观察了患有肠胃炎人群血液中血浆的氨基酸图谱，发现肠胃炎患者血浆中的组氨酸和色氨酸含量发生了显著改变。根据病人的血浆氨基酸图谱能够区分出肠胃炎患者。因此使用氨基酸分析仪检测患者血液中的氨基酸组成与含量，能够帮助医生对肠胃炎进行诊断。
2.1.2以尿液中的氨基酸为检测样本
使用氨基酸分析仪检测患者尿液中的氨基酸含量，是临床上一种常用辅助诊断胃癌的方法。尿液是人体循环系统的重要成分，尿液中的氨基酸含量会在人体发生病变时出现异常。樊静等[9，10]检测胃癌患者尿液的游离氨基酸代谢状况，通过将胃癌组和正常对照组的尿液中游离氨基酸进行比较，筛选出了具有诊断意义的氨基酸。研究者收集胃癌患者与健康成人的晨尿，并使用氨基酸分析仪检测样本中各种游离氨基酸的含量。研究发现，胃癌组患者尿液中的缬氨酸、精氨酸与异亮氨酸相对含量升高且与对照组具有明显差异，而天冬氨酸、组氨酸的相对含量降低。通过采集患者尿液进行氨基酸含量情况的检测，诊断胃癌效果较好，并且效率较高。
2.1.3以其它生命物质中的氨基酸为检测样本
氨基酸分析仪也被用于检测人乳、精液等其它人体生命物质中的氨基酸。人乳中的氨基酸对婴幼儿生长发育发挥着相当重要的作用，并且可以升高婴幼儿的抗体含量、提高免疫力和对婴幼儿的肠道进行保护。利用氨基酸分析仪，研究人乳中有效成分对婴幼儿的疾病诊疗也起到至关重要的作用[11]。人乳的氨基酸组成与含量在很多国家已经被用来辅助诊断婴幼儿的疾病，并且建立了相对应的数据库。
对精液进行氨基酸分析被用于辅助诊断人类生殖性疾病。MasatokiKatayama等[12]评估了人类精液中40种氨基酸与精子运动性及形态的关系。精浆中的氨基酸含量与血清中的氨基酸含量不同，研究发现精浆中丝氨酸(Ser)和β-丙氨酸(β-Ala)的水平非常低。研究者将血液与精液的Ser和β-Ala差值进行对比，来分析精液的浓度，这能帮助诊断精液分泌成分异常或精液减少的相关疾病。
V型胶原α1(V)链的表达异常为Ehlers-Dan-los综合征的基本特征。研究者利用氨基酸分析仪检测该胶原链的氨基酸组成以及表达水平，能够帮助医生提前预测并诊断Ehlers-Danlos结缔组织病[13]。
2.2氨基酸分析仪在患者治疗监护中的应用
在不同代谢状态下人体内的氨基酸水平会发生变化，这能够用来监测疾病的发展进程。如肌肉合成蛋白障碍患者的胶原蛋白合成状况，苯丙酮尿症患者的恢复情况。
胶原蛋白的合成在运动后升高多达3天。运动后，氨基酸可用性增强，混合肌肉蛋白的合成增加。肌肉胶原蛋白的合成需要摄取亮氨酸，HiroyukiK等[14]运用氨基酸分析仪来检测血液中亮氨酸含量、监测肌肉合成蛋白障碍患者的胶原蛋白合成量，能够帮助医生及辅助检查的医技人员得知患者肌肉的合成蛋白状况。
另外用氨基酸分析仪可以对苯丙酮尿症患者的治疗进行监护。定期和准确监测血液中苯丙氨酸(Phe)和酪氨酸(Tyr)水平是成功治疗管理苯丙酮尿症(PKU)患者的先决条件。通过收集患者静脉血样进行氨基酸含量的分析[15]，让医生能够得知PKU患者的恢复情况，从而更加有针对性的对PKU患者进行监控与康复治疗。
氨基酸类的注射液常用于提供患者外源性营养，有利于疾病的康复与治疗，但可能出现不良反应。郑斌等[16]利用氨基酸分析技术，对药品中的氨基酸配比与含量进行分析，能够帮助医生发现引起患者不良反应的氨基酸，及时缓解患者不适。
2.3氨基酸分析仪在疾病治疗中的应用
测试了解乳腺癌患者、血液透析患者康复时的氨基酸水平，能够对患者的治疗提供指导。
高翠红等[17]采用氨基酸自动分析仪检测55例乳腺癌患者及50例正常人血浆、尿液中游离氨基酸的含量。由于乳腺癌患者体内存在氨基酸代谢紊乱，研究发现患者血浆中蛋氨酸的含量较正常人显著地升高，异亮氨酸、亮氨酸、缬氨酸、精氨酸、赖氨酸、酪氨酸、苯丙氨酸较正常人显著地降低，支链氨基酸/芳香族氨基酸比值较正常人显著地下降。然后他们对乳腺癌患者实施了“不平衡氨基酸疗法”———补充支链氨基酸和精氨酸等氨基酸。证明了对于乳腺癌患者来说，补充支链氨基酸和精氨酸等是一种便捷可靠的治疗方法。
测定血液透析患者的氨基酸谱，能够明确患者体内的氨基酸含量与组成，帮助医生了解患者的营养状况，同时对透析患者的营养状况进行评估。因此测定血液透析患者的氨基酸谱，对血液透析患者的临床治疗具有一定的指导意义。血液透析患者在长时间的透析过程中，处于营养消耗状态并且可能发生营养不良。与正常人群相比，此类患者氨基酸的代谢存在差异，主要表现在骨骼肌的蛋白质的分解代谢增加明显高于合成代谢增加，分解代谢大于合成代谢，导致负氮平衡。杜娟等[18]利用氨基酸分析仪检测患者的血浆氨基酸水平变化，在分析患者氨基酸失衡的原因后，依照相关指标制定了此类患者营养相关的评价指标及管理对策。通过研究证明，补充氨基酸能够治疗改善透析患者的营养不良。
此外，补充必需氨基酸对于改善老年冠状动脉疾病后遗症患者的抑郁症状、营养状况、肌肉功能、日常身体活动和生活质量有明显的功效。Mari-angelaR等[19]使用氨基酸分析法研究评价了补充必需氨基酸前后的营养状况，与安慰剂组相比，补充必需氨基酸之后患者的微型营养评分发生了提高。这证明了口服补充必需氨基酸能够改善了老年患者的营养与代谢状况，改善了患者抑郁、肌张力下降的症状。
2.4氨基酸分析仪在医学科学研究中的应用
氨基酸分析法被用于分析原发性肝癌患者与正常人在氨基酸水平上的差异，从而对疾病的诊断或治疗提供了新思路。
2.4.1在疾病研究中的应用
肝脏和肾脏是体内氨基酸代谢的两个主要场所，因此血浆中氨基酸谱的改变与肝脏的功能有着密切的关系。血液中的芳香族氨基酸所占比例会在患有肝衰竭的患者中增加，并且当患者的肝脏受损程度不同时，其血浆氨基酸谱的改变程度呈现出的分布不同。赵玉萍等[20]使用氨基酸分析仪对原发性肝癌患者血浆中微量元素与氨基酸浓度的变化进行了研究。研究者采集并检测了受检者血浆样本，对比正常人群发现肝癌患者血浆中必需氨基酸：缬氨酸(Val)、异亮氨酸(Ile)、亮氨酸(Leu)浓度明显下降，这提示当发生肝癌时，患者常伴有高胰岛素血症。肝癌患者血浆中能够抑制癌细胞增殖的精氨酸(Arg)，其浓度比正常人组显著降低，因此临床中通过适当补充Arg能够改善肝癌患者的预后。
肺癌发生和发展过程中也伴随着氨基酸和元素水平的变化。王缨等[21]对肺癌、癌旁组织、血清中的氨基酸和元素的含量进行测定，通过对比证实了氨基酸含量的分析能够帮助医生进行肺癌的临床诊断和治疗。研究中将肺癌患者血清和健康人血清中得氨基酸含量进行比较和分析，发现肺癌组织中的赖氨酸(Lys)含量明显高于癌旁组织，且肺癌患者血清中的赖氨酸含量较正常人血清也出现增高。此研究结果应用到肺癌检测中，能够辅助肺癌的诊断。
肾癌患者的血清中氨基酸水平与正常人组相比，也发生了显著的改变。AladdinM等[22]测定了189名肾癌患者和104名正常人血清中26种不同氨基酸的浓度。研究发现15种氨基酸在患者体内出现了显著性变化，例如半胱氨酸、鸟氨酸、组氨酸、亮氨酸、酪氨酸、脯氨酸、缬氨酸和赖氨酸等氨基酸。该研究表明，血清的氨基酸水平能够作为一种筛选工具，能帮助对肾癌患者的诊断。
阿尔兹海默症也会造成患者体内的氨基酸组成发生变化，患者体内氨基酸代谢紊乱或障碍。刘秀勤等[23]采用病例-对照研究，收集了34位阿尔茨海默病患者与31位健康老年人尿液样品，测定了尿液中17种游离氨基酸的含量。病例组和对照组中的尿液中赖氨酸(Lys)、缬氨酸(Val)、苏氨酸(Thr)和丝氨酸(Ser)含量有显著性差异，谷氨酸(Glu)的水平与对照组相比分别降低了31%。此外GeorgeG.等[24]分离出与阿尔茨海默病相关的脑血管蛋白，并通过氨基酸分析仪研究了这种蛋白质的组成，结果显示该蛋白可以衍生自独特的血清前体，从而研制出了检测阿尔兹海默病的新方法。
为探讨甲硫氨酸在诱导高同型半胱氨酸(Hcy)血症过程中的抗氧化作用，孟斌等[25]将大鼠随机分为正常组和1%甲硫氨酸组，喂养6周后，其中用全自动氨基酸分析仪测定了血清中甲硫氨酸和牛磺酸含量。研究表明甲硫氨酸在诱导高半胱氨酸血症的过程中具有抗氧化作用。
2.4.2在疾病预防研究中的应用
人体肠道内的多种菌群，它们分布需要不同的营养。通过考察不同氨基酸含量的培养基对菌株生长的影响，为获得更高效的菌群提供了新的思路。乳杆菌属和双歧杆菌菌株需在含有谷氨酸单钠(MSG)的培养基中生长。EBarrett等[26]考察研究了在不同氨基酸含量的培养基条件下，细菌的生长和MSG向氨基丁酸(GABA)的转化情况。该研究通过这种对肠道微生物菌群的特定培养，找到了最佳的MSG向GABA的转化条件，这样获得更加高效的菌群，为通过微生物菌群得调节来预防多种肠道疾病的发生、预防胃肠道疾病提供了新的前景。
此外应用氨基酸分析发现了对胰岛素起到明显作用的氨基酸。乳清蛋白可增加餐后血清胰岛素水平。AlbertSalehi等[27]经过研究并通过氨基酸分析法，发现胰岛素水平的降低与亮氨酸、异亮氨酸、缬氨酸、赖氨酸、苏氨酸和促胰岛素多肽(GIP)的血清水平升高相关。明确了对胰岛素起到明显作用的氨基酸，这为胰岛素相关的疾病开辟了新的治疗研究领域。
2.4.3在其它医学研究的应用
氨基酸分析仪还联合用于研究蛋白质的表达及其在生物学影响下的变化，为生物材料的研究开发提供了新方法。PingmeiYan等[28]将聚丙烯酰胺凝胶电泳与氨基酸分析法结合使用，定性和定量地表征了胶原蛋白的氨基酸组成。运用氨基酸分析仪TakakoNaito等[29]阐述了胰岛素和氨基酸对肝脏和肌肉中雷帕霉素靶蛋白(mTORC1)自噬途径的差异。
氨基酸分析仪是一种常用的检测氨基酸含量与组成的仪器，使用起来较为简便快捷。它既可以单独使用，也可以与其它仪器联合使用。HanneloreK等[30]将氨基酸分析仪与质谱等氨基酸检验的重要仪器联用，发挥了各仪器的优点，使研究更加高效准确。综上所述，氨基酸分析仪的使用能够辅助医生对疾病进行临床诊断、帮助医生对患者的疾病进行监测，同时能够对临床的治疗提供指导作用。它在疾病的治疗研究中也不断地发挥着重要作用，推动着临床医学和医学研究不断地发展和进步。随着氨基酸分析仪的分析速度、灵敏度和重复性的提高，氨基酸分析仪将成为一种医学领域中更为有效的工具[31]。
氨基酸分析仪在医学中的应用相关期刊推荐：《分析仪器》是由中国仪器仪表行业协会和北京分析仪器研究所(北京市北分仪器技术有限责任公司)共同主办的学术刊物(双月刊)，国内外公开发行，为中国核心期刊，被国内多家重要数据库收录。杂志主要读者对象是科研单位、石油、化工、冶金、地质、食品、轻工、农业、医药卫生、环境保护、仪器制造等部门的科技人员，高等和中等专业学校有关专业的教师与学生。
