ELISPOT技術原理
在免疫學領域中,對于疾病以及疫苗研究不僅僅局限于體液免疫應答(B細胞免疫),細胞介導的免疫應答(cell mediated immune response,CMI)也是人們所關注的,而T細胞在CMI中起關鍵作用。在研究免疫應答機制時以往常用用酶聯免疫吸附法(ELISA)檢測體液中游離的細胞因子(CK)或抗體,但由于游離的循環抗體或CK的半哀期不同,使之在體液中不斷的被代謝或與靶器官結合,而不能確切的反映體內的抗體及CK的水平。 80 年代,國外的科研工作者根據 ELISA 技術的基本原理,建立了體外檢測特異性抗體分泌細胞和 CK 分泌細胞的固相酶聯免疫斑點技術( ELISPOT )。作為一項新型的免疫酶技術——酶聯免疫斑點法(enzyme linked immunospot assay,ELISPOT),是從單細胞水平檢測分泌抗體細胞(ASC) 或分泌細胞因子(CK) 細胞的一項細胞免疫學檢測技術。由于該方法具有較高的特異性和敏感性,易操作,成本相對流式細胞分析術也較低,已被廣泛用于分泌CK細胞檢測或ASC測定中,對探索自身免疫系統疾病發病機制具有重要意義。
ELISPOT 法源自 ELISA,又突破傳統 ELISA 法,是定量 ELISA 技術的延伸和新的發展。兩者都是檢測細胞產生的細胞因子或其他可溶性蛋白,它們最大的不同在于:
(1) ELISA通過顯色反應,在酶標儀上測定吸光度,與標準曲線比較得出可溶性蛋白總量。
(2) ELISPOT也是通過顯色反應,在細胞分泌這種可溶性蛋白的相應位置上顯現清晰可辨的斑點,可直接在顯微鏡下人工計數斑點或通過ELISPOT 分析系統對斑點進行計數,1個斑點代表1個細胞,從而計算出分泌該蛋白的細胞的頻率。(某些研究不僅要測細胞因子生成量,還需檢測分泌此細胞因子的細胞頻率)
由于是單細胞水平檢測, ELISPOT 比 ELISA 和有限稀釋法等更靈敏,能從20萬-30萬細胞中檢出1個分泌該蛋白的細胞。捕獲抗體為高親和力、高特異性、低內毒素單抗,在研究者以刺激劑激活細胞時,不會影響活化細胞分泌細胞因子。
下面將從發展、原理、具體實驗操作、技術優勢和應用幾方面進行介紹。
ELISPOT技術的發展
(1) ELISPOT技術的過去
ELISPOT是20多年前便己研發成功的老技術。Czerkinsky 等人率先在1983年,運用該技術成功地檢測出因受激而分泌抗體的B細胞頻率。從那時起世界各國免疫學者便開始一長期的ELISPOT Cytokine技術競賽,每個團隊都希望能率先將此一技術推廣來研究T細胞免疫,其絕妙之處在提供一接近體內實驗的環境,藉由偵測T細胞分泌的各類細胞因子,來定量機體內免疫反應啟始者Precursor T的clonal size族群大小,同時預測體內免疫系統即將進行的下游免疫反應。
ELISPOT Cytokine技術雖說操作簡單,但該技術并沒能如預期地很快地被成功應用在ex vivo T細胞功能研究。要讓ELISPOT技術從B細胞免疫走向T細胞免疫的產生的第一個主要問題,便是靈敏度的提升,因為T細胞因子較之B細胞免疫球蛋白產量極少。早期ELISPOT的分析條件不是非常理想,成對抗體的品質、呈色底膜的材質等幾個技術性的問題,使當時多數研究團隊很難獲得清晰的斑點,結果是敏感度不夠、數據分析重現性低。這問題直到1996美國俄亥俄卅Case Western Reserve大學Paul Lehmann團隊引進PVDF薄膜的應用(Forsthuber et al., Science, 1996),才釜底抽薪地解決了該技術因斑點呈色問題造成低敏感度的缺失。與原來的標準膜面相比,PVDF薄膜提供1,000倍的較大面積來吸附單株抗體,使T細胞分泌的各類細胞因子能在細胞周圍就近被俘虜,讓呈色斑點集中、清晰、對比色高,大大的提高ELISPOT Cytokine分析的敏感度。圖一是使用PVDF-BASED改良薄膜(Panel A)與傳統標準薄膜(Panel B)并行實驗的比較結果。同樣的人體 PBMC樣品,在通過完全相同的實驗,Panel A呈現較清晰的小色點。
第二個技術性問題是ELISPOT Cytokine實驗分析的幾個基本假設缺乏科學實證,也使得該技術在當時并沒受到該有的廣泛重視。沒有科研人員嘗試去厘清一些基礎但很重要的問題,諸如:
實驗所得的斑點是抗原特定T細胞所生產,還是旁觀細胞受Cytokine刺激的次級效應?
斑點的小或大有何生理意義;如何決定cutoff值?
能否相信斑點是由單一的細胞造成?
ELISPOT Cytokine分析技術能準確測量的頻率范圍?
如果效應相互拮抗的cytokine同時產生,它們是否會互相妨礙?及到什么程度?