細胞凋亡在胚胎發育、造血、免疫系統的成熟以及維護正常組織和器官的細胞恒定與生長平衡，乃至機體衰老方面都起著重要作用。因此，有關凋亡的研究在臨床和基礎等各個領域已經廣泛開展,凋亡細胞的檢測方法顯得非常重要。流式細胞儀( Flow cytometry ,FCM) 將流體噴射技術、激光光學技術、電子技術和計算機技術等集于一體,較其它方法有不可比擬的優越性，既可定性又可定量,且具有簡單、快速和敏感性高的特點,可進行多參數和活體細胞分析。在APO 的研究得到較為廣泛的應用，開辟了新途徑。
1 光散射法
在FCM 系統中，被檢細胞在液流中通過儀器測量區時,經激光照射,細胞向空間360°立體角的所有方向散射光線,其中前向散射光( FSC) 的強度與細胞大小有關,而側向散射光(SSC) 的強度與質膜和細胞內部的折射率有關。細胞凋亡時,細胞固縮,體積變小,核碎裂形成,細胞內顆粒往往增多,故凋亡細胞FSC 降低而SSC 增高。細胞壞死由于胞體腫脹,細胞核亦碎裂分解故FSC 和SCC 均增高。正常細胞FSC 高而SSC 低。根據光散射特性檢測凋亡細胞最主要的優點是可以將光散射特性與細胞表面免疫熒光分析結合起來,用以區別辯認經這些特殊處理發生選擇凋亡的淋巴細胞亞型,也可用于活細胞分類。值得注意的是,根據FSC 和SSC 判斷凋亡細胞的可靠性受被測細胞形態上的均一性和核細胞漿比率影響很大,因此在某些淋巴細胞凋亡中,用光散射特性檢測凋亡的可靠性較好而在腫瘤細胞凋亡中其可靠性較差。
2 細胞DNA 含量的測定
細胞凋亡時,核酸內切酶激活,導致DNA 斷裂,這是凋亡的特征性表現,也為FCM 鑒別凋亡細胞奠定了基礎。而檢測細胞凋亡DNA 斷裂的方法中,最常用、最簡便的就是細胞DNA 含量分析。當細胞用乙醇、TrtionX—100 處理后細胞膜上出現漏洞,小片段DNA 從細胞內釋放出來,使其DNA 含量低于正常細胞的二倍體。用碘化丙啶( PI) 染色后分析,可在二倍體C0/ G1 ,峰前出現“亞二倍體”峰,即細胞凋亡峰(APO峰) ,根據APO 峰可測出凋亡細胞百分率,該法簡單易行,可大批定量檢測凋亡標本,亦可同時分析細胞的細胞周期位置。另外,應用FCM 方法通過對DNA 和RNA 的聯合檢測可以鑒別出G0 期細胞,因此,可分析細胞凋亡與G1 或G0 細胸的關系。DNA 降解的程度取決于凋亡的階段、細胞的類型和凋亡誘發因子的特性。染色過程中DNA 的逸出量變化也影響FCM 檢測結果。據研究,將高濃度的磷酸鹽———枸椽酸鹽緩沖液加入漂洗液中,可增高降解DNA 的逸出量,從而提高鑒別凋亡細胞與正常細胞的能力。
DNA 含量測定在檢測細胞凋亡中的局限性在于其特異性和敏感性均不高。特異性不高是因為APO 峰代表了一組細胞群體,包括凋亡細胞、機械損傷細胞、低DNA 含量的細胞或不同染色體結構的細胞,在上述情況下,DNA 與熒光染料的結合量均小。另外,非固定的細胞在低滲溶液中被溶解時,可導致大量的核碎片出現,此時APO 峰的細胞數目只代表了核碎片的數目,并不代表凋亡細胞數目。敏感性較差的原因是細胞凋亡早期只有DNA 斷裂點出現,但尚未出現DNA 片段的大量丟失,所以該法不能檢出早期凋亡細胞和發生于S 期或G2/ M 期的凋亡細胞,因為其實際含量不低于二倍體細胞所含的DNA ,因此該法進行凋亡細胞分析時應結合其它形態或生化方法,以期更準確地分析細胞的凋亡狀態。
3 Y 啶橙染色法( Acridine Orange ,AO)
AO 可將細胞或細胞核中的雙鏈DNA 和變性DNA 染成不同顏色的熒光。AO 插入雙鏈DNA 中時,發綠色熒光;AO也可與單鏈或通過變性而產生的DNA 單鏈發生作用,這時發出紅色熒光,因此,通過FCM 檢測不同的熒光,可判斷凋亡的發生。在測定被標準化后,綠色和紅色熒光強度的量與總DNA 含量成比例,紅色熒光與總體細胞(紅色加綠色) 熒光的比率表示細胞中變性DNA 的比例,因此,這種方法可用于評價DNA 對原位變性的敏感性。有時候,凋亡細胞DNA 降解不明顯,依賴于DNA 降解來檢測細胞凋亡的方法如細胞DNA含量測定、DNA 末端標記等就難以檢測到細胞凋亡變化。AO法檢測凋亡的原理不依賴于DNA 片斷的產生,因此其最主要的優點是可應用于寡核小體片段與凋亡不相平衡等情況,但AO 染色法不能有效區分有絲分裂細胞和凋亡細胞。
4 若丹明( Rh123) 染色法
細胞生活狀態下,胞膜上的鈉- 鉀泵、鈣泵等的作用,使細胞膜內外維持著不同離子的濃度梯度,包括Na + , K+ ,Cl - ,Ca2 + 等,形成細胞膜電位。FCM 可以檢測親脂性離子熒光染料在胞膜內外的分布,來測量膜電位的高低,以評價細胞的活力。Rh123 是一種親脂性陽離子熒光染料,對細胞膜具有通透性,線粒體膜尤敏感。細胞存活狀態時,若丹明123 通過細胞膜,積聚于線粒體發出綠色熒光。在細胞凋亡時,線粒體膜的轉運能力下降,電負性降低,故細胞線粒體積聚Rh123 的能力也喪失,熒光強度降低,據此檢測細胞的凋亡變化。但應指出,在凋亡的早期階段,由于胞膜尚完整,大多數細胞器和細胞功能相對較好,因此,Rh123 法對于早期凋亡細胞和活細胞的鑒別比較困難。
5 原位末端標記技術
細胞凋亡時,DNA 斷裂早于形態學改變及DNA 含量減少,原位末端標記( ISEL) 是將滲入到凋亡細胞中的外源性核苷酸在酶和DNA 的催化下與凋亡細胞因內源性核酸酶的激活而產生的單股或雙股斷裂相結合,較前述方面具更高靈敏性。通常有兩種方法: ①DNA 聚合酶I 或klenow 大片段介導的單位缺口平移( INST) ; ②末端脫氧核苷酸轉移酶介導的dUTP 缺口末端標記( TUNEL) 。
INST 是利用DNA 多聚酶將核苷酸整合到凋亡細胞內斷裂的DNA 處的3’末端,同時水解5’末端,以修復DNA ,若使用已標記的核苷酸即可顯示出有斷裂DNA 的細胞。1993 年,Gorczyca 等提出了末端脫氧核糖核酸轉移酶( TdT) 標記法采檢測凋亡細胞的DNA 斷裂,此種方法已得到廣泛應用。由于內源性核酸內切酶激活,細胞自身的染色質或DNA 被切割,并產生與DNA 斷點數目相同的3’2 羥基末端, TdT 可以將生物素化的dUTP 標記至3’2 羥基末端,通過卵白素2FITC 系統,使DNA 的斷點部位發生特異熒光而簽別出凋亡細胞,TdT 末端標記法是鑒別凋亡細胞比較特異的一種方法。腦組織中的凋亡細胞很少,因此基因組DNA 片斷需要更靈敏的檢測技術。將TUNEL 法與FCM 結合起來可以提高檢測凋亡細胞中DNA 片斷的靈敏度。經凋亡誘導因子處理一定時間后的細胞,原位末端標記的凋亡比Hoechst33342 染色顯示的要多,提示TUNEL 可檢測出尚未出現明顯凋亡形態學特征但已發生DNA 裂解的核,從而使檢測的靈敏度提高。對比研究表明, TUNEL 的敏感性遠遠高于ISNT ,尤其在APO早期TUNEL 法陽性率較高,可能是APO 發生時DNA 多數為雙鏈同時斷裂,單鏈少見的原因。后者是依賴DNA 多聚酶介導的修復反應,故ISNT 的陽性率相對較低。TUNEL 還可結合細胞同期的分析,可同時了解凋亡細胞DNA 斷裂和細胞周期分布之間的關系,近來已成為鑒別和定量凋亡細胞的最常用方法之一。但由于斷裂DNA 的標記過程比較復雜,涉及多種因素,所以末端標記的陰性結果并不一定代表DNA鏈的完整,應排除方法上的問題,如TdT 酶活力的喪失等諸多影響因素。因此應用TdT 末端標記法鑒別凋亡細胞必須同時設陽性及陰性對照組,以便得到可靠結果。
6 Annexin V/ PI 法
1992 年Fadok 報道在APO 早期位于細胞膜內側的磷脂酰絲氨酸(phosphatidylserin ,PS) 遷移至細胞外側,這一現象出現在核染色質變性與核體積縮小之前。AnnexinV 是一種具有很強的抗凝血特性的血管蛋白,和磷脂有高親合力,尤其與帶負電荷的磷脂如PS 具極強的結合力,利用其特性可以檢測細胞凋亡。但壞死細胞PS 亦暴露于外表使Annexin V 結合陽性,因此使用Annexin V 這一參數不能區分壞死或凋亡,必須同時采用PI 這一參數將壞死細膽區分開來。FCM 通過Annexin V —FITC 標志暴露于細胞膜上的PS 結合PI 進入損傷細胞膜標記降解DNA 分析凋亡與壞死細胞。在檢測時有4個亞群包括機械性損傷細胞(Annexin - / P1 + ) 、正常細胞(An2nexin - / PI - ) 、凋亡細胞(Annexin + / PI - ) 和繼發性壞死細胞(Annexin + / PI + ) 被區分。Boersma 等應用Ampexin V2FITE染色法檢測細胞毒藥物處理后的中國倉鼠細胞凋亡變化,FCM 檢測發現熒光信號強弱不同的兩種細胞亞群。進一步形態學等證實弱熒光細胞亞群代表早期凋亡細胞,強熒光亞群代表晚期凋亡細胞,可見其是檢測和定量凋亡細胞的一種較為可靠的方法。細胞凋亡時膜上PS 外露早于DNA 斷裂發生,因此該法檢測早期凋亡更為靈敏,且該法不需要固定細胞,避免了PI 法因固定造成的細胞碎片過多及TUNEL 法因固定出現的DNA 片段丟失,因此更加省時,結果亦更可靠,是目前最為理想的凋亡定量檢測方法。
7 其 他
7.1 ssDNA 單抗法 把抗單鏈DNA(ssDNA) 單克隆抗體用于細胞凋亡的檢測,是一種偶然發現,因為在應用ssDNA 單抗(熒光法) 檢測細胞毒性藥物誘導DNA 損傷中,觀察到凋亡的白血病細胞(MOL T24) 有較強的熒光,后來經過適當的改進,證明ssDNA 單抗可以特異地識別凋亡細胞。與TUNEL法相比,ssDNA 具有更強的靈敏性。TUNEL 法檢測的凋亡細胞可能只是單抗法檢測的凋亡細胞中的一個亞類。ssDNA法檢測APO 一般用免疫熒光法。但也可和FCM 結合應用。單抗法使用簡便、成本低、應用廣泛。ssDNA 單抗可以區別壞死和凋亡、甚至能檢測前期凋亡,凋亡后壞亡和一些特殊的凋亡形式(如無片段化的細胞凋亡) 。因此, ssDNA 單抗法可望成為一種新的特異靈敏檢測細胞凋亡的方法。
7.2 細胞凋亡的相關蛋白分析 研究發現,有不少基因參加凋亡調控,這些基因產物可參與促進或抑制APO 的發生、發展,因此檢測凋亡調節基因蛋白對研究APO 及其調控有重要作用。迄今為止,已可對大量細胞凋亡調節基因的蛋白產物分析,如P53 蛋白、caspases、C2myc、Fas 抗原、TNF、bcl22 家族蛋白、cyclin、ras 等。FCM 用熒光標記的各種調控蛋白單抗染色,收集不同波長的熒光信號,檢測細胞膜表面或細胞內熒光分子數量,可以了解每個細胞的變化,而且所需樣品少,方法簡便、快捷、準確。
8 展 望
近幾年來,隨著FCM 技術的不斷發展和APO 研究的逐漸深入,FCM 在細胞凋亡研究中日益廣泛。應用FCM 定量檢測凋亡細胞簡便、快速、客觀,并可進行多參數檢測,因此,可同時對APO 及其相關的癌基因表達、細胞周期分布等諸多因素進行相關分析,可以比較深入地了解凋亡的調節機制。盡管應用FCM 進行細胞凋亡研究的方法較多,但FCM檢測凋亡細胞的方法一般基于細胞凋亡過程中形態、生化等某一方面的特性,因而難于了解凋亡過程中發生的各種變化的相互關系,也使該類方法缺乏特異性,所以,聯合應用多種針對不同特性的FCM 檢測方法,才能更為有效地鑒別凋亡細胞。同時,FCM 研究結果尚需同時結合形態學觀察或生物化學方法,才能更加深入地了解凋亡細胞的生物學特性。隨著生物技術的發展及人們對APO 本質認識的深入,相信在不久的將來,定會有更為特異和敏感的方法問世,有助于細胞凋亡取得突破性進展。