稳定性同位素及其应用领域

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所属分类:蛋白质测序

稳定性同位素不具有放射性,无论在分离、标记化合物合成及应用过程中均无特殊防护要求,操作简便、使用安全、无毒性,可直接用于动物及人体的营养学、临床医学研究及生物医学、药物研发、营养代谢等等诸多领域。

生命科学领域,核磁共振(NMR)和质谱(MS)波谱研究不同蛋白质种群的结构、功能等需要稳定性同位素整合技术,其中包括同位素编码亲和标记方法(ICATTM)、细胞培养中氨基酸稳定同位素标记技术(SILAC)、目标蛋白的绝对定量分析方法(AQUATM)等。稳定性同位素通过生物代谢引入、酶解引入或化学性引入到蛋白质等生物大分子中,通过大型仪器分析后选用分子生物学软件处理可以得到生物大分子的结构图。

在医学领域,稳定性同位素产品目前已广泛应用于医学领域的临床研究、多种疾病的诊断与鉴别、病情判断、治疗效果评价、脏器功能研究和新药开发等方面,如PET诊断、13C-尿素呼气法检测幽门螺旋杆菌、肿瘤治疗(硼中子捕获疗法)、药物研究等。

在环境科学研究中,在不同的环境条件下,稳定性同位素的组成会有一定的差异,氮同位素就是一种很好的污染物指示剂。在生态系统污染的监测中,测定的15N值还可以作为水域环境污染程度指标。

通过使用稳定性同位素技术,可以使生态学家测出许多随时空变化的生态过程,同时又不会对生态系统的自然状态和元素的性质造成干扰。稳定性同位素15N能够被用来测定植物通过氮固定或吸收土壤NH4+及NO3-获得氮素相对比率;确定土壤中碳和氮周转速率;判定N2O的来源(硝化细菌或反硝化细菌);确定食物链的长度;确定空气和水体污染物的来源;如何确定植物的分布区域等。

能量代谢研究集中在运动医学、儿童营养、食物营养以及减肥、宇航员饮食等方面。采用稳定性同位素示踪法是研究新陈代谢的方法之一,常用稳定同位素有15N、13C、18O等标记。

糖脂代谢研究 ,糖尿病是一种以糖代谢失常为主的内分泌代谢性疾病,通常表现为整体的代谢紊乱(包括糖、脂、氨基酸代谢紊乱等),因此,非常适合应用稳定同位素示踪技术来弄清代谢物质的来龙去脉。该技术的特点是测试的高精度和超高精度, 可达到接近PPM级(百万分之一),它不但能追踪化合物的整个分子,还能追踪其某个原子,比如葡萄糖分子各个原子的不同代谢途径, 哪些原子进入了三羧酸循环产生能量,而哪些原子用于脂肪酸的合成等。

早在上世纪70年代,Bier等就在动物和成人中使用13C和2H标记的稳定性同位素(双标记法)通过GC/MS监测体内葡萄糖和丙氨酸的代谢。近期有学者用 U-13C标记葡萄糖,采用核磁共振技术,发现长期血糖控制不良的1型糖尿病和持续应用胰岛素泵血糖控制尚平稳的1型糖尿病患者对比,持续皮下胰岛素治疗可以明显减少肝脏内源性葡萄糖产生,改善糖异生作用,提示长期血糖控制不良的T1DM肝糖代谢并非不可逆。

稳定性同位素还可以追踪不同阶段脂质合成、脂肪分解、脂肪酸氧化的变化。在肥胖伴有2型糖尿病患者与单纯肥胖患者的比较中发现,前者胰岛素抑制脂肪分解作用明显受损。McQuaid等用U-13C标记棕榈酸、亚麻油酸、油酸示踪,在腹型肥胖和体型偏瘦的正常人中比较发现,肥胖患者脂肪组织量增多,而其脂肪组织储存脂肪的能力则明显下降。从而进一步导致血浆FFA水平明显增加和异位脂肪沉积。

目前认为腹部脂肪堆积引起局部性糖皮质激素增多进一步加重脂毒性和胰岛素抵抗。Basu等在正常人中肝静脉中注射[9,11,12,12-2H4]氢化可的松(D4-氢化可的松),可的松通过11β羟类固醇脱氢酶1型途径生成氢化可的松,发现内脏氢化可的松的产生和身体其余部分产生量基本相当。然而肥胖患者(不管是否伴有2型糖尿病)其内脏氢化可的松产生量明显增加。

在农业科研领域,稳定性同位素15N、13C广泛应用于植物生理生化研究、土壤与植物营养研究、植物保护研究、水稻、花卉、农产品等作物的改良研究、草地的氮素循环研究等方面。在农业上应用的稳定性同位素产品大部分为低丰度产品。低丰度的15N标记尿素、15N标记硫酸铵、15N标记硝酸铵、15N标记氯化铵等无机盐类是比较常用的肥料示踪剂。

在分析测试领域,食品、农药残留、兴奋剂、海洛因的检测中,稳定性同位素技术具有独特的作用。

在地质学、地球化学、古生物学、生态学等研究中也有着广泛的应用。稳定同位素标记化合物还可作为NMR和质谱仪等分析检测方法的内标物等。

CIL世界上第一个生产稳定性同位素(Stable Isotope)标记化合物的生产商,以其领先的技术雄踞同位素分离领域。20年来,CIL一直研究稳定性同位素与稳定性同位素标记化合物的开发、生产。主要标记性同位素有13C、12C、D、15N、18O和17O,目前已经拥有8000多种标记化合物。

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