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萤火虫萤光素酶在ATP检测中的应用

2021.2.22

前言：
生物发光是一种在生物体内由酶将化学能转化为光能的现象，在自然界中有超过30种生物发光体系，而我们所熟知的萤火虫的发光体系就是其中研究最早，应用也最广泛的一种。萤火虫的发光现象是由其体内的萤光素酶（luciferase）的催化下三磷酸腺苷(adenosine triphosphate，ATP)与发光底物萤光素（lucierin）发生反应产生光。

ATP被认为是一种在所有生物体生存和繁殖的细胞合成中必不可少的普遍能量来源，形象的说，它是一种通用的能量“货币”。ATP可以通过水解产生AMP和一个磷酸基团，同时释放出能量，供给细胞活动。

ATP结构图

发光反应的方程式：

研究历史：
1885年萤光素及萤光素酶第一次被Dubois提取出来；1952年Strehler和Totter首次使用萤光素酶粗制品测定ATP；1961年White等人工合成了萤光素；1985年Dewet, JR等首次克隆了P. Pyralis萤光素酶基因并在大肠杆菌中表达，从中得到具有活性的萤光素酶，从而开启了萤光素酶作为报告基因的历程。

ATP的含量直接反应了细胞或微生物的含量，通过监测ATP含量的改变，可以评价多种药物、生物制剂或生物活性物质引起的细胞杀伤、细胞抑制和细胞增殖作用；另外ATP也常作为微生物污染的一个指标，检测ATP含量能直接反映出其受污染程度。测定生物体中ATP的水平及其动态变化便成为监测生物体必不可少的手段。接下来，小编将向大家具体介绍一下他在近年来的应用领域。

<应用领域>

01
食品安全
人类的身体健康、生命安全长期受到微生物污染的威胁，营养琼脂平板计数法是国际上针对微生物检测的现有标准方法，然而该方法要求在 37 ℃下持续培养 48 h，过于繁琐的操作无法实现快速检测。现下，国内也加大了对核酸法、电阻抗测量、免疫学方法、微菌落技术等各类微生物快速检测技术展开了研究、应用。ATP生物发光法因快速、简便且具有较高灵敏度的缘故，可用于实时监控微生物污染，与食品行业需求相符合，故而有关该技术的研究与应用十分广泛。

其检测步骤通常为：
①首先根据ATP发光检测试剂盒的使用说明将标准ATP按梯度稀释，与酶、底物、缓冲液按比例混合，使用发光检测设备（比如博鹭腾发光检测系列）测量对应的发光值，绘制标准曲线。
②提取样品细胞中的ATP，稀释，之后按比例与酶、底物、缓冲液混合，使用发光检测设备测定发光值，代入标准曲线，即可知道样品中ATP浓度。（ATP浓度与细胞浓度关系的测定：取对数生长期的细胞，离心浓缩后用苔盼蓝染色，计活细胞数，之后在 96孔培养板上等比稀释，测定其发光值，发光值代入标准曲线获得ATP浓度，经过计算即可获得ATP浓度与细胞浓度关系。）

应用案例：


酒类制作过程中微生物浓度检测		食品生产线卫生学检测

环境保护部门水体微生物检测		卫生监管部门微生物数量检测

对应文献：
[1]吴慧清.ATP生物发光法饮用水中细菌总数快速测定方法研究[J].中国卫生检验杂志,2009,19(9):1975-1978.
[2]刘阳,牟金明.ATP生物发光法快速测定物体表面的菌落总数[J].安徽农业科学,2016,44(1):125-128.
[3]易琳.微生物检测中 ATP 生物发光法的应用研究现状[J].生物化工,2019,5(1):124-126.
[4]高红阁.ATP 生物荧光法在卫生监督工作中的应用进展[J].疾病监测与控制杂志,2013,7(9):548-550.
[5]伍季.ATP生物发光法快速检测啤酒中的菌落总数[J].河南科学,2006,24(1):63-65.
[6]李春艳,霍贵成.ATP生物发光法快速测定生乳中微生物总数的研究[J].食品工业科技,2008,29(7):233-238.
[7]魏树源.三磷酸腺苷生物发光快速微生物检测法在疫苗中间品无菌试验中的应用[J].中国生物制品学杂志,2010,23(10):1120-1124.
[8]丛苑,李平兰.ATP 发光法快速检测玉米中的霉菌[J].中国食品学报,2014,14(8):233-238.

02
药物敏感实验
化疗是恶性肿瘤主要治疗手段之一，其地位已越来越重要。但因为不同类型的肿瘤以及不同个体的同类肿瘤存在异质性，以致惯用的经验式化疗效果尚不理想。临床上迫切需要有切实可靠的检测方法，在化疗实施前筛选出有效药物，进行个体化治疗，以提高疗效而减少毒副作用。

ATP生物发光法是近年来发展起来的一种高度敏感的药物敏感试验。文献表明 ,将ATP生物发光法应用于临床个体肿瘤药物敏感性的预测，与临床有较好的相关性。

基本思路为：
①将癌细胞与药物体外混合培养一段时间。
②与食品安全检测类似：绘制发光标准曲线→测定与药物混合培养细胞的发光值→代入标准曲线，最后计算出药物对肿瘤的杀伤强度。

应用案例：


化疗药物筛选		结核药物筛选

细胞活性测定		中医疗效评价

对应文献：
[1]周旻.ATP生物发光法检测卵巢癌细胞对化疗药物的敏感性[J].广东医学,2000,21(4):293-295.
[2]陈历排.用微量板 ATP生物发光法检测肿瘤细胞对化疗药物的敏感性[J].肿瘤,2000,20(2):103-105.
[3]刘君.三磷酸腺苷发光法快速检测结核分枝杆菌异烟肼耐药的研究[J].现代预防医学,2014,41(1):108-113.
[4]梁镇兴.利用自主发光结核分枝杆菌快速连续检测抗结核药物的细胞内活性[J].实用医学杂志,2013,29(23):3823-3826.
[5]张志敏.ATP释放法测定人外周血NK细胞活性及初步临床应用[J].免疫学杂志,1992,8(4):260-261.
[6]湛学军.三磷酸腺苷生物发光法分析莪术油等中药抑制肝、胃癌细胞增殖活性的研究[J].江西医药,2005,40(11):706-708.
[7]朱云仙.养心2号方对慢性心力衰竭大鼠心肌组织ATP及MMP的影响[J].南京中医药大学学报,2016,32(3):274-278.
[8]彭艳.艾灸对脾虚大鼠空肠组织ATP含量和ATP酶活性的影响[J].中国现代医学杂志,2013,23(1):8-13.