综述：二噁英检测的生物分析方法：基于受体的检测平台的当前进展与未来前景

《TRAC-TRENDS IN ANALYTICAL CHEMISTRY》：Bioanalytical methods for dioxin detection: current progress and future prospects of receptor-based assay platforms

　　赵慧宇|谭俊明|唐婷婷|戴书燕
中南大学湘雅药学院药理学系，长沙410078，中国

**摘要**
二噁英类化合物（DLCs）是高毒性的持久性有机污染物，在微量水平下对人类健康和生态系统构成严重威胁。因此，快速准确的检测对于环境监测、食品安全和公共卫生至关重要。虽然高分辨率气相色谱-质谱联用技术（HRGC/HRMS）仍是金标准，但其高昂的成本和技术复杂性限制了其广泛应用。利用芳烃受体（AHR）途径的生物分析方法已成为有价值的替代方案。现有的方法，如AHR介导的报告基因检测，虽然具有高灵敏度，但常常面临操作和标准化方面的挑战。近年来，重组AHR的表达、纯化和结构表征方面的进展使得基于受体的直接检测平台得以开发。蛋白质芯片和竞争性ELISA等策略简化了工作流程，提高了通量，并增强了应用潜力。本文总结了当前的生物分析方法，批判性地评估了基于受体的策略，并强调了重组AHR在下一代、机制导向和可扩展的二噁英检测中的应用前景。

**引言**
二噁英是一类持久性有机污染物（POPs），包括多氯二苯并-p-二噁英（PCDDs）、多氯二苯并呋喃（PCDFs）以及具有二噁英特性的某些多氯联苯（dlPCBs）。其主要来源包括工业过程[1]、[2]、[3]、废物焚烧[4]、[5]和车辆尾气排放[6]、[7]（图1）。二噁英在环境中广泛分布，具有较长的环境半衰期[8]，并在食物链中发生生物累积和生物放大[9]。因此，对食品和饲料进行监测对于早期识别和管理食物链中的二噁英污染至关重要。1999年的比利时PCB/二噁英危机就是由于使用受污染的回收脂肪作为动物饲料而引发的，这凸显了在食品安全事件中大规模监测的紧迫性。其中，2,3,7,8-四氯二苯并-p-二噁英（TCDD）被认为是毒性最强的化合物，常被称为“世纪毒物”，反映了其在体内的高毒性和抗代谢降解能力[10]。接触二噁英与人类和动物的不可逆致畸性和致癌效应有关[11]。根据《斯德哥尔摩公约》[12]，二噁英被归类为毒性最强的POPs之一，国际癌症研究机构（IARC）[13]也将其列为1类致癌物。

由于二噁英的极端毒性，建立可靠的监测和预警系统已成为全球优先事项。然而，其极低的环境浓度以及众多同系物和异构体的存在，给超痕量有机分析带来了重大挑战。二噁英检测的仪器分析方法主要基于高分辨率气相色谱-质谱联用技术（HRGC/HRMS），该技术因其出色的灵敏度和异构体分辨能力而被广泛认为是金标准[14]。此外，中红外激光光谱、光频梳和基于等离子体的传感器等新兴光学和光谱技术也被用于提高检测灵敏度和实现实时监测[15]、[16]、[17]、[18]、[19]、[20]、[21]。尽管取得了这些进展，但仪器分析方法仍存在固有局限性，如复杂的样品预处理、高昂的设备成本和较差的组织兼容性，这些因素阻碍了它们在大规模筛查和现场检测中的及时性要求（表1）。

研究表明，二噁英的毒性作用主要是通过激活细胞内的AHR实现的，AHR历史上被称为二噁英受体[22]。作为一种配体激活的转录因子，AHR特异性识别并结合二噁英及其结构类似物，从而触发下游的转录反应。过去二十年里，生物技术和二噁英毒理学研究的进步促进了多种二噁英检测方法的开发，包括乙氧基雷索鲁芬-O-脱乙基酶活性检测（EROD）、化学激活的荧光素酶基因表达报告基因检测（CALUX）和基于二噁英抗体的免疫检测[23]。这些方法具有高通量、快速周转时间和相对较低的成本，特别适合大规模和快速的环境、食品和饲料样本筛查（表1）。在常规二噁英监测和紧急污染事件中，生物分析筛查方法可以通过快速识别需要进一步仪器确认的样本，发挥预警和优先级划分的作用。这一点在食品安全问题日益严重的背景下尤为重要，例如1999年的比利时PCB/二噁英危机，当时受污染的动物饲料导致了家禽、鸡蛋、肉类及相关食品的广泛污染[24]、[25]。

鉴于这些方法在快速筛查中的价值，几种基于生物检测的二噁英检测方法已被纳入监管或标准方法中[26]，如美国环保署方法4435[27]和欧盟委员会法规2017/644[28]。然而，生物分析方法的更广泛采用仍受到一些实际和技术挑战的限制。例如，基于细胞的CALUX检测需要细胞培养和熟练人员，通常需要3-5天才能获得结果。基于二噁英抗体的免疫检测具有高特异性和易用性，但其灵敏度往往不足，因为制备针对小分子二噁英的抗体的难度较大，且只能识别特定的二噁英同系物。在此背景下，包括《斯德哥尔摩公约》第SC-11/5号决定（SC COP.11）在内的多项国际监管文件强调了加强二噁英监测和控制的必要性[29]。根据公约第5条和附件C，PCDD/PCDF被视为无意产生的POPs，缔约方被敦促开发和维护来源清单和释放估算。这一监管背景进一步凸显了开发更可靠和用户友好的筛查方法的必要性。

**重组二噁英受体表达和纯化的最新进展**
重组二噁英受体的表达和纯化方面的最新进展为基于蛋白质的二噁英检测系统的发展开辟了新的机会。这种方法有望克服现有生物检测方法的局限性，包括技术要求和有限的通用性。本文系统总结了过去十年二噁英生物检测技术的研究进展，比较了各种方法的优点、局限性及其当前应用，并讨论了下一代基于受体的生物检测的前景。

**文献搜索策略和范围**
为了全面了解二噁英检测的生物分析方法和基于受体的策略，我们进行了结构化的文献搜索，检索了1995年1月至2025年12月期间发表在PubMed和Web of Science Core Collection上的文章。搜索词包括“二噁英检测”、“二噁英类化合物”、“TCDD”、“芳烃受体”、“二噁英生物检测”、“二噁英CALUX”、“二噁英报告基因检测”、“二噁英酵母检测”等组合。

**二噁英受体AHR**
AHR是一种配体依赖的转录因子，属于bHLH-PER-ARNT-SIM（bHLH-PAS）家族，在外源物质代谢和免疫调节中起关键作用[30]。人类AHR由848个氨基酸组成，从N端到C端结构上分为以下几个区域：核定位序列（NLS）、碱性螺旋-环-螺旋（bHLH）DNA结合域、介导蛋白质-蛋白质相互作用的PAS域（PAS-A和PAS-B）以及转录活性区域。

**二噁英检测的生物分析方法现状**
作为化学分析的补充，过去二十年里，二噁英检测的生物分析方法受到了广泛关注。这些方法通过监测定义系统（包括培养细胞、动物模型和免疫平台）中的下游生物反应来评估二噁英的总体毒理效应和毒效当量。关键方法包括AHR介导的信号检测（如CALUX和EROD）以及基于二噁英抗体的免疫检测。

**AHR的重组表达、纯化和结构生物学方面的进展**
尽管AHR长期以来被认为是二噁英毒性的细胞内介质，但目前用于二噁英定量的生物分析方法主要依赖于基于细胞的报告系统或特定同系物的抗体，尚未有广泛采用的基于蛋白质的替代方法。基于蛋白质的分析平台在其他研究和诊断领域显示出显著的优势[132]、[133]、[134]，如无需细胞培养、操作简便等。

**基于AHR的策略：直接检测和受体辅助样品制备**
在基于重组受体的平台变得可行之前，已有几项原理验证研究尝试将AHR相关的分子相互作用转化为可测量的分析信号，包括配体诱导的AHR-DNA结合[158]、保护AHR-DNA复合物免受外切酶降解[159]、[160]、核酸扩增策略（如逆转录-环介导的等温扩增[RT-LAMP] [161]，以及基于AHR-蛋白质相互作用的读数方法。

**展望**
基于受体的生物检测方法可能为二噁英的高通量筛查提供更方便和更快的策略，尤其是在与传统仪器分析和依赖细胞的生物分析方法相比时。然而，基于受体的检测的实施长期以来受到制备稳定、可扩展且兼容标准化检测格式的稳健AHR蛋白的挑战。如上所述，目前的配体结合AHR制剂仍存在较大局限性。

**结论**
总之，虽然生物分析方法在精确的同系物定量方面无法完全替代化学分析技术，但它们在初步筛查、样本优先级划分和暴露风险评估方面具有显著优势。正如本文所讨论的，传统的生物分析方法（如CALUX、EROD和免疫检测）仍面临与细胞培养依赖性、基质干扰、抗体特异性等相关限制。

**作者贡献声明**
戴书燕：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、验证、监督、软件使用、资源管理、项目协调、资金获取、数据分析、数据管理、概念构思。
唐婷婷：撰写——审稿与编辑、验证。
谭俊明：撰写——审稿与编辑、验证、监督、软件使用。
赵慧宇：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、数据可视化、数据分析、概念构思。

**数据可用性**
未生成新的数据。所有讨论的数据均来自已发表的来源。

**利益冲突声明**
作者声明与本文无利益冲突。

**资助**
本研究得到了湖南省科技创新计划（2021RC2034）、湖南省自然科学基金（2022JJ30921）和湘雅医院青年科学基金（2021Q15）的财政支持。