張經(jīng)碩,向 平,沈 敏
(1.司法部司法鑒定科學(xué)技術(shù)研究所上海市法醫(yī)學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海200063;2.蘇州大學(xué)醫(yī)學(xué)部,江蘇蘇州215123)
毒蛇咬傷常見(jiàn)于熱帶和亞熱帶地區(qū)。在非洲、亞洲、大洋洲和拉丁美洲的農(nóng)村地區(qū),毒蛇咬傷是特別突出的公共衛(wèi)生問(wèn)題[1-2]。最近的一項(xiàng)研究估計(jì):全球范圍內(nèi),每年遭受毒蛇咬傷超過(guò)50 000 000人,導(dǎo)致死亡25 000~125 000人[2]。我國(guó)蛇傷發(fā)病主要在南方各省[3],以夏秋季多見(jiàn)。據(jù)報(bào)道我國(guó)每年被毒蛇咬傷超過(guò)100 000人,其中有將近10 000人會(huì)死亡[4]。近年來(lái),由于環(huán)境改變、飼養(yǎng)蛇、野外作業(yè)等多種因素,蛇傷發(fā)病還呈現(xiàn)出逐年增多的趨勢(shì)。
在法醫(yī)工作中,懷疑是蛇毒中毒的案件經(jīng)常發(fā)生,確定是否是蛇毒中毒,是哪種蛇毒中毒,是解決該類(lèi)案件的關(guān)鍵。目前,我國(guó)的蛇傷鑒定方法主要是依靠觀察牙痕、癥狀和生化常規(guī)檢查,其中牙痕是關(guān)鍵。但是,在實(shí)際工作中又經(jīng)常會(huì)碰到?jīng)]有明顯牙痕的案件,這時(shí)就得憑經(jīng)驗(yàn)通過(guò)癥狀和生化指標(biāo)來(lái)判斷是否是蛇毒中毒、是哪種蛇毒中毒,錯(cuò)誤判斷的可能性非常大,因此,我們亟需新的鑒定技術(shù)。為此,筆者收集了國(guó)內(nèi)外已報(bào)道的蛇毒鑒定技術(shù)和蛇毒中毒生物標(biāo)記物的研究方法,詳細(xì)分析了這些方法的優(yōu)缺點(diǎn),以期找到更為準(zhǔn)確可靠的蛇毒中毒鑒定新方法?,F(xiàn)將國(guó)內(nèi)外的相關(guān)研究進(jìn)展綜述如下。
蛇毒是復(fù)雜的混合物,其毒性成分主要是具有酶活性的蛋白質(zhì)和多肽。蛇毒對(duì)機(jī)體的作用很復(fù)雜,按其有毒成分的毒理作用可分為神經(jīng)毒、血液毒和混合毒,按其作用性質(zhì)不同又可分為神經(jīng)毒素、心臟毒素、溶血毒素、凝血毒素和抗凝血毒素[5]。
蛇毒是蛇類(lèi)用于捕食和消化的工具,不同種類(lèi)的蛇毒其所含的蛋白質(zhì)和多肽是不同的[6],這為鑒定是否為蛇毒中毒以及區(qū)分不同的蛇毒中毒提供了可能性。
蛇毒神經(jīng)毒素主要是β-神經(jīng)毒素和α-神經(jīng)毒素,分別作用于神經(jīng)突觸和終板。β-神經(jīng)毒素可以抑制乙酰膽堿釋放,而α-神經(jīng)毒素可以競(jìng)爭(zhēng)結(jié)合乙酰膽堿受體,兩種毒素均可以通過(guò)阻滯神經(jīng)信號(hào)的正常傳導(dǎo)而引起肌肉麻痹的癥狀[7]。早期表現(xiàn)為眼瞼下垂、吞咽困難,進(jìn)而呼吸肌麻痹導(dǎo)致呼吸衰竭,甚至呼吸停止。
心臟毒素又稱(chēng)為細(xì)胞毒素,其可以引起細(xì)胞膜通透性改變和組織壞死,輕者引起肢體腫脹和皮膚壞死,重者可導(dǎo)致局部組織大面積深度壞死,導(dǎo)致患肢殘廢,甚至還可以使心肌細(xì)胞壞死從而造成心肌損壞[8]。
蛇毒中有溶血作用的毒素主要是磷脂酶A2,其作用底物為Sn-3-磷酸甘油酯第二位酯鍵,當(dāng)其作用于血清或卵磷脂時(shí)產(chǎn)生溶血卵磷脂,導(dǎo)致紅細(xì)胞溶血。磷脂酶A2也可直接作用于紅細(xì)胞膜上的磷脂,引起直接溶血[9]。
凝血毒素是蛇毒中存在的一類(lèi)能作用于血液凝固酶促級(jí)聯(lián)反應(yīng)過(guò)程中一個(gè)或多個(gè)環(huán)節(jié)的蛋白質(zhì),可以激活凝血因子Ⅴ、凝血因子Ⅶ、凝血因子Ⅸ、凝血因子Ⅹ、凝血因子Ⅱ或直接使纖維蛋白原凝集[10]。
蛇毒中的抗凝血毒素主要是類(lèi)凝血酶和纖溶酶[11]。蛇毒類(lèi)凝血酶在體內(nèi)可以消耗纖維蛋白原,造成纖維蛋白原缺乏而產(chǎn)生抗凝血作用。蛇毒纖溶酶在體內(nèi)可以降解纖維蛋白和纖維蛋白原,還可以水解和滅活凝血酶原、凝血因子Ⅴ、凝血因子Ⅶ、凝血因子Ⅷ、凝血因子Ⅻ,從而產(chǎn)生抗凝血作用。
自20世紀(jì)70年代起,醫(yī)學(xué)界涌現(xiàn)了大量研究蛇毒和蛇傷鑒定的新技術(shù)。從早期的凝集測(cè)試法、免疫電泳法、放射免疫法和酶聯(lián)免疫吸附法,到近期的聚合酶鏈反應(yīng)、熒光免疫法、光學(xué)免疫法、生物傳感器、基質(zhì)輔助激光解析離子化質(zhì)譜和電噴霧離子化質(zhì)譜,眾多新技術(shù)的出現(xiàn),使得通過(guò)傷者體內(nèi)蛇毒檢測(cè)進(jìn)行蛇傷法醫(yī)鑒定具備了可行性。
蛇毒中的毒素蛋白質(zhì)進(jìn)入傷者體內(nèi)后會(huì)迅速被體液稀釋?zhuān)U(kuò)散至全身多個(gè)組織,與傷者的內(nèi)源物質(zhì)混存,這一方面導(dǎo)致體內(nèi)毒素蛋白質(zhì)的濃度極低,另一方面也導(dǎo)致體內(nèi)蛇毒的鑒定極易被內(nèi)源物質(zhì)干擾,因此,鑒定方法的靈敏度和抗干擾能力至關(guān)重要。經(jīng)各國(guó)學(xué)者研究,一些新技術(shù)在體內(nèi)蛇毒鑒定方面表現(xiàn)出了優(yōu)異的性能,其檢測(cè)靈敏度和排除生物樣品中內(nèi)源物質(zhì)干擾的能力非常突出,已經(jīng)可以嘗試應(yīng)用于臨床蛇傷的鑒定;但是,也有一些方法經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)其檢測(cè)靈敏度和抗干擾能力不足,暫時(shí)還只能用于純蛇毒的鑒定。
PCR是一種用于體外放大和擴(kuò)增特定DNA片段和RNA片段的技術(shù),類(lèi)似于DNA的體內(nèi)復(fù)制。首先將待擴(kuò)增的DNA模板加熱變性解鏈,隨之將反應(yīng)混合物冷卻至某一溫度,這一溫度可使引物與它的靶序列發(fā)生退火,再將溫度升高使退火引物在DNA聚合酶作用下得以延伸。這種熱變性-復(fù)性-延伸的過(guò)程就是一個(gè)PCR循環(huán),PCR就是在合適條件下這種循環(huán)的不斷重復(fù)。
2001年,Suntrarachun等[12]首次采用PCR方法鑒定蛇傷,試圖區(qū)別孟加拉眼鏡蛇咬傷與當(dāng)?shù)氐钠渌哳?lèi)咬傷(眼鏡王蛇、金環(huán)蛇、圓斑蝰蛇和紅口腹蛇)。他們選擇了眼鏡蛇毒素(Cobrotoxin)作為引物,將蛇傷小鼠傷口清洗液中的DNA和RNA擴(kuò)增后用于對(duì)蛇種的鑒定。Suntrarachun確實(shí)檢測(cè)到了一段眼鏡蛇毒素編碼基因中的cDNA片段,并且該cDNA片段的特異性還不錯(cuò)(在當(dāng)?shù)仄渌叨局袡z測(cè)不到),但是考慮到蛇咬的傷口通常比較小,并且也不會(huì)總是殘留足夠的毒腺上皮細(xì)胞(這將導(dǎo)致鑒定結(jié)果的準(zhǔn)確性較差),所以Suntrarachun并沒(méi)有將該方法應(yīng)用于人類(lèi)傷者身上。
PCR技術(shù)是一種非常成熟的擴(kuò)增基因的方法,Suntrarachun創(chuàng)造性的將其應(yīng)用于生物樣品中蛇毒的鑒定研究,這為蛇傷鑒定指出了一條新思路。雖然鑒于鑒定結(jié)果的準(zhǔn)確性問(wèn)題,Suntrarachun并沒(méi)有將這一技術(shù)完善成可供實(shí)際蛇傷案件使用的方法,但是在個(gè)別案件中還是可以考慮嘗試一用。
凝集試驗(yàn)是一種免疫學(xué)檢測(cè)方法,需要將抗原與含有相應(yīng)抗體的血清混合,使二者發(fā)生特異性結(jié)合形成抗原抗體復(fù)合物,在一定濃度的電解質(zhì)作用下,復(fù)合物表面的電荷大部分被消除而失去了互相排斥的作用,于是復(fù)合物之間互相吸引凝集成團(tuán),出現(xiàn)肉眼可見(jiàn)的凝集現(xiàn)象。
1991年,Chinonavanig等[13]以凝集測(cè)試技術(shù)為基礎(chǔ)開(kāi)發(fā)了一種反向乳膠凝集方法用于檢測(cè)蛇毒。Chinonavanig獲得的體外測(cè)試結(jié)果顯示,該方法檢測(cè)蛇毒的檢測(cè)限高達(dá)0.16~1.2μg/mL,而且由于該方法使用的抗體是兔抗蛇毒血清,所以在異源蛇毒間存在明顯的交叉反應(yīng)。在進(jìn)一步的臨床測(cè)試中,Chinonavanig又檢測(cè)了59份血清樣本和26份傷口拭子,結(jié)果顯示該方法對(duì)血清蛇毒的檢出率很低,僅僅只有52.5%,而且還有1例假陽(yáng)性結(jié)果;對(duì)傷口拭子上蛇毒的檢出率更低,只有38.5%。雖然Chinonavanig的嘗試沒(méi)有獲得理想的結(jié)果,但是他奠定了凝集測(cè)試技術(shù)鑒定蛇毒的基礎(chǔ)。1993年,Kittigul等[14]進(jìn)一步完善了這種技術(shù),Kittigul用兔抗蛇毒血清活化的羊、雞和人的紅細(xì)胞作為檢測(cè)試劑,使用反向被動(dòng)血凝法對(duì)泰國(guó)6種毒蛇的蛇毒進(jìn)行了檢測(cè),結(jié)果顯示該方法的檢測(cè)濃度下降到了2~635ng/mL,但在不同蛇毒間還是存在明顯的交叉反應(yīng)。在檢測(cè)血清樣本時(shí),Kittigul的檢測(cè)方法達(dá)到了81.3%的正確檢出率,但是在檢測(cè)傷口拭子樣本時(shí),Kittigul的檢測(cè)方法卻只獲得了61.5%的正確檢出率。Kittigul的蛇毒鑒定方法在檢測(cè)濃度和正確檢測(cè)率這2項(xiàng)指標(biāo)上相比于Chinonavanig的方法有了很大的提高,但是卻仍然存在正確檢出率偏低(81.3%)和交叉反應(yīng)明顯的問(wèn)題。1997年,哥斯達(dá)黎加的Amuy等[15]繼續(xù)對(duì)蛇毒凝集測(cè)試技術(shù)做出改進(jìn),他們嘗試用親和純化抗體來(lái)構(gòu)建黑紋珊瑚蛇(Micrurus nigrocinctus)蛇毒的乳膠反向凝集方法,希望能夠?qū)崿F(xiàn)蛇毒的種屬特異性鑒定,但是Amuy的方法在測(cè)試階段仍然對(duì)同屬的其他6種蛇毒顯示出了明顯的交叉反應(yīng)。
凝集測(cè)試法應(yīng)用于體內(nèi)蛇毒鑒定雖然具有檢測(cè)時(shí)間短和操作簡(jiǎn)便等優(yōu)勢(shì),但是Chinonavanig、Kittigul和Amuy課題組的研究卻都顯示出這種方法的正確檢出率低、檢測(cè)靈敏度不高,而且存在明顯的交叉反應(yīng),因此,就目前來(lái)看這種方法暫時(shí)還不適合應(yīng)用于實(shí)際的蛇傷案件。雖然國(guó)外的研究一致顯示了凝集測(cè)試法的不足,但是在國(guó)內(nèi),個(gè)別醫(yī)院卻已經(jīng)采用這種測(cè)試方法對(duì)臨床蛇傷進(jìn)行鑒定[16],并給出了相當(dāng)正面的評(píng)價(jià)(約300例陽(yáng)性鑒定結(jié)果中無(wú)1例出現(xiàn)交叉凝集抑制現(xiàn)象)。遺憾的是該醫(yī)院并沒(méi)有公布其凝集測(cè)試法的詳細(xì)細(xì)節(jié),所以我們無(wú)法了解到該方法的關(guān)鍵技術(shù)。就國(guó)內(nèi)外對(duì)凝集測(cè)試技術(shù)的研究和使用來(lái)看,該方法雖然存在種種有待解決的關(guān)鍵問(wèn)題,但還是具有相當(dāng)強(qiáng)的應(yīng)用潛力的。
生物傳感器是一種將生物學(xué)或仿生學(xué)信號(hào)感應(yīng)部件連接或整合到傳感系統(tǒng)內(nèi)的分析儀器,主要包括敏感元件和信號(hào)轉(zhuǎn)換元件兩部分。生物傳感器在使用過(guò)程中是通過(guò)固定在支持物上的敏感生物材料(即敏感元件)與分析物特異性結(jié)合,發(fā)生一種或多種物理化學(xué)特性的改變,然后由換能器轉(zhuǎn)換為次級(jí)可用信號(hào)(通常是電信號(hào)),這種信號(hào)的強(qiáng)弱或頻率的變化與敏感元件所結(jié)合的分析物或分析物化學(xué)基團(tuán)相關(guān),從而對(duì)待測(cè)物進(jìn)行分析測(cè)定。
生物傳感器進(jìn)入蛇毒鑒定領(lǐng)域是源于Rogers等[17]1991年的研究,他將煙堿型乙酰膽堿受體固定在光纖上制成生物傳感器,用以鑒定金環(huán)蛇蛇毒中的-銀環(huán)蛇毒素。Rogers的傳感器活性在最佳pH環(huán)境中可以保持3d,然后活性會(huì)逐漸降低,30d過(guò)后活性大致會(huì)損失50%。2005年,陶濤等[18]將生物傳感器鑒定蛇毒的技術(shù)做了改進(jìn),他將石英晶振的高靈敏度與免疫反應(yīng)的特異性相結(jié)合,研制出了檢測(cè)蝮蛇毒的壓電免疫傳感器方法。但是在用純蛇毒對(duì)其性能進(jìn)行測(cè)試時(shí),陶濤的鑒定裝置在檢測(cè)濃度和交叉反應(yīng)方面并沒(méi)有體現(xiàn)出特別的優(yōu)勢(shì),檢測(cè)限是0.1μg/mL,交叉反應(yīng)也沒(méi)能避免,而且制備完成的鑒定裝置只能重復(fù)使用5次左右。繼Rogers和陶濤之后,生物傳感器鑒定蛇毒的研究鮮有報(bào)道。
生物傳感器鑒定蛇毒具有體積小和檢測(cè)時(shí)間短的優(yōu)點(diǎn),但是現(xiàn)階段的產(chǎn)品卻非常不成熟(僅處于對(duì)純蛇毒進(jìn)行鑒定的階段),存在活性保持困難、重復(fù)使用次數(shù)少和交叉反應(yīng)等問(wèn)題,這嚴(yán)重限制了其在蛇毒鑒定領(lǐng)域的發(fā)展和應(yīng)用,所以迄今未見(jiàn)生物傳感器應(yīng)用于蛇傷實(shí)際鑒定工作的報(bào)道。但是生物傳感器畢竟具有便攜和檢測(cè)時(shí)間短的優(yōu)點(diǎn),如果其產(chǎn)品質(zhì)量能夠獲得極大提升,那么還是具有應(yīng)用價(jià)值的。
4.4.1 放射免疫測(cè)定法(radio immunoassay,RIA)
放射免疫測(cè)定法是利用放射性同位素標(biāo)記的抗原(標(biāo)記抗原)和相對(duì)應(yīng)的抗體來(lái)測(cè)定非標(biāo)記抗原(標(biāo)準(zhǔn)抗原或待測(cè)抗原)的一種免疫測(cè)定方法。需要將標(biāo)記抗原和非標(biāo)記抗原同時(shí)與數(shù)量有限的特異性抗體發(fā)生競(jìng)爭(zhēng)性結(jié)合(抗原-抗體反應(yīng))。由于標(biāo)記抗原與待測(cè)抗原的免疫活性完全相同,對(duì)特異性抗體具有同樣的親和力,所以當(dāng)標(biāo)記抗原和抗體數(shù)量恒定且待測(cè)抗原和標(biāo)記抗原的總量大于抗體上的有效結(jié)合點(diǎn)時(shí),標(biāo)記抗原-抗體復(fù)合物的形成將隨著待測(cè)抗原量的增加而減少,而非結(jié)合的或游離的標(biāo)記抗原則隨著待測(cè)抗原數(shù)量的增加而增加(即競(jìng)爭(zhēng)結(jié)合反應(yīng)),因此測(cè)定標(biāo)記抗原-抗體或游離的標(biāo)記抗原即可推測(cè)出待測(cè)抗原的數(shù)量。
早在20世紀(jì)70年代,Sutherland等[19-20]就嘗試將RIA用于蛇傷診斷,并從蛇傷患者的尿液和血清中成功檢測(cè)到了相關(guān)毒素(Tiger snake毒素)。這是一次重要的研究,意味著現(xiàn)代醫(yī)學(xué)有能力對(duì)生物樣品中的蛇毒做出來(lái)源判斷。繼Sutherland的研究之后,1987年,Pukrittayakamee等[21]對(duì)RIA法的靈敏度和專(zhuān)屬性做了改進(jìn)。Pukrittayakamee運(yùn)用魯塞爾(Russell)蝰蛇蛇毒X因子的單克隆抗體構(gòu)建用于檢測(cè)傷者體液中魯塞爾蝰蛇蛇毒的RIA方法。改進(jìn)后的方法在靈敏度方面表現(xiàn)突出(檢測(cè)限在尿液中為4 ng/mL,在0.1%牛血清白蛋白-磷酸鹽緩沖液中為20 ng/mL,在血清中為5μg/mL),但是在交叉反應(yīng)方面卻并不理想,由于抗體的特異性不夠,用該方法檢測(cè)眼鏡蛇蛇毒時(shí)也顯示陽(yáng)性。
RIA法需要用到放射性同位素,在檢測(cè)完畢后對(duì)廢棄物的處理是非常麻煩的事情。到了20世紀(jì)90年代,隨著其他免疫學(xué)檢測(cè)技術(shù)的興盛(如:酶聯(lián)免疫吸附技術(shù)、熒光免疫技術(shù)等),RIA法用于蛇傷鑒定的研究日漸式微。直到1996年,英國(guó)的Sjostrom[22]等才開(kāi)發(fā)出了另一種用于檢測(cè)血漿中極北蝰(Vipera berus berus)蛇毒的RIA方法,并且在測(cè)試過(guò)程中著重將這種方法與酶聯(lián)免疫吸附法(ELISA)進(jìn)行了對(duì)比。在對(duì)比測(cè)試中,Sjostrom的RIA方法只表現(xiàn)出了與ELISA方法相似的檢測(cè)性能,并沒(méi)有獲得特別有吸引力的數(shù)據(jù)。這次的測(cè)試基本宣告了RIA退出蛇傷鑒定領(lǐng)域,在這之后的十幾年中,還未見(jiàn)有新文獻(xiàn)報(bào)道用RIA法來(lái)鑒定蛇傷。
4.4.2 免疫電泳檢測(cè)法(immunoelectrophoresis assay)
免疫電泳是將瓊脂電泳和雙向瓊脂擴(kuò)散結(jié)合起來(lái),用于分析抗原組成的一種定性方法。常規(guī)流程是先將抗原加到瓊脂板的小孔內(nèi)進(jìn)行電泳,然后在瓊脂板中央挖一橫槽,加入已知相應(yīng)的免疫血清,兩者經(jīng)一定時(shí)間相互擴(kuò)散后,就會(huì)在抗原、抗體比例最適處形成沉淀弧。根據(jù)沉淀弧的數(shù)量、位置和外形,參照已知抗原、抗體形成的電泳圖,即可分析樣品中所含成分。此方法樣品用量少、特異性高、分辨力強(qiáng)。但所分析的物質(zhì)必須有抗原性,而且抗血清必須含所有的抗體組分。
1990年,曹金鴻和李碧晴[23-24]用交叉免疫電泳法和逆流免疫電泳法對(duì)白眉蝮蛇毒、黑眉蝮蛇毒、五步蛇毒、竹葉青蛇毒和烙鐵頭蛇毒進(jìn)行了鑒別研究,這是我國(guó)學(xué)者第一次用免疫電泳法對(duì)中國(guó)境內(nèi)常見(jiàn)蛇毒開(kāi)展系統(tǒng)研究,研究結(jié)果也表明這2種免疫電泳方法確實(shí)能夠區(qū)分不同種類(lèi)的純蛇毒。但遺憾的是曹金鴻和李碧晴并沒(méi)有測(cè)試這2種電泳方法對(duì)生物樣品中蛇毒的辨別能力,所以這2種方法對(duì)蛇傷的實(shí)際鑒定能力仍不清楚。
火箭免疫電泳(rocket immunoelectrophoresis,RIEP)是將單向免疫擴(kuò)散和電泳相結(jié)合的一種定量檢測(cè)技術(shù)。電泳時(shí),存在于瓊脂凝膠中的抗體不發(fā)生移動(dòng),但在電場(chǎng)的作用下抗原會(huì)向正極泳動(dòng)。當(dāng)抗原與抗體分子達(dá)到適當(dāng)比例時(shí),形成一個(gè)形狀如火箭的不溶性免疫復(fù)合物沉淀峰,峰的高度與樣品中的抗原濃度呈正相關(guān)。因此,當(dāng)瓊脂中抗體濃度固定時(shí),根據(jù)樣品的沉淀峰長(zhǎng)度即可計(jì)算出待測(cè)抗原的含量。1993年,廖共山等[25]用這種方法研究了商品眼鏡蛇毒抗血清與蛇毒成分產(chǎn)生的免疫沉淀線,發(fā)現(xiàn)眼鏡蛇的細(xì)胞毒與同科異種蛇毒的細(xì)胞毒之間不會(huì)發(fā)生交叉免疫反應(yīng)。然而,廖共山也沒(méi)有用蛇毒生物樣品對(duì)他的方法進(jìn)行測(cè)試,這使得RIEP方法對(duì)蛇傷的實(shí)際鑒定能力仍是未知數(shù)。
曹金鴻、李碧晴和廖共山將免疫電泳法帶入了蛇毒(體外檢材)鑒定領(lǐng)域,為蛇毒鑒定提供了新的思路,但是考慮到當(dāng)前電泳技術(shù)的分離能力和生物樣品的復(fù)雜性,免疫電泳并不適合用于生物樣品中蛇毒的鑒定。
4.4.3 光學(xué)免疫檢測(cè)法(optical immunoassay,OIA)
光學(xué)免疫檢測(cè)法是使用光敏元件作為信號(hào)轉(zhuǎn)換器,利用光學(xué)原理工作的一種檢測(cè)方法。需要將生物識(shí)別物質(zhì)固化在傳感器上,通過(guò)與光學(xué)器件的光相互作用,產(chǎn)生變化的光學(xué)信號(hào),通過(guò)檢測(cè)變化的光學(xué)信號(hào)來(lái)檢測(cè)免疫反應(yīng)。
2002年,新加坡國(guó)立大學(xué)的Dong等[26]將β-銀環(huán)蛇毒素單克隆抗體與硅晶片結(jié)合,并配備以親和素、生物素、辣根過(guò)氧化物酶顯色系統(tǒng),開(kāi)發(fā)了一種檢測(cè)蛇毒的光學(xué)免疫檢測(cè)方法(AB-OIA)。Dong等開(kāi)發(fā)的蛇毒AB-OIA鑒定方法堪稱(chēng)蛇傷鑒定技術(shù)的杰作,該方法完成一次蛇毒鑒定僅需25 min,檢測(cè)靈敏度達(dá)到了驚人的16pg/mL。交叉反應(yīng)的測(cè)試數(shù)據(jù)顯示,該方法對(duì)于鋸鱗蝰屬蛇毒、死亡蛇屬蛇毒和其它9種蛇毒成分在1~5μg/mL的毒素濃度水平上未發(fā)現(xiàn)交叉反應(yīng)。在用含毒生物樣品進(jìn)行的測(cè)試中,Dong的ABOIA方法對(duì)正常組小鼠樣品全部呈現(xiàn)陰性,對(duì)注毒組小鼠樣品則全部呈現(xiàn)陽(yáng)性。Dong的單克隆抗體ABOIA方法在檢測(cè)性能上表現(xiàn)搶眼,但是鑒于目前對(duì)蛇毒蛋白質(zhì)的研究還不充分,我們并不知道哪些毒蛋白是某種蛇類(lèi)特有的,因此該方法具體推廣起來(lái)有一定難度,但這并不影響該方法的價(jià)值,它是蛇傷鑒定技術(shù)的一次飛躍,將蛇毒鑒定的檢測(cè)限帶到了pg級(jí)。2004年,Dong等[27]又在原方法的基礎(chǔ)上做了改進(jìn),這次他們放棄使用單克隆抗體,改用親和純化方法制備的蛇毒種屬特異性抗體。Dong等將竹葉青蛇毒、孟加拉眼鏡蛇毒、眼鏡王蛇毒和紅口腹蛇毒的抗血清分別用其它3種蛇毒處理以除去抗血清中能夠發(fā)生交叉反應(yīng)的抗體,然后用這4種抗血清建立了可用肉眼觀察鑒定結(jié)果的蛇毒光學(xué)免疫檢測(cè)方法(OIA)。該方法在毒素檢測(cè)濃度和交叉反應(yīng)方面的性能與2002年的方法非常相似,在用全血、血漿、尿液、傷口分泌物、皰液和組織勻漿樣品開(kāi)展的性能測(cè)試中表現(xiàn)優(yōu)異。
蛇類(lèi)的一次排毒量只有數(shù)毫克至一百多毫克,蛇毒進(jìn)入人體后隨著人體體液的稀釋?zhuān)瑵舛葧?huì)急劇下降,因此鑒定方法的靈敏度對(duì)于鑒定能否成功至關(guān)重要。Dong等開(kāi)發(fā)的光學(xué)免疫檢測(cè)方法在體內(nèi)蛇毒測(cè)試中,不但在交叉反應(yīng)方面表現(xiàn)優(yōu)秀,而且擁有極低的檢測(cè)限,在蛇傷案件鑒定中無(wú)疑是具有重大應(yīng)用價(jià)值的。4.4.4熒光免疫檢測(cè)法(fluorescence immunoassay)
熒光免疫檢測(cè)法是將熒光檢測(cè)與免疫檢測(cè)結(jié)合而成的一種免疫檢測(cè)方法,具有很高的檢測(cè)靈敏度。熒光免疫檢測(cè)法需要先將已知的抗原或抗體標(biāo)記上熒光素,制成熒光抗體(或抗原),再用這種熒光抗體(或抗原)作為探針檢測(cè)組織或細(xì)胞內(nèi)的相應(yīng)抗原(或抗體)。在組織或細(xì)胞內(nèi)形成的抗原抗體復(fù)合物上含有標(biāo)記的熒光素,利用熒光顯微鏡觀察標(biāo)本,熒光素受外來(lái)激發(fā)光的照射而發(fā)生明亮的熒光,從而確定抗原或抗體的含量。
1988年,Lomonte等[28]首次用鼠單克隆抗體建立了一種用于檢測(cè)粗鱗矛頭蝮(Bothrops asper)蛇毒的酶聯(lián)熒光免疫方法。這是非常重要的一次研究,它將熒光技術(shù)融入了蛇毒鑒定方法,還試圖用單克隆抗體消除免疫方法鑒定蛇毒長(zhǎng)期存在的交叉反應(yīng)問(wèn)題,但是由于選擇的單克隆抗體不夠理想,Lomonte的方法被發(fā)現(xiàn)可以與墨西哥跳蝮(B.nummifer)蛇毒產(chǎn)生明顯的交叉反應(yīng)。1993年,Bhatti等[29]也建立了用于檢測(cè)山蝰(Vipera russelli)蛇毒的酶聯(lián)熒光免疫法。相比于Lomonte的方法,Bhatti的方法在檢測(cè)靈敏度方面可謂進(jìn)步巨大,由1.5 ng/mL下降到了0.1pg/mL。然而,Bhatti也沒(méi)能避免交叉反應(yīng),他選擇的抗體與蝰科(Viperinae)和蝮亞科(Crotalinae)的蛇毒間存在明顯的交叉反應(yīng)。在Lomonte和Bhatti之后,新加坡的Gao[30]和美國(guó)的Gilliam[31]于2008年和2013年也分別建立了單珠熒光免疫法和熒光ELISA法用于蛇毒鑒定,但均未能克服交叉反應(yīng)的影響。
熒光免疫檢測(cè)是一種非常靈敏的檢測(cè)技術(shù),借助抗原-抗體結(jié)合的高特異性,對(duì)生物樣品中的蛇毒進(jìn)行專(zhuān)屬鑒定也完全可行。但是,由于目前對(duì)蛇毒蛋白和蛇毒抗體的研究還不夠全面,自Lomonte以來(lái),該方法均因?yàn)槿狈μ禺愋宰銐驈?qiáng)的抗體與之相配套,而無(wú)法用于蛇傷實(shí)際案件的鑒定。
4.4.5 酶聯(lián)免疫吸附檢測(cè)法(enzyme-linked immunosorbent assay,ELISA)
ELISA方法的基本原理是利用酶分子與抗體或抗抗體分子共價(jià)結(jié)合形成酶標(biāo)抗體,酶標(biāo)抗體可與吸附在固相載體上的抗原或抗體發(fā)生特異性結(jié)合,滴加底物溶液后,底物可在酶作用下出現(xiàn)顏色反應(yīng),可以通過(guò)顏色反應(yīng)是否出現(xiàn)來(lái)判定有無(wú)相應(yīng)的免疫反應(yīng),而顏色的深淺是與標(biāo)本中相應(yīng)抗體或抗原的量呈正比的。在最近30年里,該方法在檢測(cè)性能方面獲得了長(zhǎng)足進(jìn)步。目前,ELISA方法已經(jīng)成為蛇毒檢測(cè)最常用的免疫學(xué)方法。
ELISA方法用于蛇毒檢測(cè)是源于1977年Theakston[32]的一項(xiàng)研究。當(dāng)時(shí),Theakston和他的團(tuán)隊(duì)嘗試將剛出現(xiàn)不久的ELISA新技術(shù)應(yīng)用于臨床蛇傷的鑒定,在隨后的測(cè)試過(guò)程中,這種新方法表現(xiàn)出了令人滿意的靈敏度,檢測(cè)限可以達(dá)到1~5 ng/mL。這一次的嘗試是ELISA法應(yīng)用于蛇傷鑒定的開(kāi)始,圍繞ELISA方法的下一個(gè)重要發(fā)現(xiàn)來(lái)自于1981年Gopalakrishnakone[33]的研究。為了弄清蛇毒抗血清的特異性,Gopalakrishnakone等用南美響尾蛇(Crotalus durissus terrificus)的抗血清建立了ELISA流程來(lái)研究與多種蛇毒磷酸酯酶A2的反應(yīng)。這項(xiàng)研究第一次揭示了蛇毒蛋白質(zhì)成分的相似是免疫學(xué)方法鑒定蛇毒時(shí)交叉反應(yīng)產(chǎn)生的基礎(chǔ),為交叉反應(yīng)的克服提供了理論基礎(chǔ)。
交叉反應(yīng)的存在對(duì)于蛇傷臨床治療是有利的,但是對(duì)于蛇傷的準(zhǔn)確鑒定卻是非常不利的[34]。為了克服免疫學(xué)方法鑒定蛇傷時(shí)存在的交叉反應(yīng),以Barral-Netto為首的一些學(xué)者開(kāi)始嘗試制備蛇毒中單一組分的多克隆抗體并將其用于蛇毒鑒定。Barral-Netto等[35]從南美響尾蛇(Crotalus durissus terrificus)蛇毒中純化出了單一毒素成分:響尾蛇毒素(crotoxin),并制備了這種毒素的多克隆抗體。利用這種抗體建立的ELISA方法其交叉反應(yīng)強(qiáng)度明顯降低,只是當(dāng)其它毒素的濃度達(dá)到1μg/mL時(shí)才出現(xiàn)交叉反應(yīng),可以說(shuō)是ELISA法鑒定蛇毒的一次重大突破。1994年,Li等[36]運(yùn)用與Barral-Netto相似的方法建立了寬帶銅斑蛇(Agkistrodon contortrix laticintus)蛇毒的鑒定方法,同樣獲得了不錯(cuò)的檢測(cè)性能。測(cè)試結(jié)果顯示,該方法對(duì)蝮蛇屬(Agkistrodon species)的其它蛇毒沒(méi)有明顯的交叉反應(yīng),僅對(duì)矛頭蝮屬(Bothrops species)的2種蛇毒存在明顯的交叉反應(yīng)。
蛇毒單一毒素多克隆抗體的應(yīng)用大大降低了ELISA法鑒定蛇毒時(shí)的交叉反應(yīng),但是交叉反應(yīng)在一定范圍內(nèi)仍然存在并繼續(xù)困擾著低濃度蛇毒樣品的鑒定。為了進(jìn)一步克服交叉反應(yīng),一些學(xué)者開(kāi)始將單一毒素的單克隆抗體引入蛇毒ELISA鑒定方法。在這個(gè)方向上的第1次嘗試是由瑞典的Amuy團(tuán)隊(duì)完成的。1997年,Amuy等[37]制備了中美珊瑚蛇(Micrurus nigrocinctus)蛇毒的單克隆抗體并將其與多克隆抗體進(jìn)行了對(duì)比測(cè)試,使用單克隆抗體的ELISA方法表現(xiàn)出了更低的交叉反應(yīng)強(qiáng)度。在這之后,巴西的Fernandes[38]于 2010年再次用三色矛頭蝮(Bothrops asper)蛇毒金屬蛋白酶BaP1的單克隆抗體研究ELISA鑒定蛇毒的交叉反應(yīng),同樣獲得了令人滿意的結(jié)果。Fernandes在研究中用了27種異種蛇毒做交叉反應(yīng)測(cè)試,這是迄今為止最為全面的一次測(cè)試,測(cè)試結(jié)果再次證明了蛇毒單克隆抗體可以有效降低交叉反應(yīng)的發(fā)生。
在Amuy和Fernandes做蛇毒單克隆抗體研究的同時(shí),另一些學(xué)者卻在嘗試采用經(jīng)親和純化的多克隆抗體來(lái)鑒定蛇毒。其原理是將異種蛇毒包被在經(jīng)活化的色譜載體上,讓目標(biāo)蛇毒的抗血清流經(jīng)色譜柱,收集流出液即為蛇毒種屬特異性抗體,然后用這種抗體來(lái)構(gòu)建ELISA鑒定方法。在目前對(duì)蛇毒蛋白質(zhì)認(rèn)識(shí)不足、特異性單克隆抗體很少的情況下,這種方法具有很高的實(shí)用價(jià)值。自20世紀(jì)90年代以來(lái),很多學(xué)者采用這種抗體開(kāi)展的體內(nèi)外蛇毒研究結(jié)果也證實(shí)了蛇毒種屬特異性抗體擁有優(yōu)異的檢測(cè)特異性[39-44]。
在檢測(cè)靈敏度方面,隨著生物素-親和素(Biotin-Avidin,BA)放大系統(tǒng)被引入到 ELISA方法中[45-46],目前的ELISA法鑒定蛇毒的靈敏度已經(jīng)達(dá)到了pg級(jí)。
就生物樣品中蛇毒鑒定的靈敏度、特異性以及鑒定方法實(shí)施的難易程度來(lái)看,ELISA法是目前蛇毒免疫學(xué)鑒定方法中的最佳選擇。
20世紀(jì)80年代,隨著電噴霧離子化(Electrospray Ionization,ESI)技術(shù)和基質(zhì)輔助激光解析離子化(Matrix-Assisted Laser Desorption/Ionization,MALDI)技術(shù)的出現(xiàn),用質(zhì)譜分析蛋白質(zhì)成為了可能。質(zhì)譜法鑒定蛋白質(zhì)的原理是運(yùn)用不同離子化方法將樣品中的組分解離為氣相離子后,根據(jù)不同離子質(zhì)荷比(m/z)的差異進(jìn)行分離,從而鑒定蛋白質(zhì)。因?yàn)橘|(zhì)譜法具有高通量、高靈敏度、可自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn),所以在蛋白質(zhì)鑒定領(lǐng)域迅速擴(kuò)展。近十年來(lái),質(zhì)譜技術(shù)也頻頻出現(xiàn)在蛇毒蛋白的研究領(lǐng)域。
4.5.1 基質(zhì)輔助激光解析離子化質(zhì)譜法(MALDI-MS)
基質(zhì)輔助激光解析離子化是用基質(zhì)包裹樣品分子,在激光照射下,基質(zhì)氣化將樣品分子釋放到氣相中的技術(shù)。這是一項(xiàng)軟電離技術(shù),非常適合生物大分子的電離。
2003年,英國(guó)的Creer等[47]用基質(zhì)輔助激光解析飛行時(shí)間質(zhì)譜法(MALDI-TOF-MS)研究了臺(tái)灣及周邊島嶼蝮蛇(pit viper)蛇毒的種間變異。他們從蛇毒中鑒定到了大量蛋白質(zhì),從中尋找到了7種不同的磷酸酯酶A2(PLA2)及異構(gòu)體,邁出了MALDI-MS鑒定蛇毒蛋白質(zhì)精細(xì)差異的第一步,也證明了MALDI-MS有能力區(qū)分不同種類(lèi)的蛇毒。同年,臺(tái)灣的Nawarak等[48]也用多維色譜技術(shù)結(jié)合MALDI-MS研究了眼鏡蛇科(Elapidae)和蝰科(Viperidae)共 10 種蛇毒在蛋白質(zhì)組成方面的差異(種內(nèi)差異、種間差異和科間差異)。在這項(xiàng)研究中,Nawarak共鑒定到了133種蛋白質(zhì),從中篩選出了各種蛇毒特有的蛋白質(zhì),這是第一次用MALDI-MS對(duì)蛇毒蛋白進(jìn)行大規(guī)模的橫向比較。但是Nawarak的研究也暴露出了多維色譜技術(shù)結(jié)合MALDI-MS檢測(cè)蛋白質(zhì)的缺點(diǎn):獲得的數(shù)據(jù)量偏小。
Creer和Nawarak的研究為MALDI-MS在蛇毒蛋白質(zhì)組學(xué)研究中的應(yīng)用打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ),此后,很多研究人員陸續(xù)用類(lèi)似的方法對(duì)各種蛇毒開(kāi)展了與蛇毒進(jìn)化、蛇種歸屬和蛇類(lèi)發(fā)育等相關(guān)的研究[49-54],獲得了豐富的數(shù)據(jù),極大的推進(jìn)了MALDI-MS在蛇毒蛋白質(zhì)組學(xué)中的應(yīng)用。
4.5.2 電噴霧離子化質(zhì)譜法(ESI-MS)
電噴霧離子化是一種在大氣壓下實(shí)現(xiàn)電離的技術(shù),其原理是利用毛細(xì)管和質(zhì)譜儀進(jìn)口間的電勢(shì)差生成離子,在電場(chǎng)作用下產(chǎn)生以噴霧形式存在的帶電液滴,當(dāng)使用干燥氣加熱時(shí),溶劑蒸發(fā),液體體積縮小,最終生成去溶劑化離子。電噴霧電離的特點(diǎn)是可以生成高度帶電的離子而不發(fā)生碎裂,可以極大的降低質(zhì)荷比,非常適合于檢測(cè)生物大分子。
2002年,澳大利亞的Fry等[55]用高效液相色譜(HPLC)結(jié)合ESI-MS技術(shù)研究了澳大利亞4種死蝰(death adder)的蛇毒蛋白,發(fā)現(xiàn)這4種蛇毒組分最明顯的特點(diǎn)是多樣化,研究結(jié)果對(duì)于確定死蝰的分類(lèi)地位和系統(tǒng)學(xué)關(guān)系很有幫助。2003年,F(xiàn)ry等[56]繼續(xù)用HPLC結(jié)合ESI-MS技術(shù)研究蝰蛇(5種)、眼鏡蛇(15種)和有毒游蛇(22種)的毒液蛋白,這是迄今為止最大規(guī)模的蛇毒蛋白質(zhì)組學(xué)研究。在這項(xiàng)研究中,F(xiàn)ry等發(fā)現(xiàn)不同的蛇毒在蛋白質(zhì)組成上差異明顯,他們還在游蛇科蛇毒中發(fā)現(xiàn)了一些常見(jiàn)于眼鏡蛇科和蝰蛇科的毒素蛋白(3指毒素和富含半胱氨酸的分泌蛋白),這些發(fā)現(xiàn)對(duì)于蛇毒鑒定和蛇傷鑒定都有著重要意義。
Fry課題組的研究對(duì)于ESI-MS用于蛇毒蛋白質(zhì)檢測(cè)是具有里程碑意義的,在這之后,涌現(xiàn)出了大量用ESI-MS研究蛇毒蛋白質(zhì)的文獻(xiàn)[57-61]。為了進(jìn)一步追求蛇毒蛋白質(zhì)鑒定的數(shù)量,也有一些課題組將ESI-MS和MALDI-MS方法結(jié)合起來(lái)研究蛇毒[62-67],但是,遺憾的是這些研究普遍都只著眼于純蛇毒的蛋白質(zhì)鑒定,而沒(méi)有開(kāi)展生物樣品中蛇毒蛋白質(zhì)的研究,也沒(méi)有關(guān)注蛇毒中毒生物體內(nèi)生物標(biāo)記物的發(fā)現(xiàn)。這一狀況直到2011年才由哥斯達(dá)黎加的Rucavado[68]打破。Rucavado給小鼠注射Bothrops asper蛇的蛇毒,然后收集傷口分泌物,用LC-MS對(duì)分泌物中的內(nèi)源蛋白質(zhì)進(jìn)行鑒定,共鑒定到340個(gè)內(nèi)源蛋白質(zhì),主要包括細(xì)胞內(nèi)蛋白、血漿蛋白、細(xì)胞外基質(zhì)蛋白和細(xì)胞膜相關(guān)蛋白,這些蛋白質(zhì)的出現(xiàn)表明Bothrops asper蛇毒可以造成細(xì)胞破壞、胞漿滲出、細(xì)胞外基質(zhì)降解和膜蛋白脫落,其中一些蛋白質(zhì)甚至有可能成為Bothrops asper蛇毒導(dǎo)致的心肌壞死和微血管損傷的生物標(biāo)記物。Rucavado的研究對(duì)于蛇傷鑒定意義重大,該研究將目標(biāo)首次瞄向了生物標(biāo)記物,為蛇傷鑒定指出了新的方向。繼Rucavado之后,巴西的Paes Leme[69]也開(kāi)展了重要的研究工作,他用LC-MS/MS研究了蛇毒基質(zhì)金屬蛋白酶(HF3,來(lái)自于Bothrops jararaca蛇毒)的出血活性,率先將蛇毒單一毒素與中毒動(dòng)物內(nèi)源蛋白質(zhì)的變化聯(lián)系了起來(lái)。Paes Leme將HF3分別注入小鼠背部皮下和腿部肌肉,然后收集背部皮膚和血漿,與對(duì)照組相比分析其中的差異蛋白質(zhì)。在這項(xiàng)研究中,細(xì)胞外基質(zhì)、細(xì)胞溶質(zhì)、細(xì)胞骨架和胞漿蛋白被發(fā)現(xiàn)在中毒皮膚中降解明顯,而在血漿中降解最明顯的則是纖連蛋白。Rucavado和Paes Leme開(kāi)辟了蛇傷研究的新領(lǐng)域,這對(duì)于蛇傷鑒定和蛇傷治療都具有重要意義。
質(zhì)譜法用于蛇毒研究在近十年來(lái)獲得了快速發(fā)展,積累了大量的蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)和研究經(jīng)驗(yàn),這為蛇毒中毒機(jī)理的深入研究提供了新的舞臺(tái),也為蛇傷鑒定做了新的鋪墊。未來(lái),這一領(lǐng)域?qū)⑹巧邆芯康闹攸c(diǎn)領(lǐng)域之一。
蛇毒蛋白是蛇毒的毒性成分,不同蛇類(lèi)其毒素蛋白質(zhì)的組成是不同的,在某種意義上,蛇傷鑒定也就是鑒定生物樣品中的蛇毒蛋白質(zhì),從而對(duì)肇事蛇種做出推斷。根據(jù)當(dāng)前的數(shù)據(jù),全世界的毒蛇約650余種,分別屬于前溝牙類(lèi)毒蛇、后溝牙類(lèi)毒蛇和管牙類(lèi)毒蛇,但已經(jīng)開(kāi)展蛇毒蛋白質(zhì)組學(xué)研究的毒蛇僅有100多種,這表明我們對(duì)蛇毒蛋白所知甚少,將大大影響蛇毒鑒定的準(zhǔn)確性。因此,建立詳細(xì)而全面的蛇毒蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù),解決蛇毒蛋白質(zhì)研究中的生物信息學(xué)瓶頸,可能仍是未來(lái)很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)的研究重點(diǎn)。
在目前階段,免疫學(xué)方法是鑒定蛋白質(zhì)的主要手段,因此其也順理成章成為生物樣品中蛇毒蛋白鑒定的主要研究方向,并獲得了很大進(jìn)展。但縱觀早期的蛇傷免疫學(xué)鑒定方法,我們可以看到存在大量蛋白間的交叉反應(yīng),以至于很多方法只是停留在實(shí)驗(yàn)室研究階段,并沒(méi)有進(jìn)入臨床應(yīng)用。近期的蛇傷免疫鑒定方法主要是應(yīng)用經(jīng)免疫親和柱純化的抗血清或經(jīng)嚴(yán)密篩選的單克隆抗體來(lái)實(shí)施的,這2種方法在原理上是可以避免鑒定中的交叉反應(yīng),為蛇傷鑒定帶來(lái)準(zhǔn)確結(jié)果的,但是,這2種方法在蛇傷鑒定研究中起步較晚,至今也只有極少數(shù)商品化蛇毒鑒定試劑盒供應(yīng)。免疫法鑒定蛇傷雖然還存在一些需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題(主要是特異性抗體的篩選),但其發(fā)展前景無(wú)疑是非常光明的,其所具有的高靈敏度和快速響應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)非常適合臨床應(yīng)用。未來(lái),在解決了抗體特異性的問(wèn)題以后,免疫法鑒定蛇傷可能被臨床廣泛接受。
另一個(gè)有發(fā)展前景的鑒定方法是質(zhì)譜法,但該方法起步較晚,相對(duì)于免疫方法其基礎(chǔ)薄弱、數(shù)據(jù)積累少,而且目前的質(zhì)譜法鑒定蛋白質(zhì)存在耗時(shí)過(guò)長(zhǎng)和儀器操作過(guò)于復(fù)雜的缺點(diǎn),還不適宜臨床大規(guī)模應(yīng)用。但值得注意的是,近10年來(lái)生物大分子質(zhì)譜鑒定技術(shù)的快速發(fā)展和儀器的快速改良向我們展示了它的潛力,而且質(zhì)譜技術(shù)一次可以鑒定上千個(gè)蛋白質(zhì),讓我們可以用蛋白質(zhì)群來(lái)對(duì)蛇毒做出歸屬,這對(duì)于提高鑒定準(zhǔn)確性非常有利,無(wú)疑是非常有吸引力的。隨著質(zhì)譜鑒定蛋白質(zhì)流程的快速化、儀器的簡(jiǎn)單化,質(zhì)譜法也必將在蛇傷鑒定中發(fā)揮重要作用。
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