生物化学与生物化学检验发展史

(一)生物化学发展史

生物化学的起源与18世纪末化学的发展和19世纪生物学的发展密切相关。生物化学萌发于18世纪,19世纪初步发展,20世纪初期成为一门独立的学科。

1.18—19世纪 德国化学家Justus von Liebig(1803—1873)的研究对当时生物化学的萌发起了重大作用,1903年Carl Neuberg(1877—1956)首先使用了“生物化学”这一名词。18世纪法国化学家Antoine Lavoisier(1743—1794)通过研究动物的体温和呼吸,首次证明了动物发热是体内物质氧化的结果,为生物化学分解代谢的研究奠定了基础。19世纪上半期(1828)德国化学家Frederich Wohler(1800—1882)用加热法将无机化合物氰酸铵合成为有机物尿素,Ernst Hoppe-Seyler(1828—1895)于1864年第一次提出“生理化学”这个名词,首次分离和结晶了血红蛋白,并制备了纯卵磷脂。另一位德国化学家Justus von Liebig通过研究动植物生理学,阐明了动物发热是食物在体内“燃烧”的结果。继Liebig之后,在生物化学早期发展中有卓越贡献的还有Carl Ludwig(1816—1895)、Carl Voit(1831—1908)和Emil Fischer (1852—1919)等。Carl Voit(Liebig的学生)主要阐明了食物的专一性发热作用、氮平衡、糖脂互变、糖脂代谢对蛋白质的庇护等生理作用,为后来的营养学和基础代谢奠定了基础。

2.20世纪 Emil Fischer于1894年首先提出酶的专一性及酶作用的“锁-钥”学说,阐述了酶的作用机制,20世纪初证明了蛋白质是由不同氨基酸连接成的长链,对单糖的发现和结构也做出了重要贡献,被人们誉为“生物化学之父”。在德国生物化学发展的影响下,美国和英国的生物化学相继兴起。H.P.Bowditch(1840—1911)美国生物化学创始人之一,在Havard大学成立了第一个生理化学研究室。R.H.Chittenden(1856—1943)研究了人体对蛋白质的需要,开辟了美国营养学研究的途径,为生物化学人才的培养立下汗马功劳。F.G.Hopkins (1861—1947)是英国生物化学的开山大师,他所领导的Cambridge生物化学系为全世界培养了众多专业人才。在20世纪30年代前,生物化学的研究侧重于生理和化学两个方面,对激素和各种维生素的分离和鉴定、人体氨基酸需要的阐明及对医药学和营养学起到了重要作用。最突出的生物化学成就包括酶的结晶、中间代谢途径的阐明、生物能量学的发展、生物大分子结构和功能及分子生物学的兴起等。20世纪40年代,在蛋白质与氨基酸、营养与健康、酶代谢调节等方面的研究,使生物化学进入蓬勃发展阶段。20世纪50年代,发现蛋白质α-螺旋结构形式,1953年Watson JP和Crick FH提出了DNA双螺旋结构模型,用分子结构特征揭示生命现象,提出了遗传中心法则,开创了分子生物学时代。

3.分子生物学 分子生物学是在分子水平上研究生命现象的科学,它的诞生是生物化学的又一次革命,主要从大分子的三维结构认识它们的生物功能。

(二)生物化学检验发展史

生物化学检验的发展经历了漫长的过程。早在3000年前就有人发现,疾病可引起人类体液成分的变化。最早的发现是尿液中蛋白质和葡萄糖,第一个检查尿液蛋白的物理实验是中国人发明的,用竹条搅动尿液起泡说明有疾病,从而有“泡沫尿表明有疾病”的记载。公元前500年的埃及人将尿液倒在干沙上,记录尿液吸引蚂蚁的数量来判断是否患有某种疾病,尿液越甜蚂蚁数量越多,患某种疾病的概率越大,至18世纪,法国化学家研究证实,尿液中能吸引蚂蚁的甜物质是葡萄糖。

人体体液成分的分析始于18世纪后期。英国医生Bence Jones将多发性骨髓瘤患者的尿液加热,随着温度的升高,尿液由清透逐渐变浑浊,当尿液近沸腾时又变清透,证明尿液中存在一种特殊的凝溶物质,后称为“Bence Jones Protein”(本周蛋白)。现在研究表明,本周蛋白实质上是免疫球蛋白游离的轻链。100多年前,有学者用重量法对正常人和脱水患者的血浆电解质进行了分析,其结果与现在报道的浓度有惊人的一致性。

早期的化学检验主要应用重量分析、滴定分析和目视比色法,分析正常和疾病状态下体液中糖、蛋白质、脂类及代谢物和电解质的变化。比色分析是目前生化检验的一项最主要技术。最早的比色分析开始于1904年,Folin用目视比色法测定肌酐含量。1919年,北京协和医学院吴宪教授在哈佛大学Otto Folin教授指导下,完成了题为“一个血液分析系统”的博士论文,他们共同建立的无蛋白血滤液制备,为测定血糖、非蛋白氮、尿素、肌酐、肌酸等奠定了血液化学分析的基础,并在我国一直沿用至20世纪70年代。1924年吴宪教授建立我国第一个生物化学系,利用物理和化学方法,对血液及其他体液中的化学成分进行测定,开展了生物化学检验工作,培养了国内第一批生物化学检验工作者,为我国的生物化学检验奠定了基础。南京军区总医院在我国最早成立了“临床生化科”。

1910年,Wohlgemulh第一个将测定尿淀粉酶活性作为诊断急性胰腺炎的指标,并于1920年开始用比色分析测定血清酶。1954年,Ladue等发现,血清乳酸脱氢酶增高可见于多种疾病,酶学研究和检测技术的不断改进,促进了酶学分析技术的快速发展,逐步阐明了酶在生命活动中的作用,以及同工酶在器官组织中的分布规律。体液同工酶特异性催化生物化学反应产物的研究,为了解代谢紊乱及器官组织病变的定位提供了依据,不仅能对常见酶进行检测,而且可以测定同工酶,并将多种相关酶进行组合形成酶谱分析,大大提高了酶学诊断的灵敏度和特异性。20世纪60年代以后,许多学者对淀粉酶同工酶进行了研究。1964年,Norby分离出了唾液及胰腺淀粉酶同工酶。1967年,Aw成功进行了尿淀粉酶同工酶的检测。随后,血清碱性磷酸酶等多种酶的测定在实验室相继开展并应用。

20世纪30年代,由于光电比色计的问世,生物化学检验产生了质的飞跃,体液中许多化学物质包括酶活性测定,通过光电比色技术进行检测,减少了人为误差,提高了检验结果的准确性。直到20世纪50年代初,火焰光度计的应用又使电解质分析产生了革命性变化。20世纪50年代以后,随着分光光度技术、离心技术、电泳技术、层析技术的应用及相应仪器的问世,生物化学检验有了较可靠及敏感的检测方法和仪器。1958年,国产光电比色计的问世,迅速取代了陈旧的目视比色计,其中581型光电比色计一直沿用到20世纪70年代,20世纪60年代初,72型分光光度计及雷磁p H计等仪器的问世,为我国生物化学检验的发展做出了重要贡献。20世纪70年代以后,放射免疫分析技术、化学发光技术及电化学发光技术在临床的广泛应用,极大扩展了生物化学检验的范围,提高了检测的灵敏度和特异性,许多微量、超微量的检测技术也在实验室得到了应用。20世纪80年代,聚合酶链反应(polymerase chain reaction,PCR)将生物化学检验与分子生物学检验向前推进了一大步。

20世纪后期至今,随着分子生物学技术的快速发展,人类对疾病的认识已从分子生物学水平深入到基因、蛋白质水平,扩大了生物化学检验领域。高灵敏度和高特异性的多种免疫学定量检测技术、离子选择电极技术、计算机技术及自动生化分析仪的引入,使生物化学检验进入了自动化、微量化和信息化时代。我国生物化学检验的发展与国际基本同步,呈现出蓬勃发展的良好局面,与检测方法发展相适应的仪器在近几十年中也得到了飞速发展。1957年Skeggs等首先引用了连续流动式分析装置,将手工操作技术实现了半自动化;1964年开始使用多通道生化分析仪;1969年发明了离心式生化分析仪;全自动生化分析仪与功能齐全的计算机处理系统的联合应用使生物化学检验实现了全部自动化。

生物化学检验最早的质量控制是凭借人们的工作经验、重复性实验和检测人员对同一标本的反复检测来比较检验结果的准确性。直到1950年,Levey-Jennings把Shewhart的工业质量控制方法引入临床检验,使生物化学检验质量控制有了较可靠的方法,并得以进一步完善和应用。

(三)我国生物化学及生物化学检验教材、著作、杂志发展史

Lichtuitz于1918年首先出版了《临床化学》专著,1931年Van Slyko出版了《临床化学》教科书,概括了相关研究成果,标志着该学科的初步形成。新中国成立前,我国没有中文版的生物化学教科书和实验教程,20世纪20年代齐鲁大学江清等翻译了良氏(Conant)《生物化学》(上海博医会出版)教科书,但未被普遍采用;燕京大学化学系在美国学者Adolph博士主持下开设生物化学主修课,当时采用了Bodansky(布坦斯基)编著的《生物化学大纲》(Introduction of Biochemistry),这也是我国采用的第一种国外生物化学教科书。在20世纪30年代,我国著名生物学家秉志教授主持的中国科学社生物研究所,其中郑集教授筹备的生物化学研究室成为我国第一个生物化学专业机构。1938年,郑集教授编写的《生物化学实验手册》(A Laboratory Manual of Biochemistry)在成都华英书局正式出版,成为我国第一本自编的生物化学原理著作,也是我国第一部生物化学参考书。1946年,郑集教授在成都前中央大学医学院成立了生物化学研究所,这是我国第一个生物化学专业研究机构。1947年,蓝天鹤在前华西大学医学院设立了第二个生物化学研究所。

1957年,刘士豪教授出版了我国第一部生物化学检验专著《生物化学与临床医学的联系》。1978年,中华医学会创办了《中华医学检验杂志》(叶应妩主编),并于1979年迎来了中华医学会检验学会的成立(叶应妩任主任委员),深受广大专业人员的欢迎,令临床化学的发展出现了又一个高潮。临床化学论文在《中华医学检验杂志》上占了相当大的比例。20世纪70年代,朱忠勇等编写了《临床医学检验》专著。1979年,叶应妩等主编的《临床实验诊断学》总结了我国20世纪80年代的临床化学进展。随着国内高等医学检验教育的兴办和医学检验的发展,相继出版了多部生物化学检验教材、专著和译著,如1979年、1982年陶义训等专家编写了《临床生化检验》(上、下册),是我国临床生物化学检验的第一部专著。1989年,由康格非教授主编,人民卫生出版社出版的《临床生物化学》是我国第一部供高等医学检验专业使用的生物化学检验教材。1990年,由林其燧、文庆成主译的《临床化学诊断方法大全》是该时期的大型译著。此外,还有不少有临床化学内容的杂志创刊,如《国外医学·临床生物化学与检验学分册》(1980)、《临床检验杂志》(1983)、《上海医学检验杂志》(1986)等,使临床化学出现了欣欣向荣的可喜局面。1991年,由国家卫生部部长签署淘汰了35项陈旧实验(多为生化项目)的命令,代之以更特异、灵敏的实验与方法。1992年,发布了诊断药品管理文件,随后国家卫生部临床检验中心制订了临床化学体外诊断试剂盒的鉴定标准。1991年和1996年国家卫生部医政司出版了《临床检验操作规程》(第1版、第2版),2006年再版为《全国临床检验操作规程》(第3版)。国家卫生部全国卫生标准技术委员会于1997年批准成立了临床检验标准专业委员会,推进了临床检验与临床化学标准化的进程。2006年,国家卫生部出台了《医疗机构临床实验室管理办法》,又于2007年公布了医疗机构临床检验项目,2013年经国家卫生计生委组织专家修订,形成了《医疗机构临床检验项目目录(2013年)》,规范了医学检验项目。