质谱分析在生物医学领域的应用现状与前景

质谱分析在生物医学领域的应用现状与前景一、质谱分析在生物医学领域应用现状与前景质谱是带电原子、分子或分子碎片按质荷比（或质量）的大小顺序排列的图谱。质谱仪是一类能使物质粒子转化成离子并通过适当的电场、磁场将它们按空间位置、时间先后或轨道稳定与否实现质荷比分离，并检测强度后进行物质分析的仪器。1.质谱分析技术简介用于分析的样品分子（或原子）在离子源中离化成具有不同质量的单电荷分子离子和碎片离子，这些单电荷离子在加速电场中获得相同的动能并形成一束离子，进入由电场和磁场组成的分析器，离子束中速度较慢的离子通过电场后偏转大，速度快的偏转小；在磁场中离子发生角速度矢量相反的偏转；即速度慢的离子依然偏转大，速度快的偏转小，当两个场的偏转作用彼此补偿时，它们的轨道便相交于一点，与此同时，在磁场中还能发生质量的分离，这样就使具有同一质荷比而速度不同的离子聚焦在同一点上，不同质荷比的离子聚焦在不同的点上，其焦面接近于平面，在此处用检测系统进行检测即可得到不同质荷比的谱线，即质谱。通过质谱分析，可以获得分析样品的相对分子质量、分子式、分子中同位素构成和分子结构等多方面的信息。质谱联用系统主要是由进样系统、离子源、质量分析器、检测器及数据系统组成。LC-MS离子源主要起到化合物离子化并作为液相和质谱联用的接口，主要包括电喷雾离子化、大气压化学电离及大气压光致电离，其中以电喷雾离子化和大气压化学电离应用最多，电喷雾离子化被认为更有利于分析生物大分子及其他分子量大的化合物，而大气压化学电离更适合于分析极性较小的化合物。而根据质量分析器的不同，LC-MS系统又可分为单四级杆、三重四级杆、离子阱和高分辨质谱仪。对于临床实验室而言，由于血浆、血清、尿液或唾液等生物样品基质较复杂，以定量分析为主，一般首选三重四级杆LC-MS质谱仪。上述质谱仪适用于临床实验室的体液标本分析，而对于微生物鉴定而言，基质辅助激光解吸电离飞行时间（MALDI-TOF）生物质谱则更为适合其蛋白质组学分析。图表1质谱联用系统的组成2.质谱发展简史世界上第一台质谱仪于1912年由英国物理学家JosephJohnThomson研制成功，但直到20世纪80年代，MALDI、ESI等软电离技术的出现，使生物大分子转变成气相离子成为可能，并极大的提高了质谱测定范围，改善了测量的灵敏度，在一定程度上解决了溶剂分子干扰等问题，使质谱更适合用于分析生物大分子聚合物（如蛋白质、酶、核酸和糖类），被认为是质谱学中革命性的突破，也开拓了质谱技术在生物医学领域的应用。质谱分析仪器中较早实现联用技术的是气相色谱-质谱（CG-MS），但其仅能分析具有挥发性和小分子量的物质，对于大分子量（尤其是蛋白质、多肽）和不挥发性化合物则无法检测。近年来，国际上应用的越来越多的是串联质谱（MS/MS）、液相色谱-质谱（LC-MS）或液相色谱-串联质谱（LC-MS/MS），尤其在临床医学领域，LC-MS的应用愈加广泛，包括疾病的诊断和筛查、生物标志物的研究、药物浓度检测、疾病早期预测和治疗等。3.质谱在生物医学领域的应用新生儿疾病筛查质谱技术在该领域的发展已十分成熟。利用LC-MS技术可同时筛查十几种新生儿疾病。质谱技术能做到筛查效率高、结果可靠，费用相对低廉，这是常用分析方法如细菌抑制法、放射免疫分析法、酶联免疫吸附试验、时间分辨荧光免疫分析法、荧光酶免疫分析法等不可企及的。以我国每年2200万新生儿中有苯丙酮尿症患儿1700例和先天性甲减患儿5000例计算，新生儿串联质谱有着重要的社会意义和广阔的市场空间。药物浓度监测作为临床个体化治疗的重要组成部分，对于一些血药浓度与疗效关系密切、有明确的有效浓度范围、治疗窗较窄、体内代谢个体差异大、药物中毒症状与疾病症状难以鉴别、用于长期治疗和抢救的药物等情况下，临床需测定体液中药物的浓度，指导临床个体化治疗。目前，临床实验室仍以免疫分析为主要检测方法，质谱分析法由于自动化程度不足和缺少认证试剂而在近期难以取代前者，但其极高的灵敏度为药物浓度监测提供更加可靠的依据。美国病理学家学会研究也已表明，采用LC-MS法检测结果更具有真实性和实验可信度，已成为治疗药物监测必备的分析方法。体内激素和营养素的检测体内激素的检测，如类固醇激素及其代谢产物的检测，尤其是低浓度的类固醇，如对女性和儿童来说，低浓度的雌激素或雄激素很难检测，对男性来说，低浓度的雌激素等很难检测，但这是临床上常用的检测内容，免疫法检测低于试剂盒检测下限的数据波动无法反映体内的真实水平，而LC-MS技术能为我们提供pg甚至fg级的检测下限，给临床检测提供科学准确的方法。营养素的检测如维生素D，1,25(OH)2-D3是维生素D状态最好的监测指标，但其在体内含量极低且不稳定，以往是采用放免法进行检测，而如今LC-MS法比放免法具备更高的特异度和灵敏度，同时也更加安全。微生物鉴定感染性疾病的病原学诊断目前是以微生物的分离培养作为“金标准”，但能培养成功的仅为少数，且没有明确的种群分型标准，病原体的培养周期较长，往往造成分析结果的之后和种类分型的误判。近年来，质谱技术在微生物检验方面的应用越来越多，主要得益于其得天独厚的优势：（1）可用于多种微生物样本，如痰液、血液、尿液等体液；（2）可用于几乎所有类型的病原体鉴定和分类检测；（3）可对病原的多种成分进行分析，包括蛋白质、脂质、DNA等；（4）检测速度快，一个病原微生物的质谱鉴定试验整个过程不到10min；（5）样本用量少；（6）特异性和准确性高；（7）敏感性高。在细菌检测中应用较多的是飞行质谱技术。生物标志物研究质谱技术的高灵敏度、高通量的分析特点使其在临床免疫学检验生物标志物方面成为一项有力的工具，筛选作用独特搞笑。生物质谱技术测定生物大分子的相对分子质量高达400ku，准确率高达0.1%-0.001%，远高于目前常规应用的十二烷基硫酸钠电泳和高效凝胶色谱技术。利用肽质量指纹谱技术，结合蛋白质数据库检索，可实现对蛋白质的快速鉴别和高通量筛选，寻找新的生物标志物。通过MAL-TOF-MS检测寻找特异的一组蛋白质峰，建立肿瘤早期血清差异性表达蛋白的诊断模型，对于早期快速诊断肿瘤提供可能，已有研究报道用于多种肿瘤的早期诊断。此外，利用生物质谱的准确相对分子质量测定，可实现对二硫键和自由巯基及蛋白质翻译后修饰如糖基化等的快速定位与确定，包括SNPs在内；应用MALDI-TOF质谱可对基因组SNPs进行分析，适于高通量分析，省时又可靠。4.质谱技术的优势和限制条件质谱技术具有精准度高、特异性高、灵敏度高等特点，成本经济且高通量，可实现一次实验检测多个指标，在某些领域（新生儿筛查、低浓度激素检测、药物浓度检测、微量元素检测等）具有显著的优势和不可替代的作用。但就现阶段而言，主要由于质谱检测平台的建立需投入大量的资金成本和服务成本，其结果受到基体效应和离子抑制的影响，来自不同实验室的结果不一定具有可比性，且其自动化程度不如免疫分析方法，此外由于CFDA准入的关系使得目前质谱技术在国内医院常规实验室的应用会受到一定制约。在西方国家，质谱已在临床实验室应用了20年，临床实验室标准化研究所已发布了临床质谱的使用指南，在国外的大型临床实验室中会拥有几十台质谱仪，而我国目前却仅有少数医院有质谱平台。随着质谱技术越来越成熟，在国内的使用经验愈加丰富，未来会在临床实验室检验中得到广泛应用，促进医学检测的发展。来自CFDA的数据显示，CFDA最早批准质谱技术应用于临床在2008年，截至目前为止，CFDA批准的可应用于临床的质谱技术和方法共26个，其中进口厂商申报的9个，国产厂商申报的17个。图表2CFDA批准的质谱仪器及试剂名称生产商进口质谱样品处理基质溶液生物梅里埃超高效液相色谱串联质谱系统Waters三重四极杆质谱仪ABSciex串联质谱新生儿筛查系统Waters全自动快速微生物质谱检测系统生物梅里埃琥珀酰丙酮样本前处理液（串联质谱法）多种氨基酸和肉碱测定试剂包（串联质谱法）WallacOy非衍生化多种氨基酸、肉碱和琥珀酰丙酮测定试剂盒（串联质谱法）WallacOy多种氨基酸和肉碱测定试剂盒（串联质谱法）WallacOy国产13C呼气质谱仪中科科仪飞行时间质谱系统毅新博创抗核抗体（ANA）谱质控品广州博粹抗磷脂抗体（aPL）谱质控品广州博粹自身抗体谱23项质控品苏州浩欧博他克莫司检测试剂盒（液相色谱-串联质谱）北京和杰创新同型半胱氨酸检测试剂盒（液相色谱-串联质谱法）上海复星长征液体芯片飞行时间质谱（蛋白指纹图谱仪）湖州赛尔迪液体芯片飞行时间质谱系统（蛋白指纹图谱仪）湖州南太湖科创中心自免肝相关抗体谱质控品广州博粹抗中性粒细胞胞浆抗体谱质控品广州博粹类风湿关节炎相关抗体谱质控品广州博粹1,5-脱水葡萄糖醇检测试剂盒（液相色谱-串联质谱法）上海复星长征25-羟基维生素D检测试剂盒（液相色谱-串联质谱法）上海复星长征琥珀酰丙酮和非衍生化多种氨基酸、肉碱测定试剂盒（串联质谱法）广州丰华衍生化多种氨基酸和肉碱测定试剂盒（串联质谱法）广州丰华