新型临床质谱应用:从实验台到床边

质谱分析(MS)曾经主要是化学家分子结构表征的领域。然而，在短短十年时间里，质谱证明了它的多功能性，因为它推出了一种新的微生物鉴定方法，在特异性、敏感性、易用性或成本方面远远超过了其他方法。虽然MS已经在临床用于分析物浓度的测定，但fda批准的商业MS平台的发布微生物鉴定给技术带来了更大的曝光。MS现在在各种临床应用中越来越熟悉和流行，从分析物定量的实验室测试到传染病、先天性代谢错误和癌症的诊断应用，包括随着MS的发明而进入外科医生的套件iKnife．

MS基础知识，优点和缺点

不同类型的女士的技术目前临床上常用的有气相色谱质谱(GC-MS)、液相色谱质谱(LC-MS)、串联质谱(MS/MS、GC-MS/MS、LC-MS/MS)、基质辅助激光解吸/电离飞行时间(MALDI-TOF)等。各种方法的基本原理是相似的。分析物可以在电离前进行色谱分离，也可以直接电离，并使用光谱中记录的特定质量电荷比进行分析。在靶向方法中，使用特定的峰来识别特定的分析物，即药物或类固醇。在非靶向方法中，通过算法分析峰的组合模式或与已知样品的数据库进行比较，例如针对已知微生物进行微生物鉴定。

“质谱的力量，特别是当与色谱结合时，是增强的灵敏度和特异性，以及以多种方式测量几种临床分析物的能力，”美国科学院临床质谱实验室联合主任Paul Jannetto博士解释说检验医学与病理学系“，在梅奥诊所，当描述一些MS优势．此外，该技术是自适应的，因为分析可以开发新的分析物或应用。这同时也是它的缺点之一。“围绕MS的最大挑战之一仍然是开发、验证和支持这些仪器的临床测试所需的技术知识，因为大多数应用将是内部实验室开发的测试(LDTs)。因此，需要有知识和技能的个人，不仅要开发可靠的临床分析，而且要及时维护、排除故障和维护这些仪器。此外，有限责任公司将需要适应FDA指南因此，在实施新的有限责任公司时，也会有监管方面的考虑。”

实验室测试用MS

作为一种高灵敏度和特异性的技术，质谱是理想的定量小分子从生物流体，如类固醇，非法药物,或滥用而且治疗性处方药．例如，调节的浓度免疫抑制剂(如他克莫司)是必不可少的;如果水平过低，会增加组织排斥的风险，而如果水平过高，则可能导致毒性和移植器官损伤。MS也适用于检测和量化更大的生物分子，如蛋白质．例如，它可以用来监测甲状腺癌患者治疗后的分析甲状腺球蛋白一种由甲状腺滤泡细胞产生的糖蛋白，是复发性甲状腺癌的生物标志物。

“基于质谱的方法也被用于识别病例单克隆丙种球蛋白病这是在恶性血液病过程中可能发生的γ免疫球蛋白的过度生产，”Jannetto博士阐述了这种更新颖的应用。“目前的实验室检测采用蛋白质凝胶电泳、免疫固定和自由轻链检测，但它们灵敏度低，成本高。另一方面，MS提供了一种敏感和低样品成本的替代方案。质谱还可用于定量血清中免疫治疗性单克隆抗体它可以与内源性单克隆抗体区分开来。”

代谢物与代谢先天错误(IEM)的质谱分析

生物液中特定小分子代谢物的靶向质谱鉴定能够诊断新生儿的一些IEMs。例如，缺陷脂肪酸氧化可以通过acylcarnitine剖析．MS可以帮助诊断的其他IEMs包括胱氨酸病，戊二酸尿I型,溶酶体疾病这些疾病本身涉及一系列疾病，如法布里病、戈谢病、克拉布病、I型和II型粘多糖病、尼曼-皮克病a /B型和C疾病和庞贝病。最近的一个趋势是无目标的，系统生物学利用代谢组学来检测整个代谢组的变化，这可能与某种代谢酶的突变有关，因此也与IEM有关。这种方法尚未在临床应用，但是一个活跃的研究领域。

微生物鉴定质谱仪

“目前，基于质谱的方法识别微生物由于与传统技术相比，识别时间更短，美国各地的微生物实验室正在采用这种方法，”Jannetto博士补充说，这是迄今为止最突出的临床MS应用之一。“这是微生物实验室的游戏规则改变者。培养患者来源的生物液，并通过MS仪器分析菌落，生成我们可以与已建立的数据库匹配的光谱。”虽然只有fda批准的微生物子集，申请分枝杆菌，丝状真菌，而研究用的稀有微生物只使用(RUO)数据库即将推出。技术的改进也可以进一步缩短分析时间，例如测试抗菌药物敏感性或者直接从血培养或生物膜．

癌症诊断和外科

基质辅助激光解吸/电离成像质谱(MALDI IMS)是MS与空间信息的结合。质谱收集整个组织学样本的光谱，生成空间质谱图。到目前为止，它主要用于分析癌组织，或用于诊断目的，即区分肿瘤与健康组织，或用于预后目的，即预测患者生存。该方法没有得到fda的批准，但可能会得到批准适于临床使用．

另一种新兴的MS工具叫做智能刀或iKnife协助外科医生进行肿瘤切除。它利用快速蒸发电离质谱(REIMS)电离肿瘤组织。这些离子被输送到质谱仪中，并进行实时分析，以区分肿瘤组织和健康组织。这有助于勾勒出肿瘤边界，从而告诉外科医生从哪里切除肿瘤。Zoltan Takats他是伦敦帝国理工学院分析化学教授，发明了iKnife。他在观察电外科手术装置的工作时受到了启发。“它应该是在2007年或2008年，我的第一个想法是‘它一定会产生电离分子，我们可以用质谱检测出来!’”他回忆起自己第一次明白这个概念时的情景。“我们借了一个旧的透热设备来测试它是否有效。它确实做到了!在目前的情况下，外科医生使用iKnife就像使用他们常用的电手术设备一样。仪器的其余部分，即记录离子质量的部分，则发生在手术区域之外的幕后。问题仍然在于反馈——外科医生在手术时无法在电脑屏幕上看到iKnife的分析输出。为了克服这一问题，我们正在测试从音频信号到增强现实的广泛选择。”

iKnife通过训练算法“学习”如何区分肿瘤和健康组织。“首先，iKnife用于一组已知的癌症和健康组织样本。检测到许多分子种类，它们形成了肿瘤或健康组织的典型特征模式。接下来，根据这种学习模式，iKnife在手术过程中原位预测什么是肿瘤组织，什么是正常的邻近组织，从而指导外科医生进行肿瘤切除，”Takáts教授解释了他的发明。它在区分肿瘤、良性腺瘤、交界性肿瘤和患者来源的健康体外组织方面具有很高的敏感性(78.6- 97.4%)和特异性(89.7- 100%)结直肠，乳房,妇科肿瘤样本。iKnife甚至已经进入了乳房的临床试验(REI-EXCISE),子宫内膜癌症。“我们目前也计划开始一项关于内镜检查中结肠直肠息肉分类的研究。我们还打算使用该设备来识别卵巢癌的腹膜转移，”Takáts教授总结了他对iKnife的计划。

与许多新兴技术一样，MS也在应用组学趋势蛋白质组学(例如，在病人来源等离子体)，代谢组学,lipidomics．一个令人兴奋的新方向是“volatome，即包括呼出气体的挥发性有机化合物(VOCs)的全部组合。“我们正在探索质谱分析VOCs，将其作为一种非侵入性工具，用于各种疾病的早期诊断，如肺癌Jannetto博士解释了这项正在发展的技术。除了应用之外，仪器设计在易用性和尺寸方面的改进也在不断推进。Jannetto博士总结道:“一些MS仪器制造商正在致力于简化系统，他们希望能够获得fda的许可，并且只需要最少的专业知识。”“制造商也开始在不影响灵敏度和特异性的情况下减小仪器的尺寸。”最终,这样的小型女士仪器可用于诊断性即时检测。