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迎接质谱技术进入检验医学领域

来源:中华检验医学杂志 2019-08-29 12:27

 

质谱技术的历史可追溯到19世纪末,正电荷粒子的发现以及正电荷粒子束在磁场中发生偏转的现象为质谱技术的诞生奠定了实验基础。20世纪初,英国物理学家Thomson研制成第一台磁式质谱仪,由此获得1906年诺贝尔物理学奖。1919年Aston改进了质谱仪的聚焦性能,并用该方法揭示同位素存在的普遍性,随后于1922年获得诺贝尔化学奖。Aston的研究开启了现代质谱学的大门。此后Dempster提出了质谱分析基本理论和仪器设计理论。发展至此,质谱技术从理论到实际应用的体系已基本成型。

早期质谱技术主要用于同位素测定和无机元素分析。随着技术的进步,其应用涵盖了石油工业、化学工业以及有机物分析等领域。20世纪60年代,气相色谱联合质谱模式的出现使得质谱技术首次进入生物医学领域。20世纪70年代末,随着大气压电离技术的成功研发和日趋成熟,液相色谱-质谱(liquid chromatography-mass spectrometry,LC-MS)模式以高灵敏度、高分辨率和高准确性等特点,深受科研人员和临床检测的青睐。20世纪80年代,快原子轰击、电喷雾和激光辅助解吸等"软电离"技术的发展,使生物大分子转变成气相离子成为可能,更适合蛋白质、酶、核酸和糖类等生物大分子聚合物的检测,大大拓宽了质谱技术在生物医学领域中的应用。1994年美国《分析化学》杂志登载的相关综述中宣布"生物质谱学的时代已经到来"[1]。

2008年,PUBMED数据库中以"mass spectrometry"为关键词的文章量已超过1万篇/年,近十年来明显呈逐年攀升的趋势。目前常用于临床诊断领域的质谱技术包括液相色谱-串联质谱(liquid chromatography-tandem mass spectrometry,LC-MS/MS)、基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱(matrix-assisted laser desorption/ionization time of flight mass spectrometry,MALDI-TOF)、四极杆液相色谱-质谱和电感耦合等离子体质谱(inductively coupled plasma mass spectrometry,ICP-MS)等。其中MALDI-TOF和LC-MS/MS分析技术在全球质谱市场中发展最快,前者可检测多肽、蛋白质、多糖、核苷酸、糖蛋白、高聚物以及多种合成聚合物,多用于微生物和蛋白组学领域;后者可检测小分子代谢物,多用于如应用于产前检查、新生儿筛查、治疗药物监测、激素和代谢物检查等领域。

一、质谱检测技术在国外医学检验领域的应用概况

欧美发达国家最早将质谱技术引入医学检验部门,发展相对成熟。目前,服务于临床诊疗的质谱检测项目已达400余项,主要涉及临床化学、临床免疫学以及临床微生物鉴定等领域,亦被用于建立临床化学检测项目的参考测量程序和研制参考物质[2]。随着临床对个体化和精准化医疗需求的增加,基于质谱技术的基因组学蛋白组学、代谢组学等研究成果正不断转化至临床实践[3,4,5]。最近全自动化的LC-MS/MS分析仪器问世,这将大大推动质谱分析技术在医学检验领域更广泛应用。

(一)质谱技术在临床化学中的应用

欧美发达国家已广泛开展的质谱临床化学检验项目,包括新生儿遗传代谢病筛查、激素及其代谢物检测、治疗药物监测、维生素D检测和微量元素检测等。

以1961年质谱技术用于新生儿苯丙酮尿症的筛查作为起点,随着质谱技术的发展,目前欧美发达国家已经使用串联质谱技术对多个代谢产物进行联合检测,可筛查超过30种新生儿遗传代谢疾病,包括先天性甲状腺功能减退症、苯丙酮尿症、先天性肾上腺皮质增生、葡萄糖-6-磷酸脱氢酶缺乏症、囊胞性纤维症、半乳糖血症、氧化脂肪酸缺陷症、有机酸尿症和尿素循环缺陷症等。

2003年Herold和Fitzgerald[6]针对免疫方法检测低浓度性激素的不足,调侃道"与其使用免疫方法评估女性患者体内的睾酮水平,不如随便猜测来得更方便"。2007年美国病理家学会(College of American Pathologists,CAP)进行了一项研究,将3种不同浓度的睾酮标本分发给各临床检验部门进行检测,发现同一免疫学方法不同实验室的检测CV为13%~32%,同一样本的检测结果的差异达2~6倍[7]。鉴于免疫方法的检测结果易受多因素干扰,2010年美国内分泌学会发表共识,推荐使用质谱技术检测睾酮及其代谢物,这无疑确定质谱技术在检测体内激素及其代谢物检测的价值和地位[8]。2014年J Clin Endocrinol Metab杂志更是宣布[9],从2015年开始将只接受质谱法检测类固醇激素的研究稿件[9]。

在临床用药过程中,某些药物的安全治疗窗较窄,一旦过量使用易导至毒性或成瘾反应,因此药物浓度需要控制在合适范围内。免疫方法虽简单易行,但一次仅能检测一种药物,且易受外源性和内源性物质干扰,无法很好满足临床的要求。质谱技术以其高灵敏、高特异性、多物质同时检测的特性,可用于指导临床精准用药,提高临床工作的效率。目前国外已在临床开展免疫抑制剂、疼痛治疗药物、抗精神病药物、麻醉药、抗逆转录病毒药物等检测项目。

(二)质谱技术在临床微生物中的应用

临床微生物检验在感染性疾病诊断、用药指导、医院感染控制、抗菌药物管理等多方面均扮演着不可或缺的角色。基于表型的传统微生物鉴定方法,包括革兰染色、微生物培养和生化试验等,因检测同转时间较长、方法敏感性欠佳,影响病原微生物鉴定的速度和准确性,一定程度上影响了感染性疾病早期的诊疗。得益于快速、准确、灵敏、自动化及高通量等优势,质谱技术在微生物领域的应用范围越来越广,已用于多类型样本中细菌和真菌的直接鉴定,并在微生物耐药性分析、分型和毒力研究等方面也已显现成效。在欧美等发达国家,质谱技术已在临床微生物实验室逐渐得到普及,在很大程度上取代传统微生物鉴定方法服务于临床诊疗。

质谱技术对微生物的精准鉴定和分析基于已建立的微生物胞膜蛋白质、脂多糖、核酸等的指纹数据库。目前,仅有3种市售的数据库MALDI Biotyper数据库(Bruker Dahonics,German),Saramis(BioM6rieux,用于来自Shimadzu的质谱设备)和Andromas(可与布鲁克道尔顿或Shimadzu硬件兼容)供临床检验部门参考。根据数据库的不同,微生物鉴定结果有所差异,如在布鲁克公司某些型号的质谱仪数据库以芽胞杆菌属和乳酸杆菌属的数据最多,沙门菌属仅有16个种,尚缺乏志贺菌、布鲁菌以及霍乱弧菌的相关数据及指纹图谱;Micromass公司的数据库内含有志贺菌的数据,但少见芽胞杆菌属的数据。近年来,欧美发达国家致力于完善商业化的鉴定数据库,如Mayo Clinic Custom MALDI-TOF MS数据库目前已经囊括1 599个质谱词目,包括了商业数据库中未入库的微生物数据[10]。

(三)质谱技术在检测标准化中的应用

质谱技术常作为参考方法,用于建立参考测量程序和为校准品赋值。1974年,Siekmann等[11]最早建立了采用气相色谱-质谱技术的检测醛固酮的参考方法,此后采用质谱技术的参考方法的扩展至检测非肽类激素、代谢物和某些底物等方面。1997年,国际物质量咨询委员会(Consultative Committee for Amount of Substance,CCQM)将同位素稀释质谱原理定为一级(基准)测量原理之一[12],自此基于同位素稀释质谱原理的方法在生物和临床化学溯源性和标准化研究中受到重视。截止2015年,JCTLM公布的79个分析项目中,有近一半的参考测量程序采用的是液质联用或气质联用技术,主要用于药物、代谢物和底物、非肽激素、蛋白质和维生素和微量营养物项目检测[13]。质谱技术为医学检验标准物质的研制提供了技术保障,是目前临床检验参考方法的最佳选择。

(四)质谱技术临床应用的规范化

2007年CLSI首先发布C50A Mass Spectrometry in the Clinical Laboratory文件[14],内容主要涉及质谱技术在临床检验部门开展的总体原则,但未提供方法开发、确认和质量评估等方面的参考。2014年CLSI出台C62-A Liquid Chromatography-Mass Spectrometry Methods指导文件[15],阐述仪器常规使用和方法开发前所需考虑的要点,提出了方法研发、性能预确认、性能确认、质量评估和实施后监测的最佳方案,旨在为临床检验部门提供全面、普适的方法开发和确认路径框架,使质谱的检测性能符合临床应用需求。标准化指南文件引导美国质谱分析技术的临床应用步入科学规范的发展之路。

二、质谱检测技术在我国医学检验领域的应用现状和未来发展思考

(一)我国质谱检测技术的应用现状

我国临床医学检验部门的质谱技术应用处于起步阶段,无论是数量还是种类都与欧美等发达国家相距甚远。仅有少量第三方医学检验机构和三甲医院开展质谱技术相关的临床检测项目,且大多仅作为临床研究,无法满足临床个体化和精准化诊疗日趋增长的需求。专业人才的稀缺,方法建立和性能评价经验的匮乏,临床应用指南和管理政策的缺失,以及临床转化研究的欠缺,这些都严重阻碍质谱技术转化至临床实践。对于我国临床检验部门现状而言,质谱技术临床应用的发展需求远重于监管需求。如何满足日益增长的临床需求,鼓励质谱技术在医学检验中得到科学普及和规范应用是我们需要考虑的问题。

(二)我国质谱检测技术的发展思考

专业人才培养是医学检验部门迎接质谱检测时代来临的基础。不同于临床常规检测,质谱技术专业人才需经过长期培训、临床实践和经验积累,医学检验部门应在引入质谱技术前充分重视专业人员的培养工作。目前国内临床医学检验部门缺乏大量有经验的质谱技术专业人才,这严重制约了质谱技术快速转化至临床实践。

质谱检测相关人员学历背景和工作经历的多样化和分层化是保障日常工作正常有序开展的重要条件。质谱技术复杂程度高,加之国内临床研发缺乏足够的技术支持,因而建议配备具有分析化学背景的专业人才以便进行检测方法的研发和检测系统性能优化。检测结果审核分析、临床沟通、报告解读、规范建议解释等工作应由具有临床专业背景的人员实施,以确保结果解释的科学合理性。实验室负责人或项目负责人需具有较好的综合管理能力,包括人员培训、流程优化及标准化、方法维护、质量控制等方面,以确保质谱技术临床应用的科学和规范。

我国医学检验部门对质谱检测新项目建立和方法性能评价的经验相对不足,大多参照国外文献和少部分国内经验进行方法学建立、性能评价、设立评估标准和质量管理。这种自我管理模式为内部质量管理和外部标准化带来巨大挑战,因此亟待我国相关部门出台针对质谱相关的临床实践指南以规范质谱临床检测。本期《中华检验医学杂志》刊载了由中华医学会检验医学分会、国家卫生计生委临床检验中心共同起草《液相色谱-质谱临床应用建议》[16],旨在为实验室管理和操作人员以及监管机构提供检测方法建立、性能确认和质量管理等方面的参考。这一应用建议参考了国内医学检验部门的实践经验,借鉴了CLSI的C50-A和C62-A文件,并先后征询大量检验医学和分析化学工作者的意见。该应用建议的发布和推广将有利于促进质谱技术在我国医学检验部门的规范应用和科学发展。

国内不同医学检验部门间技术水平与服务能力参差不齐,人员素质和检测系统存在显着差异,若放松对质谱技术临床应用的监督和管理,任其恣意发展,最终带来的只能是"乱象"。而直接参照美国FDA的监管设想则将可能极大阻碍我国质谱技术在医学检验领域的发展。面对"一放就乱,一管就死"的两难局面,如何寻找适合我国国情的科学合理监管新模式仍需不断探索。目前我国临床实验室质谱技术的开展情况远落后于欧美等发达国家,且相关管理模式仍处于摸索阶段,因此需临床医学检验部门、临床医生和相关管理部门三方协力,共同推动质谱技术的科学和规范发展。目前的情况下临床医学检验部门需加强自我管理,包括检测性能确立与临床应用评估、建立完善实验室质量控制体系、编写从标本采集到结果解释全过程的规范化操作规程,同时在检测项目或方法开展后密切和临床医生沟通合作,一起做好结果解释与患者教育的工作[17]。相关监管部门可通过材料审查、现场监督、用户调研等多种措施定期评估质谱技术临床应用的安全性及有效性;同时效仿国外的室间质量评价计划,研制相关室间质量评价物质,制定合适的室间质量评价标准[18]。

在商品化检测方法正式投入临床使用前,厂商会招募正常人群、疾病对照组以及疾病组以建立和验证检测方法的正常人参考范围,设立适当人群的医学决定水平。目前,临床现行疾病诊疗指南中的临床决策切点大都依据常规检测方法的结果设立。质谱技术与常规生化、免疫方法的检测原理截然不同,检测值也会有所差异,因此质谱技术应用于临床前需重新建立表面正常人群参考区间和适宜人群的医学决定水平,而非直接转化。单一检验部门无法单独完成以上工作,目前最切实际可行的方式就是筛选综合实力强、质量控制好的部分有需求有能力的医学检验部门作为试点单位,收集和分析试点的检测数据,建立大样本多中心的研究队列,完成新项目或新技术的临床参考范围和医学决定水平的确立。试点运行不仅能促进快速的研究成果转化为临床实用技术,也可为相关部门着手制订详细技术规范和管理要求提供经验和参考,可由点及面将经验和成果分级推广和辐射至其他医学检验实验室,推动医学检验发展,提升临床诊疗水平,提高患者健康质量,最终提高我国医疗水平。

三、质谱检测技术的应用前景

个体化和精准医疗的发展在很大程度上依靠准确可靠的检测结果,尤其高新检测技术(例如质谱技术)。质谱技术的临床应用成果在临床生化检验、临床免疫学检验、临床微生物检验以及临床分子生物诊断等领域中已开始显现成果,成为临床常用检测技术的一种重要技术。质谱技术的临床应用前景广阔。我们应该满怀热情地欢迎质谱技术进入医学检验领域,科学积极地推进质谱技术的临床应用,为临床医疗决策提供更加精确可靠的结果和信息。(生物谷Bioon.com)


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