質譜技術在臨床生化檢測中的應用

早在1886年, Goldstein發明了早期質譜儀常用的離子源。1906年, 諾貝爾物理學獎得主、英國著名物理學家Thomson發明了世界上第1臺質譜儀。1942年第1臺單聚焦質譜儀的商業化推廣代表著質譜技術終于突破了理論發展的瓶頸階段。迄今為止, 質譜技術已經為化合物結構研究提供了大量有用的信息, 被廣泛應用于地質、環境化學、有機化學、制藥、生命科學等領域[1]。

質譜技術是測量分子質荷比(m/z)的分析方法。它通過將分子電離后形成帶電離子, 并按照離子m/z的大小順序排列形成譜圖數據。質譜儀是一類可以將樣品分子轉化成帶電離子, 并利用適當的電場、磁場實現離子m/z分離, 進而檢測每種離子的峰強度進行物質分析的儀器。質譜儀主要由進樣系統、離子源、質量分析器、檢測器和數據處理系統5個部分組成, 其中核心部件為離子源與質量分析器。離子源分為硬電離和軟電離。硬電離如電子轟擊電離可以給予樣品分子較大的能量, 導致樣品產生的離子碎片很小; 軟電離則較為溫和, 可以產生較大的離子碎片, 如電噴霧電離、基質輔助激光解吸電離和大氣壓化學電離等。隨著軟電離技術的發展與不斷成熟, 實現了高分辨率與高質量檢測范圍的結合, 使得生物大分子質譜分析成為可能, 從而開辟了一個新的領域— — 生物質譜, 并在生命科學領域得到了廣泛應用和飛速發展。質量分析器的作用是根據m/z將電離產生的帶電離子分離, 主要有時間飛行、四級桿、離子阱、傅立葉變換離子回旋共振質量分析器等多種類型。目前用于生命科學領域的質譜儀多由幾種質量分析器串聯而成, 在空間或時間上實現了母離子選擇、母離子碎裂、子離子檢測功能并提供了離子碎裂的特征峰。這些特征峰是分子定性的依據, 使得質譜檢測結果具有極高的特異性[1, 2, 3]。

一、質譜在臨床生化檢測中的應用

由于生物質譜技術具有特異性好、靈敏度高、選擇性廣、檢測速度快等特點, 所以近年來在臨床生化檢驗中的應用越來越廣泛。目前國際上已經被廣泛應用的質譜臨床生化檢驗項目包括新生兒遺傳代謝病篩查、維生素D檢測、激素檢測、血藥濃度監測、微量元素檢測等。

1. 新生兒遺傳代謝病篩查 

新生兒遺傳代謝病篩查是指在新生兒期對某些危害嚴重的先天性遺傳代謝疾病進行群體篩查, 并進行早期治療, 從而避免或減輕疾病的影響。新生兒遺傳代謝病篩查起源于1961年對苯丙酮尿癥的篩查。此后隨著醫療技術的發展, 越來越多的遺傳代謝病被引入其中。我國自上世紀80年代初期開展的新生兒遺傳代謝病篩查主要包括先天性甲狀腺功能減退癥、苯丙酮尿癥、先天性腎上腺皮質增生以及葡萄糖-6-磷酸脫氫酶缺乏癥等, 每種篩查需要單獨進行。目前國際上美、歐、日等國家都已經使用串聯質譜技術對多個代謝產物進行聯合檢測, 同時篩查超過30種疾病, 除以上提到的幾項外, 還包括囊胞性纖維癥、半乳糖血癥、氧化脂肪酸缺陷癥、有機酸尿癥和尿素循環缺陷癥等[4, 5]。在我國, 顧學范教授等多個研究團隊已經利用該技術進行了大量臨床檢測與研究, 取得了良好效果[6]。同時多家第三方醫學實驗室和婦幼保健機構也可以提供項目服務。因此, 對于新生兒遺傳代謝病篩查的質量控制與室間質評是目前急需解決的關鍵問題之一。

2. 維生素D檢測 

維生素D是一種脂溶性維生素, 化學本質為固醇類衍生物, 目前也被認為是一種類固醇激素。維生素D存在于部分天然食物中, 人體皮下儲存有由膽固醇衍生出的7-脫氫膽固醇, 受紫外線照射后即可轉變為維生素D3。近年來發現維生素D缺乏不僅可以造成骨質疏松癥, 還與糖尿病、癌癥、心血管疾病等相關。體內保持足夠的維生素D對糖尿病等都有一定的預防作用。目前維生素缺乏已經成為一個全球性問題, 對體內維生素D含量的檢測受到了越來越多的關注。25-羥基維生素D是體內維生素D的主要代謝形式, 包括25-羥基維生素D2和25-羥基維生素D3兩種形式, 其含量可以代表體內維生素D的水平。目前國內外對血清中25-羥基維生素D的檢測方法主要有放射免疫、競爭蛋白結合法以及新興的串聯質譜法。與傳統方法相比, 串聯質譜法定量測定25-羥基維生素D具有更好的特異性和更強的抗干擾性, 并能實現25-羥基維生素D2和25-羥基維生素D3的同時測定[7]。郭守東等[8]利用液相串聯質譜法檢測糖尿病患者血漿中25-羥基維生素D3水平, 發現糖尿病患者25-羥基維生素D3水平明顯低于健康人。周寧等[9]利用串聯質譜法對過敏性鼻炎兒童血清中的維生素D進行了檢測, 發現患兒維生素D水平低于正常兒童, 且維生素D3尤為顯著。由此可見, 當需要區分維生素D的不同代謝產物種類時, 串聯質譜法比傳統免疫法具有明顯的技術優勢。

3. 激素檢測 

對類固醇激素及其代謝產物的檢測是生物質譜技術在臨床生化檢驗中一個非常重要的項目。通過質譜定量檢測, 可以判斷相應的類固醇激素與疾病的相關性[10, 11]。目前利用質譜技術可以對睪酮、脫氫睪酮、雄酮、雌酮、雌二醇和雌三醇等多種激素進行定量檢測, 進而對相關疾病進行臨床診斷和治療, 如先天性腎上腺增生癥、家族性高醛甾酮過多癥、原發性醛固酮增多癥等[1]。丁一峰等[12]利用氣相色譜-質譜聯用法分析尿液中的類固醇, 實現多種激素同時檢測, 且不同激素之間沒有交叉反應, 準確性和靈敏度較好, 并證明類固醇激素水平與腎上腺和性腺等類固醇激素代謝異常疾病有關。黃河花等[13]建立了一種基于電噴霧電離質譜同時檢測脫氫表雄酮、睪酮和雄酮的定量方法, 檢測快速、靈敏度高、準確性好。

4. 血藥濃度監測 

在臨床疾病治療中, 很多藥物的濃度需要嚴格限定在某一合適范圍, 過少達不到治療效果, 過多則可能引起毒性或成癮反應, 造成不良后果, 給患者帶來巨大痛苦。對這些藥物濃度的檢測目前我國主要應用免疫化學方法。這種方法雖簡單易行, 但只能檢測少數幾種藥物, 無法滿足臨床檢測的要求。而且一般藥物在體內的濃度都很低, 要求檢測方法具有高靈敏度。近年來, 質譜技術逐漸成為藥物濃度檢測的重要手段。多種藥物均可以利用質譜技術進行準確檢測, 而且可以實現多藥物同時檢測, 提高了臨床檢測工作的效率。目前國際上已經在臨床開展的藥物濃度監測項目包括器官移植患者使用的免疫抑制劑、疼痛治療藥物、抗精神病藥物、麻醉藥、抗逆轉錄病毒藥物等。同時隨著質譜技術的不斷發展和完善, 其有望成為藥物及其代謝產物檢測的“ 金標準” [14]。曲素欣等[15]建立了基于液相-質譜聯用技術檢測卡馬西平濃度的方法, 并研究了該藥物與癲癇療效的關系。該檢測方法特異性強、操作方便, 具有很好的靈敏度和準確性, 且重現性良好。崔剛等[16]建立了超高效液相-質譜聯用技術檢測腎移植患者體內霉酚酸濃度的方法。該方法快速、準確, 可廣泛應用于器官移植患者血藥濃度的臨床監測中。

5. 痕、微量元素檢測 

人體元素含量可以作為很多疾病的標志物, 檢測人體痕、微量元素可以輔助診斷某些臨床疾病和職業病。元素檢測中常用的方法為發射光譜法和質譜法。質譜法可以實現多元素同時檢測, 且靈敏度高、檢測限低、動態范圍寬, 可以直接對血液樣品進行檢測。目前質譜技術已成為無機元素分析的主要方法之一, 已建立了幾十種痕、微量元素的檢測方法, 廣泛應用于全血、血清、尿液和頭發中砷、鉛等有害重金屬以及鐵、鋅、硒等人體微量元素的檢測[17]。張文潔等[18]利用電感耦合等離子體質譜法對慢性腎炎患者血清中的微量元素做了檢測, 發現慢性腎炎患者血清中鈉、鉀等元素與正常人無明顯差異, 而鋁、鐵、鋅等明顯低于正常人。該方法可以對患者血液中微量元素的變化做實時監測, 為慢性腎炎的臨床治療提供指導。歐陽珮珮等[19]建立了基于質譜法的分析方法并對全血中5種微量元素同時做了檢測, 此方法檢出限低、靈敏度高、準確性好, 元素之間干擾較小, 符合復雜生物樣品多元素同時檢測的要求。

6. 其他項目 

除以上項目外, 質譜技術的臨床研究也已全面開展。葉軍等[20]利用質譜技術對臨床診斷不明的神經系統、消化系統以及皮膚損害患兒做了檢測, 診斷患兒為多種羧化酶缺乏癥, 并對生物素治療過程做了監測, 發現療效顯著。

二、總結與展望

質譜技術自誕生以來發展十分迅速, 在臨床生化檢驗中的作用越來越明顯, 成為臨床檢驗中的重要新型工具。質譜技術較其他方法具有更高的特異性、靈敏度、準確度、精確度, 且檢出限低, 不受抗體或特殊生化反應的限制, 在臨床應用中具有很好的前景。新生兒遺傳代謝病篩查等多個項目已經在臨床檢驗中得到廣泛應用。

相比較而言, 我國臨床生化檢驗中質譜技術的應用還非常有限, 與國外發展水平差異較大, 很多相關部分還需要進一步完善, 例如:質譜檢測數據的判斷標準、技術方法的掌握與人員培訓、質量控制體系的建立、收費渠道與收費標準的確定等等。目前我國串聯質譜技術進行臨床生化檢測的項目單一, 主要集中于少量第三方檢測機構與婦幼保健單位, 獨立于大型綜合醫療機構之外, 不利于臨床質譜技術的進一步深入發展。因此, 從臨床需求出發, 結合醫院實際情況, 完善技術與管理方案, 力求形成臨床、科研、政府管理部門密切溝通合作的工作模式是發展質譜等新型檢測技術的有效途徑。

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