质谱技术在多组学研究和医学检验中的应用前景及挑战

质谱技术在多组学研究和医学检验中的应用前景及挑战

徐然

复旦大学附属中山医院青浦分院 上海市 201700

摘要 质谱仪是一种通过测量相对分子质量或质荷比鉴定物质的分析工具，质谱仪通常由3个基本部分组成：即离子源、质量分析器和检测器。通过将双重／多重质量分析仪串联起来或与气相色谱、液相色谱、毛细管电泳等技术平台联用，可以提高质谱仪的分析性能。离子源是质谱仪的关键组成，是将分析物进行离子化的部分，在质谱仪发展的早期阶段，由于采用的电离方法很容易破坏有机分子中的共价键，因此很少用于生物分析。电喷雾电离（ESI）和基质辅助激光解吸／电离（MALDI）等“软”电离方法彻底改变了质谱技术，使质谱技术应用于生物大分子的高通量质量分析成为可能，促进了质谱技术在生物学和临床医学研究中的应用和推广，现代组学中最常用的质谱仪类型有：静电场轨道阱、离子阱、四极杆、傅立叶变换离子回旋共振、飞行时间等。检验医学在临床诊断和治疗监测方面发挥着至关重要的作用，基因组学、转录组学、蛋白质组学和代谢组学等多组学研究成果促进了全新诊断标志物的研究发现和临床应用。质谱技术以其高灵敏度、高特异度和高通量的能力满足组学对复杂的生物标本分子组成及相互关系研究的需求，近年来以质谱分析技术为核心的多组学研究发现极大拓展了质谱在医学检验中的应用范围，可以预见基于质谱技术的疾病诊断方法将成为重要的临床检验诊断技术。

关键词：质谱技术；多组学；医学检验

中图法分类号：R-331 文献标志码：A

1以高性能质谱为核心的组学研究已成为发现检验生物标志物的主要来源

生物标志物是指用于疾病诊断、风险评估及预后判断的生物分子，组学领域的扩展和检测技术手段的进步不断拓展了生物标志物的范畴。目前生物标志物不仅涵盖了传统的核酸、蛋白质、糖类及代谢物等标志物类型，还囊括细胞遗传学和细胞动力学参数，以及体液中的外泌体、细胞等。在过去的几十年里，研究者用各种组学技术致力于生物标志物的发现和疾病的早期诊断，质谱技术作为组学研究的核心技术，其在生物标志研发策略方面的科学价值和优势越来越受到检验医学的重视。

1.1质谱技术正成为蛋白质组学研究和临床应用的关键技术

蛋白质作为直接参与细胞生物学过程的大分子，是生理功能的执行者和生命现象的直接体现者，蛋白质水平的变化直接反映了生命在生理或病理条件下的变化，可以精准地预测疾病的状况和进展。临床蛋白质组学中有２种策略可以识别生物标志物，一是经典策略，使用电泳技术分离蛋白质和多肽混合物然后进行质谱鉴定；二是利用质谱技术分析样品的完整质谱图，以获得可以用作疾病“指纹”的完整蛋白质／肽谱。组织、器官、体液和细胞培养物等生物样品均可被用作为蛋白质类生物标志物的研究，但从临床诊断的角度来看，体液无疑是寻找生物标志物的最佳材料。蛋白质组学研究的一个重大挑战是蛋白质数据库的多样性分析及蛋白质、多肽鉴定，质谱技术较好地解决了这些难题，满足了蛋白质组学对技术平台的需求。

1.2质谱技术是代谢物类标志物检测的最佳平台

代谢组学研究生物体中相对分子质量＜１×１０３的所有代谢物，如激素、氨基酸、多糖等。代谢物可作为生理或病理状态的重要指标，并有助于了解疾病的发生和进展，有可能成为疾病早期诊断、评估治疗效果和生存率的有效指标。代谢组学研究主要有２种策略，即靶向分析和代谢物图谱分析。靶向分析是指对特定分析物的鉴定和量化；代谢物图谱分析又称为非靶向或整体分析，是比较相似样品中未量化的代谢谱对疾病或外来刺激下的不同反应特征。靶向分析和代谢物图谱分析在生物标志物的发现中是相辅相成的，首先利用代谢物图谱分析确定样品之间代谢谱的差异，然后选择关键的代谢物作为潜在的生物标志物进行目标代谢物定量，并在临床标本中进行验证。

1.3质谱技术将在基因组学研究、核酸类生物标志

检测和质谱影像分析中发挥重要作用　基因组学研究是现代生物科学的基础，人类基因组计划发现了32000个人类基因，其中测序技术功不可没，更高通量的二代测序、三代测序技术在测序速度、精度、准确度和成本方面仍在不断进步。质谱技术能对DNA、RNA的核苷酸及核苷酸/蛋白质的非共价复合体进行全面的检测，为研究配体、核酸和蛋白质之间的相互作用提供了重要信息。尽管在上世纪九十年代质谱技术也被用作测序的分析平台，但与测序技术相比缺乏竞争力。

2质谱技术是检验科未来发展的重要亚专业

与传统诊断技术比较，质谱技术有灵敏度、特异度、准确度均高的优势，单次分析可同时精确地检测出几十个甚至上百个生物标志物，并可检测出多种传统诊断技术无法检测到的生物标志物。质谱技术在医学检验中的应用涵盖了产前检查、新生儿遗传筛查、激素和维生素检测、微生物诊断和药物浓度检测等领域。在美国，质谱技术服务于临床检测的项目已达400余项，涉及新生儿筛查、遗传代谢性疾病检测、滥用药物监测、代谢物检查（氨基酸、脂肪酸）、类固醇激素检测（内分泌）、神经递质类物质、维生素检测及微生物鉴定等领域。国内质谱技术临床应用主要集中在中大型三甲医院和第三方检验所，开展的项目还不多，主要是集中在微生物鉴定的MALDI-TOF MS、新生儿遗传代谢性疾病筛查、治疗药物监测和维生素测定等。

3提升质谱技术的质量管理意识和手段

3.1提升质量管理和量值溯源

目前绝大多数质谱检测方法为实验室开发方法，虽然国内外已有部分的参考指导性指南与共识，但临床质谱检测仍然存在仪器多元化、质谱电离方式的多样化、质量分析器的差异性、缺乏量值溯源系统、检测方法缺乏规范化和标准化、缺乏法规和监管措施等问题。

3.2多组学的有效整合

疾病本身是生物体因为遗传及外界环境的改变而试图调整、修复和保持自身健康所发生的一系列系统应答反应。以质谱为核心的多组学技术的快速发展推进了对疾病（如癌症）的发生和进展在分子和细胞水平上的研究，在改进医学检验水平和提升精准医学方面发挥了关键的作用。

4结语

尽管面临质量管理和量值溯源，以及标准化等诸多问题，但通过各方面努力，临床质谱技术正在朝着自动化、小型化、人工智能识别模式化等方向发展，质谱技术在实现精准检测方面有着强大的潜力和优势。生命科学研究的重心逐渐转向基因功能，即由测定基因的ＤＮＡ序列、解释生命的遗传信息转移到鉴定有生物学功能的蛋白类分子、探索人类健康和疾病奥秘的多组学研究中。临床质谱检验正进入到基因组学、蛋白质组学、代谢组学等多组学整合分析阶段。贯彻和执行国家精准医疗战略，推动临床质谱技术应用的规范化、标准化，引领中国临床质谱产业的发展，更好地服务于检验医学，为人类健康事业做出更多的贡献，是医学检验人员面临的重大机遇。

参考文献

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