质谱技术临床

质谱是一种测量离子质荷比（质量-电荷比）的分析方法，最早由英国著名物理学家J. J. Thompson于1906年发明。可以把它想象成一杆特殊的天平，称量的是离子的质量。在这100多年的发展历史中，质谱技术不断进步发展，具有快速、高分辨率、高灵敏度、高特异性等优点。从80 年代开始，质谱发展成工业产品，最早应用于化学分析，生命科学科研和制药业。image.png2目前国内质谱技术的发展现况如何？目前主要在哪些医学领域得到了很好的运用？◤国内的质谱应用也和北美经过了同样的历程，最早应用于科研机构，随着制药的发展，质谱技术被广泛应用于新药研发，接着是食品，环境及临床应用领域。精确诊断是精准医疗的重要前提，作为生物样本内小分子分析的金标准方法，质谱技术是精准诊断实现过程中不可或缺的工具，也是临床检验技术重要的发展方向。近年来，精准医疗在逐步获得国际医疗机构认可和重视的同时，质谱技术在临床检测中的需求也越来越大，目前国内越来越多的第三方及医院相继建立了质谱分析平台，质谱技术也因其自身高灵敏度、高特异性、高技术型等特点一度成为了临床检验能力的一种标志。相比美国QUEST、Labcorp, MAYO Clinic等大型独立医学实验室而言，目前国内临床质谱发展还处于起步阶段，和北美2009-2010年前后的情况非常相近，临床质谱主要集中在个别大型独立实验室和少数三甲医院，开展项目主要包括遗传代谢病筛查、维生素系列检测、药物浓度监测、类固醇激素检测等，涉及项目非常有限，其中以微生物检测、新生儿筛查和维生素检测等领域的应用较为广泛。目前，中国临床应用正处于高速发展的前期。image.png3质谱技术的灵敏度和特异度这么高，是不是所有能运用的项目都要运用质谱技术？还是质谱技术会优先运用于某些项目？相对于传统的检测方法，质谱技术分别在检验医学各个领域明显优势在哪？◤每种方法都有各自的优缺点，需要根据综合需求选择检测方法学。比如一些项目免疫生化方法成熟准确，没有必要应用质谱方法，但对于小分子化合物生化指标，质谱对精准检测有绝对的优势。因为医疗体系收费的限制，现在很多检测项目在选择方法学时无奈以价格为第一考量，但是，检测结果的准确性是精准治疗的前提，如果检测结果不准确即使再便宜的方法也是更大的浪费且耽误病人的治疗甚至生命安全。从检测原理上来看，质谱技术与传统免疫法比较，检测结果具有更可靠性，因为质谱技术对样本中生物标志物的分析基于化合物本身的分子量、结构等化学性质，是一种直接分析方法，而不像免疫学方法是抗体和目标化合物反应，再去进行检测。[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/5p][color=#3333ff]液相[/color][/url]串联质谱联用技术可以在复杂基质如人血清和血浆中获得更高的灵敏度和特异性及同时检测多组分，日渐成为生物样品中内源性痕、微量物质检测的“金标准”。对于那些在体内含量水平低，内源干扰多的物质定量分析就需要质谱技术来实现，比如说激素。激素的前体物质和代谢物大多时候结构相似或为同分异构体，放射免疫法的灵敏度可以达到检测需求，但所用抗体特异性不足，会和其他结构类似的物质发生反应，往往使结果偏高造成假阳性。而质谱法特异性强，是在分子水平检测，即使像睾酮和DHEA这样的同分异构分子也可以准确区分和定量，从而真正反映人体中激素水平状态。同时，质谱还可以通过微量样品一次进样检测代谢通路的多个相关的生化指标，可以精准诊断疾病。比如，诊断先天性肾上腺增生通常采用免疫学方法测定17-羟孕酮、氢化可的松、雄烯二酮，假阳性率非常高，用[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/5p][color=#3333ff]液相色谱[/color][/url]串联质谱, 一次检测相关代谢通路可将假阳性率降低85.15%。特别是对于特殊人群，比如性腺功能减退的男性、更年期女性或者儿童来说，激素浓度更低，采用质谱法可以做到精准定量，指导医生给出更有效的治疗方案。在微生物检验方面，基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱（MALDI-TOF-MS）能大大缩短鉴定时间，临床往往因为细菌培养的耗时较长，医生在获得实验室报告前已经采取抗菌药物治疗，一定程度上造成了抗菌药物的滥用；另外质谱检测范围也从原本数百种细菌扩大到2000+种细菌。image.png4开展质谱技术需要哪些条件？从您回国这一年的经验来看，目前国内的情况下质谱在基层医院能否得到进一步的推广？还是仅限在“高大上”的医疗机构？如果在基层得到应用，是否对基层的常规检测项目和方法带来一定的冲击？◤质谱技术作为一种多功能的新型的检测技术，硬件已是完全工业产品化，虽然其功能非常强大，但方法学和质量管理体系是检测结果及应用的关键。同一台仪器， 如果样品处理方法不同，达到的检测的准确性和灵敏度会有很大的差异。这对传统的医院或检验实验室或检验人员来说都是一种新的挑战，但同时也是一种新的发展机遇。在中国临床质谱应用发展过程中，主要存在几个难点：仪器属于大型仪器，投资高，医院没有经费购买仪器；对人员技术要求高， 业界缺乏相关的专业应用技术人才； 没有相关质谱检测的收费标准；没有标准化的IVD方法学；没有成熟的质量管理体系。在方法学开发优化的过程中，还需要在质谱检测数据的判断标准、临床范围的建立、技术方法的掌握与人员培训、质量控制体系的建立等方面严格把控，要求具备完善的实验室管理体系和质量保证体系，对每一种方法均进行严格的性能验证，包括检测结果的准确性和重现性。

来自SDi的最新报告指出，未来五年临床质谱市场将以7.6%的速度增长。根据美国临床实验室协会的数据，美国临床实验室每年对血液、尿液和其他患者样品检测次数超过70亿次。免疫分析一直是临床诊断中应用最广泛的技术，但出于对检测结果精准性等需求，越来越多的实验室开始将质谱作为首选的检测工具。另外，相比于测序技术的预测性质，质谱技术的应用更是所见即所得的提示，其意义与价值不言而喻，如果测序是算法分析和公式推导，那么质谱技术就是实践是检验真理的唯一标准，如果说测序还有算命性质，那么质谱技术就是就事论事板上钉钉。事实上，在西方质谱应用于临床已有几十年的历史，发展相对成熟，如美国Quest和Labcorp等大型独立医学实验室，检测项目有4000余项，其中基于质谱的检测项目多达400余项，临床质谱检测设备上百台。再看中国，临床质谱处在早期增长阶段，正迎来高速发展，预计未来五年会迎来两位数的增长。最显著的增长来自独立医学实验室。随着国家精准医疗、分级诊疗等新医改政策的逐步落地，第三方医学检验机构如雨后春笋般遍布全国，有越来越多的独立医学实验室也开始加大投入来搭建更大规模的质谱检测平台，以金域、迪安这两个行业领先者为例，金域目前有数十台质谱检测设备，包括[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/yp][color=#3333ff]ICP-MS[/color][/url]、[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/bp][color=#3333ff]GC-MS[/color][/url]、[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Yp][color=#3333ff]LC-MS[/color][/url]/MS等，质谱检测项目也有近40项 迪安诊断在今年早些时候设立了控股子公司凯莱谱，致力于建立国内顶尖的临床质谱检测平台。迪安诊断董事长陈海斌在凯莱谱开业庆典上表示，“迪安决心将质谱技术作为实验室发展的重点方向。”临床实验室中的质谱仪目前，临床诊断中最常用的质谱类型有三重四级杆LC MS/MS和MALDI-TOF。特别是前者，是当前在临床诊断中应用最广的质谱技术。具体应用如维生素检测、药物代谢物检测、毒理学和新生儿筛查等，均推动的了该技术在临床诊断领域的发展。MALDI-TOF系统最常用来做临床微生物鉴定，也用于基因检测。最近，用MALDI质谱成像技术做直接组织分析，分析时间缩短，具有很大的临床应用潜力。此外，还有LC/TOF、[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/yp][color=#3333ff]ICP-MS[/color][/url]、手持式MS等。LC/TOF主要用于生物标志物的鉴定，从而有助于提早发现疾病或感染。[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/yp][color=#3333ff]ICP-MS[/color][/url]主要用来测人体内微量元素含量，从而做一些职业病的诊断。手持式MS是相对较新的技术，目前在临床上的应用有限，但是在偏远地区和即时诊断等应用场景有巨大的市场潜力。质谱仪制造商积极应对目前临床实验室用质谱做临床检测以实验室自建项目(LDT)为主，很少使用CFDA、FDA等监管部门批准的检测试剂盒。鉴于临床对于质谱的需求越来越大以及临床领域的特殊性，世界各地有关部门均开始采取措施以加强监管。据悉，FDA正在建立一个规范临床质谱检测的监管框架，要求每个检测项目都要走注册流程，这意味着一个公司今后可能要在注册方面投入数百万美元。CFDA对于注册医疗器械许可的质谱仪审查也极为严格。为迎接即将到来的市场变革，所有领先的质谱仪制造商都开始着手为他们的仪器产品寻求监管批准，并不断推出新产品，以消除临床实验室大规模采用临床质谱的障碍，包括：监管审批、质量(如实验室检结果差异)、资源(如操作人员技能)和工作流程(如周转时间)等。赛默飞世尔于2017年5月公布了一套标准的临床化学分析仪——Cascadion SM临床分析仪。该系统包括自动化的Thermo Scientific TurboFlow在线样品制备技术、基于Prelude MD HPLC s系统设计的新LC、基于TSQ Altis三重四极杆质谱设计的新质谱系统和专用软件 此外，还有专业耗材[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/9p][color=#3333ff]移液器[/color][/url]、用于样品制备的自动化LC 模块和特殊的样品管。该系统将于2018年获得欧盟CE标志 一旦其获得美国FDA I类医疗器械许可后，也将在美国展开推广。赛默飞世尔还计划推出三个专为该系统设计的试剂盒，这些试剂盒均获得FDA 510(k)批准，分别针对25OH维生素D、总睾酮和免疫抑制药物的检测。后续还有药物滥用和内分泌物检测的试剂盒。SCIEX在2017年6月召开的美国质谱年会(ASMS)上展示了用于临床诊断的[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Yp][color=#3333ff]LC-MS[/color][/url]整体解决方案——Topaz系统。该系统包括clearcore MD软件和首个通过FDA批准的[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Yp][color=#3333ff]LC-MS[/color][/url]维生素D测定试剂盒——Vitamin D 200M Assay，用于测定成人血清中维生素D的含量。Topaz已获批FDA II类医疗器械，也可用于LDT。2017年，SCIEX的三重四级杆LC MS/MS系统4500MD通过了中国的CFDA二级医疗器械注册。沃特世旗下各类LC、MS在全球59个国家获得医疗器械注册证的批准，其中有三款三重四级杆[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Yp][color=#3333ff]LCMS[/color][/url]/MS产品面向临床市场。在中国，其三重四级杆[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Yp][color=#3333ff]LC-MS[/color][/url]/MS均通过CFDA二级医疗器械认证，解决方案有新生儿遗传代谢性疾病筛查、血浆中儿茶酚胺及其代谢物含量测定、血浆中醛固酮含量测定和全谱氨基酸分析等。在2007年推出的MassTrak免疫试剂盒获得510(k)批准，通过质谱方法来检测他克莫司血药浓度。对于欧洲市场，沃特世提供有CE标识的MassTrak维生素D的解决方案和用于定量检测他克莫司和依维莫司的MassTrak免疫抑制剂XE试剂盒。此外，沃特世还提供用于体外诊断和临床研究的色谱柱、样品前处理试剂和实验方案。珀金埃尔默也是临床质谱市场的活跃者之一，其新生儿筛查试剂盒获得了非常广泛的市场认可，每年要为3900万多名婴儿做遗传代谢性疾病筛查。在中国，珀金埃尔默的业务正不断扩大，有超过90%的新生儿做遗传代谢性疾病筛查(使用珀金埃尔默仪器和试剂盒)，其在苏州的临床实验室对外提供新生儿筛查服务。2016年，珀金埃尔默还推出了专门用于临床诊断检测的LC/MS——QSight MD210，目前已经获得了欧洲CE认证，正在注册中国CFDA二级医疗器械许可。岛津推出了CLAM-2000/[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Yp][color=#3333ff]LCMS[/color][/url]MS系统，是由全自动[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Yp][color=#3333ff]LCMS[/color][/url]预处理仪器SCLAM-2000和岛津三重四级杆LC MS/MS 8040 组成的全自动前处理[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/5p][color=#3333ff] LC [/color][/url]MS/MS 系统，用以简化大批量临床样本前处理环节的工作流程。安捷伦通过FDA I 类医疗器械的色质产品有Agilent K1260 Infinity [url=https://insevent.instrument.com.cn/t/5p][color=#3333ff]液相色谱[/color][/url]系统和 K6460/K6420 三重四极杆质谱仪，并正在申请中国CFDA医疗器械注册许可证。布鲁克占据了超过一半的MALDI-TOF细分市场，是全球临床微生物鉴定市场的标杆企业，其 microflex LT/SH质谱仪通过CFDA二级医疗器械注册。中国的微生物鉴定市场正处在早期上升阶段，市场潜力巨大。今年中国质谱市场发生了新的情况，多家国产厂商和IVD企业瞄准临床微生物鉴定市场，纷纷推出MALDI-TOF，加上先一步推出产品的两家，目前有MALDI-TOF产品的国产厂商已达7家。其中，毅新博创和融智生物均拿到了CFDA医疗器械注册证。可以预见，未来这一市场的竞争将会异常激烈。

1. 临床常见细菌的鉴定：2009年Seng等用1660株细菌对MALDI-TOF MS常规鉴定细菌进行前瞻性研究，结果显示MALDI-TOF MS是一种经济、快速、准确的常规细菌鉴定方法，未来有可能取代传统的革兰染色和生化方法。此后，MALDI-TOF MS在临床应用迅速增加。在Medline数据库用“MALDI tof bacteria identification”作为MeSH检索词，从2009至2013年1月发表相关文章467篇，其中2011至2013年发表323篇。由此可见MALDI-TOF MS近几年在临床微生物检验中备受关注。　　另外，MALDI-TOF MS对弯曲菌、螺杆菌、军团菌等苛氧菌、少见菌等的鉴定，解决了微生物实验室对这类病原菌的鉴定、临床对其感染的诊断和治疗、流行病学资料缺失等的瓶颈问题。　　2. 样本直接检测：应用MALDI-TOF MS直接鉴定阳性血培养标本中的细菌和真菌可以极大地提高检测速度。大量的研究尝试用不同的方法来处理血标本，由于血培养基各异、数据库和分析软件等差异都对样本前处理的方法标准化造成了一定的困难。布鲁克公司研发了血培养标本的前处理试剂盒，用于阳性血培养标本直接质谱鉴定的前处理。研究显示革兰阴性菌的准确率优于革兰阳性菌，而对厌氧菌、α-溶血性链球菌和多个细菌混合样本的鉴定存在困难。新的富集技术的应用（比如附加特异性抗体亲和特定蛋白）以及相应分析软件的改进，将使MALDI-TOF MS直接用于血液病原菌的检验成为可能，即MALDI-TOF MS作为一种快速、使用简便，低成本消耗的检测技术，有望取代传统血培养检测技术，为血培养中病原菌的快速诊断提供有力支持。此外，临床的尿液和脑脊液标本也可以经一定处理后，用质谱技术进行蛋白谱的分析用于疾病的辅助诊断。　　3. 真菌鉴定：有学者应用MALDI-TOF MS对327株菌（其中19株为酵母菌）在种的水平上鉴定正确率为61株为酵母菌）的鉴定正确率为92%。　　4. 非结核分枝杆菌鉴定：国外学者对107株分枝杆菌临床分离株（包括结核分枝杆菌复合体），利用声波降解的热失活方法和利用玻璃珠进行细胞裂解的方法进行失活和提取，再利用MALDI-TOF MS方法进行鉴定，发现两种方法在种/属水平上成功鉴定率分别为82.2%和88.8%。周昭彦等采用MALDI-TOF MS对83株非结核分枝杆菌（临床分离非结核分枝杆菌15株和医院供水系统环境分离非结核分枝杆菌68株）进行快速鉴定方法及其可行性、准确性和重复性进行研究，并得出结论认为MALDI-TOF MS可快速准确地鉴定临床和环境分离的非结核分枝杆菌，在临床实验室常规鉴定方面有着较好的应用前景。　　5. 质谱技术检测病原菌耐药性：除快速鉴定外，质谱技术也被尝试用于检测一些临床常见的耐药基因，例如耐甲氧西林的金黄色葡萄球菌、万古霉素耐药的肠球菌等的识别，鲍曼不动杆菌相关的耐药机制与产生条件等，为控制耐药菌株播散流行及治疗提供新的策略。　　质谱技术为临床微生物实验室提供了快速而准确鉴定细菌、分枝杆菌、真菌等的方法，其中临床标本的直接鉴定成为未来研究的方向。将MALDI-TOF MS与全自动药敏检测仪相连，整合到实验室自动化流水线后，可以提高检测速度，缩短患者住院时间，提高疗效，降低医院和患者的经济负担。另外MALDI-TOF MS与其他分子生物学检测技术联合，可以对临床产酶菌株的检测方法、基因分型及测序、蛋白质组学方面开展更加深入的研究。MALDI-TOF MS有望成为临床实验室微生物鉴定分型等领域发展的重要方向。