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质谱技术在多组学研究和医学检验中的应用前景及挑战

2022-08-10


传统医学模式正进入到基因组学、蛋白质组学、代谢组学等多组学整合分析的精准诊断时代。以 高性能质谱为核心的多组学研究已成为各类疾病筛查、早期诊断、治疗监测和预后评估的生物标志物创新发现 的关键技术平台。近年来质谱技术的迅速发展及其在临床诊断中的推广应用,为提升医学检验水平奠定了坚实的基础,临床质谱技术将是医学检验未来发展的一大亮点。


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

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。在过去的二十多年中,以质谱为核心的蛋白质组学成为分子临床医学研究的重要平台,并发现了一批涉及各种疾病的生物标志物。通过对不同类型癌症患者的血浆、血清及尿液蛋白质组学分析,发现了一系列与癌细胞形成和发展相关的蛋白质标志物,用于许多类型的癌症诊断,包括卵巢癌、前列腺癌、乳腺癌、膀胱癌、肾癌、肺癌、胰腺癌、星形胶质瘤等,这些标志物不仅可以对癌症进行筛查、诊断和预后监测,同时还可以对癌症的亚型进行分类。对于一些特殊类型疾病,如阿尔茨海默病(AD)、 帕金森病(PD)、系统性硬化症(SSc)等,由于不完全清楚发病机制,其诊断和治疗面临巨大挑战,蛋白质组学的发展和质谱技术的进步促进了这些疾病新标志物的发现。

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<1000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。质谱技术与气相色谱、液相色谱、毛细管电泳等分离技术结合提高了代谢组学靶向和非靶向分析的灵敏度、可靠性和分析效率,从而被广泛地用于代谢组学研究。利用电喷雾化的“软”电离方法,可以实现液相色谱-质谱的无缝对接,适合于非挥发性代谢物的直接分析,可以检测范围更广的代谢物。毛细管电泳与质谱串联通常可以获得比液相色谱-质谱更高的分离效率,可用于处理挥发性和非挥发性代谢物,是一种非常有前景的代谢组学研究工具。质谱平台能对生物体中数百至数千种代谢物进行灵敏且可重现的检测,基于质谱的代谢组学检测超出了常规化学分 析和代谢表型分析的范围,是代谢物类标志物检测的最佳平台,其在疾病发病机制研究和临床诊疗中有广阔前景。

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。质谱技术在遗传标记的基因分型[单核苷酸多态性(SNP)、短串联重复序列及其组合测定],合成寡核苷酸的质量控制,脱氧核糖核酸、核糖核酸分子、核酸之间非共价相互作用及核酸、药物和蛋白质相互作用的研究等方面显示了强大的分析潜力。与基因组比较,转录组直接反映了在特定条件下活跃表达于细胞中的基因信息,并且与蛋白质组的变化密切相关,相对而言质谱技术在转录学研究中的应用较少,但基于DNA微阵列的转录组学和基于质谱的蛋白质组学的结合,可以在系统水平上增强对细胞转录功能的认知。


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。近年来随着质谱技术在临床上的应用越来越广泛,许多基于质谱的蛋白大分子检测如胰岛素样生长 因子-1精准检测、淀粉样变性分型检测等被临床广泛应用。另外,检测多个基因SNP的核酸质谱技术也正在被广泛评价和应用中。


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。

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