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        色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法在體液小分子檢測(cè)中的應(yīng)用

        2012-03-31 21:34:16王少敏張凱楊貫羽
        大學(xué)化學(xué) 2012年1期
        關(guān)鍵詞:核苷體液尿液

        王少敏 張凱 楊貫羽

        (鄭州大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院 河南鄭州 450052)

        近年來(lái),隨著聯(lián)用技術(shù)的不斷革新,色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)在體液小分子分析中發(fā)揮了越來(lái)越重要的作用。色譜的優(yōu)勢(shì)在于分離,可將復(fù)雜混合物中的各組分分離,但定性和確定物質(zhì)結(jié)構(gòu)的能力較差;質(zhì)譜能夠提供物質(zhì)的結(jié)構(gòu)信息,但樣品需要純化后才能進(jìn)樣分析。接口技術(shù)將這兩種分析方法結(jié)合起來(lái),協(xié)同作用,取長(zhǎng)補(bǔ)短,使色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法在生物樣品分離分析中備受青睞,已廣泛應(yīng)用于體液小分子的檢測(cè)[1]。

        體液即身體內(nèi)的液體,主要包括尿液、血液、唾液、羊水、人奶、精液、腦脊髓、肺腔的液體等。體液中除了水還含有豐富的化合物。體液小分子通常是指相對(duì)分子質(zhì)量小于1000的物質(zhì),主要有核苷、氨基酸、糖類(lèi)和其他一些代表性化合物。這些物質(zhì)在體液中的種類(lèi)和含量反映了機(jī)體的代謝狀況,而利用色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)檢測(cè)體液小分子所得到的一系列樣品信息,對(duì)研究人類(lèi)機(jī)體代謝有著積極的指導(dǎo)意義。色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)主要包括氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用、液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用和毛細(xì)管電泳-質(zhì)譜聯(lián)用。這些聯(lián)用技術(shù)憑借各自的優(yōu)勢(shì)為分離分析體液小分子提供了廣闊的平臺(tái)。

        1 氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法(GC-MS)

        GC-MS是分析儀器中最早實(shí)現(xiàn)聯(lián)用技術(shù)的儀器。GC主要是利用物質(zhì)的沸點(diǎn)、極性及吸附性質(zhì)的差異來(lái)實(shí)現(xiàn)混合物的分離。樣品進(jìn)入氣化室氣化后,被載氣帶入色譜柱,載氣的流動(dòng)使樣品組分在運(yùn)動(dòng)中進(jìn)行反復(fù)多次的分配,最終載氣中分配濃度大的組分先流出,固定相中分配濃度大的組分后流出。經(jīng)氣相色譜柱分離后的樣品呈氣態(tài),并且流動(dòng)相也是氣體,與質(zhì)譜的進(jìn)樣要求相匹配,可直接引入質(zhì)譜,而質(zhì)譜又具有高靈敏度、高鑒別力的特點(diǎn),因此GC-MS是分析復(fù)雜混合物最為有效的手段之一。對(duì)于極性強(qiáng)、揮發(fā)性低的物質(zhì),需要衍生化后再進(jìn)行GC-MS分析,在改善分析對(duì)象的揮發(fā)性同時(shí)還能提高檢測(cè)靈敏度。例如梅慧芬等[2]在利用GC-MS技術(shù)對(duì)半乳糖血癥患兒尿液成分的分析中檢測(cè)到至少34種代謝物。

        體液的種類(lèi)繁多,但目前用于實(shí)驗(yàn)研究的主要是尿液和血液,這是由于這兩種類(lèi)型的體液來(lái)源廣泛,采樣方便并且可以連續(xù)性取樣。而尿液以其非侵入性無(wú)損取樣的優(yōu)勢(shì),應(yīng)用最為廣泛。因此,我們的綜述內(nèi)容也主要集中于色譜-質(zhì)譜技術(shù)在尿液和血液中的小分子檢測(cè)。

        1.1 GC-MS法檢測(cè)尿液中小分子

        人的尿液中包含上萬(wàn)種化合物,這些化合物代表了人體的代謝狀況。準(zhǔn)確分離分析尿液中的小分子化合物,能為各種疾病的診療提供可能的依據(jù)。例如,Nasrallah F等[3]利用GC-MS法分析了肌酸缺乏癥(CDS)患者尿液中胍基乙酸和肌酸的含量,并將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與HPLC-MSMS法比較,最終認(rèn)定該法對(duì)于診斷CDS是一種快速、可靠、可行的方法。

        肝癌是一種常見(jiàn)的惡性腫瘤,Wu H等[4]處理了20位男性肝癌患者和20位男性正常人的尿樣,經(jīng)衍生化后通過(guò)GC-MS檢測(cè),發(fā)現(xiàn)了103種代謝產(chǎn)物,其中66種是已經(jīng)標(biāo)記過(guò)的已知物質(zhì),18種代謝產(chǎn)物在肝癌患者和正常人中有顯著性差異——這種以尿樣代謝物作為生物標(biāo)志物的非侵入性技術(shù)具有重要的臨床意義;朱鳳英等[5]研究發(fā)現(xiàn)4-庚酮和二甲硫醚的含量與膀胱癌具有相關(guān)性。推測(cè)二甲硫醚可能來(lái)源于含硫化合物在人體內(nèi)的合成降解,而4-庚酮可能來(lái)源于增塑劑鄰苯二甲酸二異辛脂在人體內(nèi)的降解;胃癌是消化道常見(jiàn)的惡性腫瘤之一,目前主要依靠胃鏡、病理、血清學(xué)等技術(shù)確診,但這些手段有些敏感性不足,有些有一定創(chuàng)傷。張東兵等[6]比較了胃癌患者術(shù)前、術(shù)后尿液和健康人尿液的分析結(jié)果,發(fā)現(xiàn)患者尿液中天冬氨酸、賴(lài)氨酸、2-甲基-3-氧-丁酸乙酯含量升高,對(duì)胃癌的診斷具有潛在臨床價(jià)值。

        在生物遺傳的研究中,8-羥基脫氧鳥(niǎo)苷在DNA的復(fù)制和修復(fù)過(guò)程中誘發(fā)DNA點(diǎn)突變,被公認(rèn)為是DNA氧化損傷的一種主要的標(biāo)記物。研究發(fā)現(xiàn)癌癥患者尿液中的8-羥基脫氧鳥(niǎo)苷含量明顯高于正常人,這在醫(yī)學(xué)上有著重要的應(yīng)用價(jià)值。梅素榮等[7]利用GC-MS測(cè)定了尿液中8-羥基脫氧鳥(niǎo)苷的含量,驗(yàn)證了GC-MS法的實(shí)用性,為癌癥患者的診療提供了一種新的可能手段。

        Kochnova E A等[8]以GC-MS技術(shù)分析了運(yùn)動(dòng)員尿液中的甾體化合物,共定量檢測(cè)出36種內(nèi)源性甾體化合物。

        隨著科學(xué)家對(duì)人類(lèi)基因和遺傳代謝研究的深入以及各種實(shí)驗(yàn)分析技術(shù)的發(fā)展,越來(lái)越多的遺傳代謝病被檢測(cè)和識(shí)別。韓連書(shū)等[9]應(yīng)用串聯(lián)質(zhì)譜和GC-MS法檢測(cè)了氨基酸代謝病、有機(jī)酸血癥和脂肪酸β氧化代謝病等一系列遺傳性代謝病患者的尿液,發(fā)現(xiàn)兩種技術(shù)結(jié)合,能夠同時(shí)檢測(cè)出30余種遺傳代謝病。

        1.2 GC-MS法檢測(cè)血液中小分子

        人體各器官的生理和病理變化,往往會(huì)引起血液成分的改變,通過(guò)分析血液成分可以了解人體狀況。例如血清葡萄糖的含量是人體健康狀況的重要指標(biāo),能為糖尿病、高血壓以及心腦血管等疾病的診療和防控提供有效依據(jù)。丁兆婷等[10]運(yùn)用同位素稀釋質(zhì)譜法配制了一系列溶液,并向血清樣品中加入內(nèi)標(biāo),利用GC-MS法測(cè)定血糖含量,大大減低了測(cè)量結(jié)果的不確定度,完善了血糖含量檢測(cè)的參考系統(tǒng)。

        酒后駕車(chē)是非常嚴(yán)重的交通安全問(wèn)題,乙醇在體內(nèi)代謝很快,一般酒后幾小時(shí)體內(nèi)就檢測(cè)不到乙醇成分,但是一部分乙醇進(jìn)入體內(nèi)會(huì)與尿嘧啶核苷-5′-二磷-葡萄糖醛酸結(jié)合形成乙基葡萄糖醛酸苷,如果事故時(shí)間間隔過(guò)長(zhǎng),血液中乙醇成分無(wú)法檢測(cè),卻可以通過(guò)檢測(cè)乙基葡萄糖醛酸苷的含量來(lái)解決問(wèn)題。運(yùn)用GC-MSMS聯(lián)用方法檢測(cè)血液中乙基葡萄糖醛酸苷,簡(jiǎn)單、快速,適合于檢驗(yàn)案例[11]。

        Kawana S等[12]建立了一種簡(jiǎn)單快速分析血樣中氨基酸的GC-MS方法,其中包括纈氨酸、亮氨酸、異亮氨酸、甲硫氨酸和苯丙氨酸等,血樣經(jīng)過(guò)處理衍生化后,實(shí)驗(yàn)回收率為69.8%~87.9%,每個(gè)樣品的分析時(shí)間為26分鐘,這幾種物質(zhì)的檢測(cè)限依次為24.2、16.7、8.7、1.5和12.9μmol/L。

        1.3 GC-MS法檢測(cè)羊水中小分子

        有機(jī)酸是氨基酸、脂肪、糖類(lèi)中間代謝過(guò)程中產(chǎn)生的羧基酸,但是由于某種酶缺陷會(huì)導(dǎo)致這些酸代謝異常在體內(nèi)累積,因此檢測(cè)體液有機(jī)酸含量可以作為疾病診療的一種手段。丁一峰[13]利用GC-MS分析了63例正常羊水,共檢測(cè)出131種有機(jī)酸代謝物,并計(jì)算出代謝物濃度,提供了代謝物參考值,為今后遺傳代謝病的羊水產(chǎn)前診斷提供了方法和依據(jù);方法具有檢測(cè)時(shí)間短,避免母源性污染的特點(diǎn)。

        1.4 GC-MS法檢測(cè)唾液中小分子

        GC-MS法在檢測(cè)唾液中化合物也有一定應(yīng)用。例如Janowska E等[14]將唾液酶解、脫蛋白、固相萃取、衍生化,選取D3-嗎啡和D3-可待因作為內(nèi)標(biāo),利用GC-MS法檢測(cè)唾液中嗎啡和可待因的含量。嗎啡和可待因的檢測(cè)限分別是4ng/mL和5ng/mL,定量限依次為14ng/mL和15ng/mL,定量范圍20~1000ng/mL,回收率為50%~60%。為了檢驗(yàn)方法的實(shí)用性,隨機(jī)抽取10位吸毒者的唾液驗(yàn)證,結(jié)果表明該方法適用于追蹤戒毒過(guò)程。

        2 液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法(LC-MS)

        ESI源的出現(xiàn)使LC-MS技術(shù)飛速發(fā)展。LC-MS法的基本原理是依靠分析物質(zhì)在固定相和流動(dòng)相中分配系數(shù)的差異,經(jīng)過(guò)色譜柱將物質(zhì)分離,陸續(xù)進(jìn)入質(zhì)譜檢測(cè)。LC-MS除了能夠分析GC-MS法不能分析的強(qiáng)極性、難揮發(fā)、熱不穩(wěn)定性的化合物外,還具有分離能力強(qiáng)、定性分析可靠、檢測(cè)限低等優(yōu)點(diǎn),因此在體液小分子的檢測(cè)中具有更廣泛的應(yīng)用。

        2.1 LC-MS法檢測(cè)尿液中小分子

        尿液中的修飾核苷是機(jī)體RNA的代謝產(chǎn)物,由于不能被機(jī)體再利用而通過(guò)尿液排出體外,因此尿液修飾核苷的含量能夠反映機(jī)體細(xì)胞RNA的代謝速率以及細(xì)胞增殖狀況。依托LC-MS法檢測(cè)尿液中修飾核苷的研究,完善了腫瘤標(biāo)志物的種類(lèi),增強(qiáng)了疾病檢測(cè)的手段。例如,Jeng L B等[15]利用LC-MS技術(shù)對(duì)25位肝癌患者和20位健康人的尿液核苷進(jìn)行了分析,結(jié)果發(fā)現(xiàn)肝癌患者尿液中的腺苷、胞苷和次黃苷的平均含量明顯高于正常人,認(rèn)為這3種核苷可以作為潛在的腫瘤標(biāo)志物用于肝癌的診斷。大連化物所許國(guó)旺課題組分別以HILIC和RPLC分離法,利用UPLC-MS技術(shù)分析了肝癌患者和正常人尿液成分,結(jié)果發(fā)現(xiàn)HILIC比RPLC具有更高的靈敏度和穩(wěn)定性[16]。此外,他們?cè)趯?duì)結(jié)腸癌研究中加入良性結(jié)腸腫瘤對(duì)照,通過(guò)UPLC-MS和SPE-HPLC對(duì)34位正常人、34位良性腫瘤(BCT)患者和50位結(jié)腸癌(CRC)患者的尿液進(jìn)行了分析,結(jié)果發(fā)現(xiàn)苯乙酸谷氨酸有加快細(xì)胞凋亡、控制細(xì)胞增殖和調(diào)節(jié)致癌基因表達(dá)的作用,在CRC中含量最高,其含量的升高能夠反映癌癥的轉(zhuǎn)變。在尿液核苷的檢測(cè)中,2,2-二甲基鳥(niǎo)苷和N6-甲基腺苷在CRC和BCT中含量較高,但兩者沒(méi)有明顯差異;而假尿苷、胞苷、尿苷和1-甲基腺苷在CRC中含量高。研究結(jié)果表明,腫瘤細(xì)胞的核苷代謝比正常人復(fù)雜,腫瘤細(xì)胞具有更高的代謝能力[17]。

        單一的方法可能會(huì)使極重要的潛在生物標(biāo)志物缺失,中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院/北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院再帕爾·阿不力孜課題組[18]選用不同離子源模式如(±)ESI-MS、(±)APCI-MS、(±)APPI-MS檢測(cè)肺癌患者尿液。有11種物質(zhì)被識(shí)別,包括5種氨基酸、5種核苷和1種吲哚代謝物,為研究肺癌代謝組學(xué)提供了有力的依據(jù)。此外,他們[19]利用RRLC-MSMS法,在數(shù)據(jù)分析中創(chuàng)新性地引入偏相關(guān)分析方法構(gòu)建相關(guān)性網(wǎng)絡(luò),結(jié)合多變量分析方法共同尋找可能的生物標(biāo)記物,在乳腺癌患者尿液的檢測(cè)中識(shí)別出涉及氨基酸、有機(jī)酸和核苷的12種潛在腫瘤標(biāo)志物。

        此外,Hsu W Y等[20]利用LC-MS技術(shù)分析尿液核苷來(lái)尋求更加靈敏和精確的大腸癌標(biāo)記物。Lee S H等[21]對(duì)老年癡呆癥病人的尿液檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)3-甲基尿苷、1-甲基腺苷、8-羥基-2′-脫氧鳥(niǎo)苷、2-脫氧鳥(niǎo)苷、假尿苷和N2,N2-二甲基鳥(niǎo)苷等6種核苷含量比正常人顯著增高。我們也利用LC-MS法在淋巴癌患者尿液提取物中鑒定出26種核苷,其中包括3-甲基腺苷、7-甲基腺嘌呤、5′-脫氫-2′-脫氧次黃苷、3-甲基鳥(niǎo)嘌呤、O6-甲基鳥(niǎo)苷和7-甲基-1-乙基鳥(niǎo)苷6種未見(jiàn)報(bào)道的核苷[22]。

        尿液激素類(lèi)化合物的檢測(cè)也是研究熱點(diǎn)之一。在類(lèi)固醇類(lèi)激素的研究中,王萌燁等[23]采用LC-MSMS方法,建立起測(cè)定尿液中睪酮、表睪酮、脫氫表雄酮、雄酮和苯膽烷醇酮等5種激素的方法替代GC-MS法用于日常分析工作。

        2.2 LC-MS法檢測(cè)血液中小分子

        系統(tǒng)性紅斑狼瘡(SLE)是一種涉及多個(gè)系統(tǒng)和臟器的自身免疫性疾病,我國(guó)的SLE的患病率高于西方國(guó)家。俞穎等[24]應(yīng)用LC-MS技術(shù)對(duì)SLE患者血漿樣本進(jìn)行了代謝指紋圖譜分析,定性鑒定出7種代謝標(biāo)志物,發(fā)現(xiàn)患者的氨基酸、磷脂和卟啉代謝異常,完善了該病的診斷依據(jù)。

        血液中的激素也可以利用LC-MS法檢測(cè)。孕酮對(duì)妊娠婦女維持正常的妊娠過(guò)程起重要作用。張超等[25]建立了測(cè)定血液中孕酮含量的LC-APCI-MSMS聯(lián)用方法:線(xiàn)性范圍0.2~50ng/mL,最低定量限為0.2ng/mL,靈敏度高、檢出限低。初陽(yáng)等[26]同樣利用HPLC-MSMS聯(lián)用技術(shù)建立了測(cè)定人血清內(nèi)源性激素睪酮含量的方法。

        在對(duì)血漿氨基酸的檢測(cè)中,趙華等[27]利用LC-MS技術(shù)檢測(cè)了血漿中的異亮氨酸異構(gòu)體,并測(cè)定了血漿中異亮氨酸異構(gòu)體的含量。血漿氨基酸代謝譜與糖尿病有相關(guān)性,韓曉菲等[28]采用鄰苯二甲醛柱前在線(xiàn)衍生反相HPLC法建立了血漿中21種氨基酸代謝譜的相對(duì)定量方法,通過(guò)比較糖尿病患者與志愿者的氨基酸代謝發(fā)現(xiàn),有7種氨基酸承載了分組的重要信息,可作為反映血糖值高低變化的標(biāo)志物組,對(duì)于糖尿病的早期診斷及深入研究具有潛在的科研及臨床價(jià)值。

        2.3 LC-MS法檢測(cè)唾液中小分子

        唾液中物質(zhì)的檢測(cè)主要應(yīng)用于藥物的服用檢測(cè)。例如,Coulter C等[29]利用LC-MSMS分析唾液中的一種新的鎮(zhèn)疼藥tapentadol及其代謝產(chǎn)物N-desmethyltapentadol (DMT),檢測(cè)線(xiàn)性范圍是10~100ng/mL,最低定量限是10ng/mL,兩者回收率均大于99%。雖然LC-MS技術(shù)能夠檢測(cè)80%有機(jī)化合物,但其自身也有不足,還需要不斷完善。

        3 毛細(xì)管電泳-質(zhì)譜聯(lián)用法(CE-MS)

        CE是近年發(fā)展迅速的一種分離分析方法,其基本原理是電泳和色譜,是一類(lèi)以毛細(xì)管為分離通道、以高壓直流電場(chǎng)為驅(qū)動(dòng)力的新型液相分離分析技術(shù)。CE-MS與LC-MS的應(yīng)用在方法學(xué)和分析對(duì)象上有許多相似之處。例如都適用于小分子和大分子的分析,適用于熱不穩(wěn)定、強(qiáng)極性分子乃至離子型化合物的分離分析,具有分離效率高、分析速度快、樣品適應(yīng)面寬、試劑盒樣品消耗量少、分離模式多等特點(diǎn)。它的高度分離能力與質(zhì)譜的強(qiáng)鑒定能力聯(lián)用在一起,是一種理想的完美結(jié)合。例如,Johannesson N等[30]建立了用于闌尾炎病人血樣中生物標(biāo)記物篩選的CE-MS方法,發(fā)現(xiàn)病人治療前后的血樣有差異,兩種不同類(lèi)型的闌尾炎也有差異。Mayboroda O A等[31]利用CE-TOF-MS技術(shù)分析尿樣中的氨基酸,通過(guò)調(diào)節(jié)pH可使大多數(shù)氨基酸檢出限低于50nmol,并成功分析了關(guān)節(jié)炎病人尿樣。浙江大學(xué)程翼宇課題組[32]利用CE-MS法分析了20位膀胱癌患者和20位正常人患者尿液,檢測(cè)到m/z317、290、304可以作為潛在的生物標(biāo)志物。

        4 結(jié)語(yǔ)

        人類(lèi)探尋自身奧秘的過(guò)程是一部科技發(fā)展史。色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法的發(fā)展推動(dòng)了體液小分子檢測(cè)的進(jìn)程,目前的聯(lián)用方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)生物樣品快速準(zhǔn)確的分析,具有高通量、高靈敏度的特點(diǎn)。GC-MS相比LC-MS來(lái)說(shuō)具有通用型檢測(cè)器,并且具有豐富的譜圖檢索庫(kù),使得物質(zhì)的定性分析快速方便準(zhǔn)確,但由于其對(duì)樣品揮發(fā)性的限制,不能直接分析難揮發(fā)的有機(jī)化合物。GC-MS直接導(dǎo)入型接口的載氣限于氦氣和氫氣,當(dāng)從色譜柱出口進(jìn)入質(zhì)譜離子源的載氣流量高于2mL/min時(shí),離子源的真空度會(huì)下降。因此,GC-MS在簡(jiǎn)化樣品預(yù)處理過(guò)程,改進(jìn)衍生化方法等方面仍有改進(jìn)的空間。

        對(duì)于LC-MS來(lái)說(shuō),儀器昂貴,使用有機(jī)溶劑作為流動(dòng)相,分析成本高于GC;當(dāng)采用含不揮發(fā)性鹽的流動(dòng)相時(shí),質(zhì)譜的靈敏度會(huì)下降,且離子源會(huì)被污染;此外,LC不能分析常規(guī)氣體;LC-MS目前還沒(méi)有像GC-MS那樣的通用譜庫(kù)。這些都影響了LC-MS作為常規(guī)方法的應(yīng)用。

        CE-MS技術(shù)的發(fā)展尚不完善,在分析重現(xiàn)性和靈敏度等方面仍需不斷改進(jìn)。除了不能使用不揮發(fā)性鹽以外,無(wú)鞘流電噴霧接口的穩(wěn)定性還較差。不斷改進(jìn)接口技術(shù),CE-MS技術(shù)會(huì)在藥物分析、臨床醫(yī)學(xué)、單細(xì)胞分析尤其是蛋白質(zhì)組學(xué)等熱門(mén)領(lǐng)域發(fā)揮更全面、更強(qiáng)大的作用??梢灶A(yù)見(jiàn),隨著科學(xué)技術(shù)的不斷成熟,聯(lián)用法在體液小分子檢測(cè)乃至其他領(lǐng)域的應(yīng)用將越來(lái)越廣闊,具有巨大的發(fā)展空間。

        參 考 文 獻(xiàn)

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