張自強(qiáng)，　李　巖

質(zhì)譜技術(shù)在臨床生化檢測(cè)中的應(yīng)用

張自強(qiáng)，李巖

(中國(guó)科學(xué)院生物物理研究所，北京 100101)

摘要：近年來，質(zhì)譜技術(shù)在臨床醫(yī)學(xué)檢驗(yàn)中所發(fā)揮的作用受到越來越多的關(guān)注。氣相或高效液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)以及串聯(lián)質(zhì)譜技術(shù)的發(fā)展大大拓展了這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用范圍，使其成為臨床生化檢驗(yàn)中有效的檢測(cè)工具。文章對(duì)質(zhì)譜以及生物質(zhì)譜技術(shù)做了簡(jiǎn)單介紹，對(duì)其應(yīng)用于臨床生化檢驗(yàn)中的幾大項(xiàng)目，如新生兒遺傳代謝病篩查等做了介紹。質(zhì)譜技術(shù)較其他傳統(tǒng)生化免疫方法具有高特異性、高靈敏性、低檢測(cè)限等明顯優(yōu)勢(shì)，其作為一項(xiàng)新技術(shù)具有很好的發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞：質(zhì)譜；臨床生物化學(xué)檢驗(yàn)

The application of mass spectrometry in clinical biochemistryZHANGZiqiang，LIYan

.(InstituteofBiophysics，ChineseAcademyofScience，Beijing100101，China)

Abstract：Recently, mass spectrometry has been playing more and more important roles in clinical laboratory medicine. The development of gas or high-performance liquid chromatography and tandem mass spectrometry technologies has expanded the application of mass spectrometry, and it becomes an efficient tool for clinical biochemical determination. This article introduces the technical principle of mass spectrometry and presents the utilization in clinical biochemistry, such as newborn screening for genetic diseases and so on. Mass spectrometry has shown great potential with the advantages of high specificity, high sensitivity and low limit of determination in clinical biochemistry.

Key words：Mass spectrometry； Clinical biochemistry determination

早在1886年，Goldstein發(fā)明了早期質(zhì)譜儀常用的離子源。1906年，諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主、英國(guó)著名物理學(xué)家Thomson發(fā)明了世界上第1臺(tái)質(zhì)譜儀。1942年第1臺(tái)單聚焦質(zhì)譜儀的商業(yè)化推廣代表著質(zhì)譜技術(shù)終于突破了理論發(fā)展的瓶頸階段。迄今為止，質(zhì)譜技術(shù)已經(jīng)為化合物結(jié)構(gòu)研究提供了大量有用的信息，被廣泛應(yīng)用于地質(zhì)、環(huán)境化學(xué)、有機(jī)化學(xué)、制藥、生命科學(xué)等領(lǐng)域[1]。

質(zhì)譜技術(shù)是測(cè)量分子質(zhì)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(shù)據(jù)。質(zhì)譜儀是一類可以將樣品分子轉(zhuǎn)化成帶電離子，并利用適當(dāng)?shù)碾妶?chǎng)、磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)離子m/z分離，進(jìn)而檢測(cè)每種離子的峰強(qiáng)度進(jìn)行物質(zhì)分析的儀器。質(zhì)譜儀主要由進(jìn)樣系統(tǒng)、離子源、質(zhì)量分析器、檢測(cè)器和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)5個(gè)部分組成，其中核心部件為離子源與質(zhì)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(dǎo)致樣品產(chǎn)生的離子碎片很小；軟電離則較為溫和，可以產(chǎn)生較大的離子碎片，如電噴霧電離、基質(zhì)輔助激光解吸電離和大氣壓化學(xué)電離等。隨著軟電離技術(shù)的發(fā)展與不斷成熟，實(shí)現(xiàn)了高分辨率與高質(zhì)量檢測(cè)范圍的結(jié)合，使得生物大分子質(zhì)譜分析成為可能，從而開辟了一個(gè)新的領(lǐng)域——生物質(zhì)譜，并在生命科學(xué)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用和飛速發(fā)展。質(zhì)量分析器的作用是根據(jù)m/z將電離產(chǎn)生的帶電離子分離，主要有時(shí)間飛行、四級(jí)桿、離子阱、傅立葉變換離子回旋共振質(zhì)量分析器等多種類型。目前用于生命科學(xué)領(lǐng)域的質(zhì)譜儀多由幾種質(zhì)量分析器串聯(lián)而成，在空間或時(shí)間上實(shí)現(xiàn)了母離子選擇、母離子碎裂、子離子檢測(cè)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(jù)，使得質(zhì)譜檢測(cè)結(jié)果具有極高的特異性[1-3]。

一、質(zhì)譜在臨床生化檢測(cè)中的應(yīng)用

由于生物質(zhì)譜技術(shù)具有特異性好、靈敏度高、選擇性廣、檢測(cè)速度快等特點(diǎn)，所以近年來在臨床生化檢驗(yàn)中的應(yīng)用越來越廣泛。目前國(guó)際上已經(jīng)被廣泛應(yīng)用的質(zhì)譜臨床生化檢驗(yàn)項(xiàng)目包括新生兒遺傳代謝病篩查、維生素D檢測(cè)、激素檢測(cè)、血藥濃度監(jiān)測(cè)、微量元素檢測(cè)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(duì)某些危害嚴(yán)重的先天性遺傳代謝疾病進(jìn)行群體篩查，并進(jìn)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(duì)苯丙酮尿癥的篩查。此后隨著醫(yī)療技術(shù)的發(fā)展，越來越多的遺傳代謝病被引入其中。我國(guó)自上世紀(jì)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(zhì)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(dú)進(jìn)行。目前國(guó)際上美、歐、日等國(guó)家都已經(jīng)使用串聯(lián)質(zhì)譜技術(shù)對(duì)多個(gè)代謝產(chǎn)物進(jìn)行聯(lián)合檢測(cè)，同時(shí)篩查超過30種疾病，除以上提到的幾項(xiàng)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(jī)酸尿癥和尿素循環(huán)缺陷癥等[4-5]。在我國(guó)，顧學(xué)范教授等多個(gè)研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)利用該技術(shù)進(jìn)行了大量臨床檢測(cè)與研究，取得了良好效果[6]。同時(shí)多家第三方醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)室和婦幼保健機(jī)構(gòu)也可以提供項(xiàng)目服務(wù)。因此，對(duì)于新生兒遺傳代謝病篩查的質(zhì)量控制與室間質(zhì)評(píng)是目前急需解決的關(guān)鍵問題之一。

2. 維生素D檢測(cè)維生素D是一種脂溶性維生素，化學(xué)本質(zhì)為固醇類衍生物，目前也被認(rèn)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(chǔ)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(zhuǎn)變?yōu)榫S生素D3。近年來發(fā)現(xiàn)維生素D缺乏不僅可以造成骨質(zhì)疏松癥，還與糖尿病、癌癥、心血管疾病等相關(guān)。體內(nèi)保持足夠的維生素D對(duì)糖尿病等都有一定的預(yù)防作用。目前維生素缺乏已經(jīng)成為一個(gè)全球性問題，對(duì)體內(nèi)維生素D含量的檢測(cè)受到了越來越多的關(guān)注。25-羥基維生素D是體內(nèi)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(nèi)維生素D的水平。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)血清中25-羥基維生素D的檢測(cè)方法主要有放射免疫、競(jìng)爭(zhēng)蛋白結(jié)合法以及新興的串聯(lián)質(zhì)譜法。與傳統(tǒng)方法相比，串聯(lián)質(zhì)譜法定量測(cè)定25-羥基維生素D具有更好的特異性和更強(qiáng)的抗干擾性，并能實(shí)現(xiàn)25-羥基維生素D2和25-羥基維生素D3的同時(shí)測(cè)定[7]。郭守東等[8]利用液相串聯(lián)質(zhì)譜法檢測(cè)糖尿病患者血漿中25-羥基維生素D3水平，發(fā)現(xiàn)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(lián)質(zhì)譜法對(duì)過敏性鼻炎兒童血清中的維生素D進(jìn)行了檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)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(dāng)需要區(qū)分維生素D的不同代謝產(chǎn)物種類時(shí)，串聯(lián)質(zhì)譜法比傳統(tǒng)免疫法具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

3. 激素檢測(cè)對(duì)類固醇激素及其代謝產(chǎn)物的檢測(cè)是生物質(zhì)譜技術(shù)在臨床生化檢驗(yàn)中一個(gè)非常重要的項(xiàng)目。通過質(zhì)譜定量檢測(cè)，可以判斷相應(yīng)的類固醇激素與疾病的相關(guān)性[10-11]。目前利用質(zhì)譜技術(shù)可以對(duì)睪酮、脫氫睪酮、雄酮、雌酮、雌二醇和雌三醇等多種激素進(jìn)行定量檢測(cè)，進(jìn)而對(duì)相關(guān)疾病進(jìn)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(fā)性醛固酮增多癥等[1]。丁一峰等[12]利用氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法分析尿液中的類固醇，實(shí)現(xiàn)多種激素同時(shí)檢測(cè)，且不同激素之間沒有交叉反應(yīng)，準(zhǔn)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(guān)。黃河花等[13]建立了一種基于電噴霧電離質(zhì)譜同時(shí)檢測(cè)脫氫表雄酮、睪酮和雄酮的定量方法，檢測(cè)快速、靈敏度高、準(zhǔn)確性好。

4. 血藥濃度監(jiān)測(cè)在臨床疾病治療中，很多藥物的濃度需要嚴(yán)格限定在某一合適范圍，過少達(dá)不到治療效果，過多則可能引起毒性或成癮反應(yīng)，造成不良后果，給患者帶來巨大痛苦。對(duì)這些藥物濃度的檢測(cè)目前我國(guó)主要應(yīng)用免疫化學(xué)方法。這種方法雖簡(jiǎn)單易行，但只能檢測(cè)少數(shù)幾種藥物，無法滿足臨床檢測(cè)的要求。而且一般藥物在體內(nèi)的濃度都很低，要求檢測(cè)方法具有高靈敏度。近年來，質(zhì)譜技術(shù)逐漸成為藥物濃度檢測(cè)的重要手段。多種藥物均可以利用質(zhì)譜技術(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確檢測(cè)，而且可以實(shí)現(xiàn)多藥物同時(shí)檢測(cè)，提高了臨床檢測(cè)工作的效率。目前國(guó)際上已經(jīng)在臨床開展的藥物濃度監(jiān)測(cè)項(xiàng)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(zhuǎn)錄病毒藥物等。同時(shí)隨著質(zhì)譜技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，其有望成為藥物及其代謝產(chǎn)物檢測(cè)的“金標(biāo)準(zhǔn)”[14]。曲素欣等[15]建立了基于液相-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)檢測(cè)卡馬西平濃度的方法，并研究了該藥物與癲癇療效的關(guān)系。該檢測(cè)方法特異性強(qiáng)、操作方便，具有很好的靈敏度和準(zhǔn)確性，且重現(xiàn)性良好。崔剛等[16]建立了超高效液相-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)檢測(cè)腎移植患者體內(nèi)霉酚酸濃度的方法。該方法快速、準(zhǔn)確，可廣泛應(yīng)用于器官移植患者血藥濃度的臨床監(jiān)測(cè)中。

5. 痕、微量元素檢測(cè)人體元素含量可以作為很多疾病的標(biāo)志物，檢測(cè)人體痕、微量元素可以輔助診斷某些臨床疾病和職業(yè)病。元素檢測(cè)中常用的方法為發(fā)射光譜法和質(zhì)譜法。質(zhì)譜法可以實(shí)現(xiàn)多元素同時(shí)檢測(cè)，且靈敏度高、檢測(cè)限低、動(dòng)態(tài)范圍寬，可以直接對(duì)血液樣品進(jìn)行檢測(cè)。目前質(zhì)譜技術(shù)已成為無機(jī)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(cè)方法，廣泛應(yīng)用于全血、血清、尿液和頭發(fā)中砷、鉛等有害重金屬以及鐵、鋅、硒等人體微量元素的檢測(cè)[17]。張文潔等[18]利用電感耦合等離子體質(zhì)譜法對(duì)慢性腎炎患者血清中的微量元素做了檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)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(duì)患者血液中微量元素的變化做實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，為慢性腎炎的臨床治療提供指導(dǎo)。歐陽珮珮等[19]建立了基于質(zhì)譜法的分析方法并對(duì)全血中5種微量元素同時(shí)做了檢測(cè)，此方法檢出限低、靈敏度高、準(zhǔn)確性好，元素之間干擾較小，符合復(fù)雜生物樣品多元素同時(shí)檢測(cè)的要求。

6. 其他項(xiàng)目除以上項(xiàng)目外，質(zhì)譜技術(shù)的臨床研究也已全面開展。葉軍等[20]利用質(zhì)譜技術(shù)對(duì)臨床診斷不明的神經(jīng)系統(tǒng)、消化系統(tǒng)以及皮膚損害患兒做了檢測(cè)，診斷患兒為多種羧化酶缺乏癥，并對(duì)生物素治療過程做了監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)療效顯著。

二、總結(jié)與展望

質(zhì)譜技術(shù)自誕生以來發(fā)展十分迅速，在臨床生化檢驗(yàn)中的作用越來越明顯，成為臨床檢驗(yàn)中的重要新型工具。質(zhì)譜技術(shù)較其他方法具有更高的特異性、靈敏度、準(zhǔn)確度、精確度，且檢出限低，不受抗體或特殊生化反應(yīng)的限制，在臨床應(yīng)用中具有很好的前景。新生兒遺傳代謝病篩查等多個(gè)項(xiàng)目已經(jīng)在臨床檢驗(yàn)中得到廣泛應(yīng)用。

相比較而言，我國(guó)臨床生化檢驗(yàn)中質(zhì)譜技術(shù)的應(yīng)用還非常有限，與國(guó)外發(fā)展水平差異較大，很多相關(guān)部分還需要進(jìn)一步完善，例如：質(zhì)譜檢測(cè)數(shù)據(jù)的判斷標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)方法的掌握與人員培訓(xùn)、質(zhì)量控制體系的建立、收費(fèi)渠道與收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)的確定等等。目前我國(guó)串聯(lián)質(zhì)譜技術(shù)進(jìn)行臨床生化檢測(cè)的項(xiàng)目單一，主要集中于少量第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)與婦幼保健單位，獨(dú)立于大型綜合醫(yī)療機(jī)構(gòu)之外，不利于臨床質(zhì)譜技術(shù)的進(jìn)一步深入發(fā)展。因此，從臨床需求出發(fā)，結(jié)合醫(yī)院實(shí)際情況，完善技術(shù)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(fā)展質(zhì)譜等新型檢測(cè)技術(shù)的有效途徑。

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(本文編輯：龔曉霖)

收稿日期：(2014-12-19)

中圖分類號(hào)：

文章編號(hào)：1673-8640(2015)05-0407-03R446.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：ADOI：10.3969/j.issn.1673-8640.2015.05.001

通訊作者：李巖，聯(lián)系電話：010-64885759。

作者簡(jiǎn)介：張自強(qiáng)，男，1991年生，學(xué)生，主要從事蛋白質(zhì)組學(xué)和糖組學(xué)的生物學(xué)和臨床醫(yī)學(xué)研究。

基金項(xiàng)目：中國(guó)科學(xué)院STS科技服務(wù)網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃資助項(xiàng)目(KFJ-EW-STS-028)；中國(guó)科學(xué)院中國(guó)人群前瞻性生物樣本庫(kù)資助項(xiàng)目(KJZD-EW-TZ-L05)