王 芳, 王 松, 叢海林,2, 于 冰,2*

(1. 青島大學生物醫(yī)用材料與工程研究院, 青島大學化學化工學院, 青島大學附屬醫(yī)院, 山東 青島 266071;2. 生物多糖纖維成形與生態(tài)紡織國家重點實驗室, 青島大學材料科學與工程學院, 山東 青島 266071)

毛細管電泳(CE)是一種以毛細管柱作為分離通道,高壓直流電作為驅(qū)動力,根據(jù)樣品在系統(tǒng)中的遷移差異使各組分分離的分析技術。它具有分析效率高、分離時間短、分析范圍廣和樣品用量少等優(yōu)點[1]。電泳作為一種高效的分離技術,已實現(xiàn)與多種檢測器聯(lián)用,并開發(fā)出多種分離模式。將CE與高選擇性及高靈敏度的質(zhì)譜(MS)聯(lián)用,不僅使系統(tǒng)的靈敏度顯著提高,且彌補了CE在定性方面的缺陷[2]。毛細管電泳-質(zhì)譜(CE-MS)聯(lián)用技術作為一種高效的分離分析手段與液相色譜-質(zhì)譜(LC-MS)聯(lián)用技術相輔相成,互為補充[3],可獲得最高的代謝覆蓋率,提高數(shù)據(jù)的準確性。

CE-MS技術已成為復雜基質(zhì)和低濃度目標分析物的首選[4]。近幾年來,CE-MS聯(lián)用技術的相關研究層出不窮,主要包括新技術方法的設計、改進以及應用研究。Szigeti等[5]通過引入一種高效的樣品前處理方法,對人血清N-糖基組學進行毛細管電泳與激光誘導熒光(CE-LIF)分析,并為電離模式下的CE-ESI-MS分析提供了條件。Wild等[6]通過多段進樣-毛細管電泳-質(zhì)譜(MSI-CE-MS)聯(lián)用技術對苯丙酮尿癥病人尿液和血漿的代謝物進行分析,以檢測新的生物標記物。這項分析不僅可以對苯丙氨酸中毒進行檢測,且為患者的健康飲食提供了指導。目前CE-MS越來越多地應用于生命科學、醫(yī)學、藥學等領域,已在蛋白質(zhì)組學、代謝組學、生物標記物等方面取得重大進展[7]。本文就2015年來,CE-MS在技術改進和應用方面的發(fā)展進行了綜述。

1 CE-MS技術改進

目前,聯(lián)用系統(tǒng)仍存在接口不合適、電噴霧不穩(wěn)定等問題,限制了該技術的發(fā)展。本節(jié)從涂層類型、接口技術和數(shù)據(jù)處理方法等方面介紹了CE-MS的發(fā)展。

1.1 毛細管涂層

在進行分析時,分析物與毛細管壁的相互作用會對分離效率、電滲流(EOF)和遷移時間造成影響,降低系統(tǒng)的分離效果。涂層可有效解決分析物在毛細管內(nèi)壁的吸附問題,但在CE-MS中,并非所有涂層都適合與MS系統(tǒng)兼容。MS要求涂層不干擾其檢測系統(tǒng),若涂料進入質(zhì)譜儀會引起嚴重的背景噪聲,降低分析物信號,污染光學器件[8]?；诖?只有穩(wěn)定的靜態(tài)涂層可滿足要求,涂層的應用提高了聯(lián)用系統(tǒng)的分離性能,使系統(tǒng)更具分析優(yōu)勢。

在CE-MS分析中,EOF的穩(wěn)定性影響樣品分析的靈敏度與重現(xiàn)性。穩(wěn)定的CE-MS接口需要具有朝向毛細管出口的EOF,否則鞘液或空氣會被吸入毛細管中,導致系統(tǒng)電流不穩(wěn)定,甚至出現(xiàn)運行故障[9]。EOF與電噴霧的形成有關,對分離過程及質(zhì)譜檢測都有一定的影響。這意味著CE-MS在選擇合適的毛細管涂層時須考慮到EOF的相關特性。

3種類型的涂層都是通過降低分析物與毛細管壁間的相互作用來提高分離效果。帶電的毛細管涂層可以改變CE-MS中EOF的方向和大小,陰離子涂層在分析陰離子樣品時占優(yōu)勢,陽離子涂層可形成較高的EOF,若將其應用于無鞘接口中,可通過延長毛細管來提高其分辨率。中性涂層對分析物的電荷沒有限制且可顯著降低EOF,因此在CE-MS中應用最廣。

作者課題組以光敏性重氮樹脂(DR)為偶聯(lián)劑,通過自組裝構建出多種共價鍵合的涂層毛細管柱(包括聚乙烯醇型(PVA)[10]、聚乙二醇型(PEG)[11]、環(huán)糊精型(CD)[12]、羧基化富勒烯型(C60-COOH)[13]),并對它們進行了蛋白質(zhì)分離性能的研究。這類涂層通過抑制毛細管對蛋白質(zhì)的吸附實現(xiàn)了蛋白質(zhì)混合樣品的基線分離,不僅提高了CE的分離性能,而且表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性和重復性。最近,作者團隊又設計了一種環(huán)境響應型的共聚物毛細管涂層,聚合物能夠根據(jù)溫度、pH等參數(shù)的變化調(diào)整鏈段構象和聚集形態(tài),來去除毛細管涂層上特異性或非特異性吸附的蛋白質(zhì),最終實現(xiàn)涂層的自清潔性能,并探索其在蛋白質(zhì)、多肽電泳分析和質(zhì)譜聯(lián)用技術等方面的應用。

Acunha等[14]合成了一系列由陽離子N,N,N′,N′-四乙基二亞三胺(TEDETAMA)和中性N-(2-羥丙基)甲基丙烯酰胺(HPMA)組成的聚合物鏈用作毛細管涂層。實驗表明物質(zhì)的量比為50∶50的TEDETAMA-co-HPMA共聚物涂層具有良好的EOF穩(wěn)定性和CE-MS兼容性,可有效地分離堿性蛋白質(zhì)/肽的標準混合物和16種陰離子代謝混合物,分離效率高、重復性好[15]。通過分析奶酪樣品中的溶菌酶以及橙汁和葡萄酒中的陰離子代謝物證明了該CE-MS涂層在蛋白質(zhì)分析和代謝物分析方面的可行性。

1.2 接口技術

CE-MS聯(lián)用技術中離子源的選擇對分析結(jié)果至關重要,常見的離子源包括適用于非極性小分子的電子轟擊(EI)、適用于極性較弱的化合物的大氣壓化學電離(APCI)、適應于極性分子的電噴霧電離(ESI)、適用于大分子分析的基質(zhì)輔助激光電離(MALDI)以及可實時分析、樣品無需處理的環(huán)境電離模式(DESI/DART)。其中ESI-MS在聯(lián)用系統(tǒng)中應用最廣,極性小分子至大分子均可分析。CE中的流速非常低,為了與MS實現(xiàn)聯(lián)用,需要建立一個封閉的電路來維持CE分離所必需的高壓[16]。目前根據(jù)鞘液的存在與否,CE-MS界面主要分為兩大類:鞘液界面和無鞘界面。

1.2.1鞘液界面

在鞘液裝置中,充當液體電極的導電液體被送到毛細管出口周圍,提供閉合CE和ESI電路所需的電接觸[17]。在進行電噴涂過程之前,樣品和鞘液在毛細管尖端混合。盡管鞘液界面對背景電解質(zhì)(BGE)和流速具有良好的耐受性[18],但空間稀釋作用會增加系統(tǒng)噪聲,最終使系統(tǒng)靈敏度降低。高流速鞘液的稀釋作用被視為不利條件,而以納米噴霧的流速輸送該液體時可改善問題[19]。納米噴霧(1 000 nL/min以下)可以完全依靠電噴霧來工作,噴霧通過電場作用于流動液體獲得更小的液滴(低于200 nm)。在獲得氣相離子前,較少的裂變事件就可提高電噴霧過程的整體效率。相比于在高流速條件下形成微米級離子噴霧(1～1 000 μL/min),納米噴霧流速呈現(xiàn)出與CE更高的相容性,因此可以改善界面的柔韌性以及電離問題[20]。除此之外,通過對鞘液接口進行改造,可有效減少死體積,提高靈敏度[21]。

Gonzalez-Ruiz課題組[22]開發(fā)了一種無霧化氣體輔助的低鞘液CE-ESI-MS接口來減少分析物的稀釋。通過對鞘液、工作距離和ESI電位等主要參數(shù)以及泰勒圓錐體尺寸的研究,該接口最終用于基礎藥物分析,并展現(xiàn)出良好的抗干擾性和結(jié)果可重復性。最近,他們通過減小毛細管與發(fā)射器間的距離,構建了一種樣品分散最小化的新鞘液接口CE-ESI-MS[23]。對比前期工作,這種接口可有效提高信噪比,減小峰展寬(見圖1)。通過藥物分子和內(nèi)源性代謝物的測試成功鑒定出與神經(jīng)傳遞相關的物質(zhì)。這一改進顯著提高了樣品在遷移時間、峰面積等方面的重現(xiàn)性,在復雜的生物樣品分析中具有潛在的優(yōu)勢。

圖 1 不同錐型接口所得的紫外(UV)與電噴霧電離(ESI)對比圖Fig. 1 Comparison of ultraviolet (UV) and electrospray ionization (ESI) from different cone interfacesReproduced from Ref. [22] with permission.

1.2.2無鞘界面

鞘液界面的靈活性使其被更廣泛的應用[24],但鞘液組成的多變性以及對樣品的稀釋也限制了該技術的發(fā)展。無鞘液接口可更有效地提高分析靈敏度,其產(chǎn)生的電噴霧最大限度地減少了稀釋[25],保持檢出限穩(wěn)定。

無鞘界面在電噴霧和電接觸方面缺乏穩(wěn)定性,是限制其發(fā)展的主要原因[26]。無鞘界面通過在毛細管出口處使用金屬或?qū)щ娋酆衔锿扛?或者將金屬微電極引入毛細管形成閉合回路,以實現(xiàn)所需要的電接觸[27]。在這樣的界面中,電噴霧的唯一成分是BGE本身,因此必須對其組分進行優(yōu)化。與鞘液界面相比,無鞘界面的主要優(yōu)勢在于靈敏度高,同時保持了CE的優(yōu)勢。無鞘CE-MS的優(yōu)勢有利于有限樣品的分析[28],并為組學研究提供了思路。

Petersen等[29]開發(fā)了一種簡單且靈敏度高的無鞘CE-MS接口,此接口成本低且穩(wěn)定性好。當該界面以低納升流速(45～90 nL/min)對蛋白質(zhì)/多肽樣品進行分析時,不僅使藥物蛋白(包括胰島素、組織因子和α-突觸核蛋白)有效分離,且可以對蛋白質(zhì)異構體進行分析。

Hirayama等[30]在毛細管柱末端約2 cm處形成一個小裂縫,并將其覆蓋在塑料板上固定,制成如圖2a的CE-MS新型無鞘界面。在優(yōu)化的分析條件下,該界面可分離出52種陽離子代謝物標準品,且與商業(yè)化毛細管兼容性好。與鞘流液界面相比,該界面具有更高的檢測靈敏度和分析效率(如圖2b),有望在代謝組學分析中發(fā)揮優(yōu)勢。

圖 2 (a)無鞘CE-ESI-MS界面示意圖與(b) CE-MS在不同界面下對代謝產(chǎn)物的分析Fig. 2 (a) Schematic of the sheathless CE-ESI-MS interface and (b) analysis of m/z of metabolites by CE-MS at different interfaces For Fig. 2a: 1. plastic plate; 2. electrodialysis membrane; 3. separation capillaries; 4. platinum electrodes; 5. buffer reservoirs. For Fig. 2b: black line, unsheathed; grey line, sheath flow. Reproduced from Ref. [30] with permission.

隨著界面復雜性的提高[31],用戶自己可以執(zhí)行的維護任務已顯著減少。在連接儀器時,兼容性受限的問題給用戶帶來極大困擾。因此,我們理想的CE-MS技術應包含以下特征[32], (i)不存在霧化氣體稀釋效應;(ii)減少鞘流液對BGE成分的電離依賴性;(iii)設計簡單,易于實施和維護。未來的發(fā)展從這幾個方面改進將會提高系統(tǒng)的抗干擾性和實驗的可重復性。

1.3 數(shù)據(jù)處理方法

聯(lián)用技術在設備和方法上的優(yōu)化顯著提高了其應用價值,但數(shù)據(jù)分析的方法也是至關重要的。一般來說受到背景電解質(zhì)、電滲流和電噴霧的影響,CE-MS不易通過遷移時間準確地確定分析物[33],這導致結(jié)果靈敏度低,重現(xiàn)性差。因此需要一些分析技術來完善結(jié)果。

Gonzalez-Ruiz等[34]介紹了一種新的軟件工具ROMANCE,可通過改善分析數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性來實現(xiàn)特征識別。ROMANCE的設計考慮了代謝組學研究的樣本數(shù)量和數(shù)據(jù)大小。通過標準分析軟件包進行處理,轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)結(jié)果文件可以通過常規(guī)的代謝組學流水線處理(預處理,峰提取等)。它們幾乎不需要運行對齊,也不需要校正面積,僅取決于所選BGE的性質(zhì)和溫度。通過標記EOF或電泳遷移率的峰,將CE-MS文件自動轉(zhuǎn)換為以電泳遷移率為標度的信息,在不同實驗室中進行對比。通過歸一化過程來校正時標的偏移,即可輕松識峰,分析圖見圖3。該方法具有更高的重現(xiàn)性和可比性,降低了樣品在不同條件下造成的保留時間差異。

圖 3 一組標準化合物在不同分析平臺上的遷移時間,遷移電泳率轉(zhuǎn)化對比Fig. 3 Comparison of migration time and migration electrophoresis rate of a set of standard compounds on different analysis platforms Reproduced from Ref. [34] with permission.

Ortiz-Villanueva等[35]用知識集成策略(多元曲線分辨率與交替最小二乘法(MCR-ALS))對不可發(fā)酵碳源(乙酸)和發(fā)酵碳源(葡萄糖)中的酵母樣品進行代謝組學數(shù)據(jù)分析。對CE-MS和LC-MS數(shù)據(jù)進行獨立的MCR-ALS分析后獲得的數(shù)據(jù)要少于先對兩個平臺的數(shù)據(jù)進行融合處理所得到的結(jié)果,先融合處理提供了更高的代謝物覆蓋率,具有增強代謝物響應鑒定的作用。這種方法便于提取不同培養(yǎng)條件下的最相關特征,通過可視化代謝網(wǎng)絡更好地理解生物系統(tǒng)的變化,解釋生物學問題。

2 代謝組學

CE-MS聯(lián)用技術是分析離子代謝物的有效工具,對復雜樣本的研究具有前瞻性的價值。CE-MS對代謝組學/蛋白質(zhì)組學的分析已用于許多臨床問題,包括對肝損傷[36]、神經(jīng)性疾病[37]、腎損傷[38]、肝臟藥物代謝[39]或糖尿病[40]、心血管疾病[41]中相關分子的鑒定。

代謝組學是對小分子代謝產(chǎn)物進行分析,并從中分析出與疾病相關的特定代謝物作為生物標記物,它們可以直接反映生物系統(tǒng)中酶的活性,對臨床疾病的預測和監(jiān)控具有重要作用[42]。當涉及稀缺的生物樣本分析時,CE-MS具有明顯優(yōu)勢。

內(nèi)源性代謝物代表各種小分子,而含胺的小分子(如氨基酸和神經(jīng)遞質(zhì))是生物體的基本組成和關鍵調(diào)節(jié)劑[43]。因此,研究生物體中胺的代謝產(chǎn)物對疾病的治療和監(jiān)測至關重要。Wells等[44]將預濃縮技術與CE-MS聯(lián)用來分析生物樣品中的生物胺。通過調(diào)整電動增壓(EKS)與ESI-MS的方法參數(shù),獲得了最佳的分辨率、靈敏度以及與ESI-MS的相容性。用此方法對大鼠腦干和果蠅組織中的7種生物胺進行靶向分析,16 min內(nèi)就實現(xiàn)了幾種神經(jīng)遞質(zhì)的基線分離。此外,通過樣品預處理也可實現(xiàn)透析液等高離子強度樣品的檢測,這是將EKS與CE-ESI-MS/MS聯(lián)合使用來分析生物樣品的第一種方法。

CE-MS在細胞的定性和定量分析中具有潛在的應用價值。通過篩選細胞樣品中的產(chǎn)物并對其定性定量分析,可以預見生物反應器的變化,為后續(xù)獲得其他產(chǎn)物的定性提供依據(jù)[45]。例如在生物制藥工業(yè)中,表征不同的變體,確定重組抗體的結(jié)構異質(zhì)性,將有利于其功能性的發(fā)展[46]。

圖 4 微探針取樣與CE-ESI-MS聯(lián)用對雙離子代謝物進行分析Fig. 4 Microprobe sampling combined with CE-ESI-MS for analysis of dual ion metabolitesReproduced from Ref. [47] with permission.

Portero等[47]將微探針與CE-ESI-MS聯(lián)用,對非洲爪蟾活胚的單細胞進行陰陽離子代謝物分析。用毛細管微采樣器從活細胞中收集細胞材料,提取其中的陰離子和陽離子代謝產(chǎn)物并對其進行CE-MS分析,原理見圖4。通過優(yōu)化背景電解質(zhì)提高痕量樣品分析的靈敏度,對陰陽離子進行雙重分析,更深入地覆蓋了代謝網(wǎng)絡。此方法可擴展至更小的細胞或其他類型的細胞和生物,為探究分子水平的細胞生物學奠定了基礎。

Van Mever等[48]開發(fā)了一種用于分析哺乳動物細胞中的陰離子代謝產(chǎn)物的無鞘CE-MS新界面。但在后續(xù)的研究中發(fā)現(xiàn),負離子分析模式下電暈放電可能會導致離子豐度降低和納米ESI針頭發(fā)射器壽命縮短。為解決這一問題,該研究組通過優(yōu)化設計,在陽離子模式下成功分析了哺乳動物的酸性化合物(包括核苷酸)[49],完全規(guī)避了電暈放電,降低了檢出限,提高了檢測靈敏度,見圖5。

Sanchez-Lopez課題組[50]用無鞘CE-MS對不同階段多囊性腎臟的小鼠組織切片進行了代謝物分析,其中包括肉堿、谷氨酰胺、肌酸、甜菜堿和肌酸酐等代謝物。這項研究通過小鼠模擬人類疾病的發(fā)展變化,其高分離效率和低樣品消耗等優(yōu)勢為受限樣本在代謝分析和生物學中的研究提供了價值。

3 蛋白質(zhì)組學

臨床蛋白質(zhì)組學的一個主要目標是改善疾病管理[51]。具有識別性的蛋白質(zhì)或多肽在疾病發(fā)展過程中是至關重要的[52],它可以提供治療的最佳機會。CE-MS可在檢測過程中發(fā)揮重要作用[53],不僅可以有效分離,還可以準確確定結(jié)構,包括化合物的相對分子質(zhì)量、氨基酸序列、各種翻譯后的修飾或與其他化合物的相互作用等。蛋白質(zhì)或肽的生物標志物組可以顯著提高診斷的靈敏度。因此CE-MS既可用于生物標志物的鑒定,又可用于臨床診斷的評估。

圖 5 (a)陽離子模式下的CE-MS酸性化合物代謝譜分析與(b)樣品預濃縮處理后核苷酸譜圖Fig. 5 (a) Metabolic analysis of CE-MS acidic compounds in cation mode and (b) nucleotide profile after sample preconcentrationReproduced from Ref. [49] with permission.

CE-MS在蛋白質(zhì)組學分析中的基本問題包括譜帶展寬、分離效率差和數(shù)據(jù)重現(xiàn)性差等。多維分離技術[54]在復雜的樣品分析中發(fā)揮越來越重要的作用。Jooss等[55]將反相液相色譜法與毛細管區(qū)帶電泳-質(zhì)譜(CZE-MS)結(jié)合,開發(fā)了一種新型的LC-CZE-MS裝置。通過反向液相色譜法分離模型蛋白后進行CZE-MS分析以實現(xiàn)對不同糖基化蛋白質(zhì)的細化分離,分析見圖6。與一維分析方法相比,這種方法改善了分離能力,有效降低了檢出限,有望解決其他各種分析難題。

圖 6 用納米LC-CZE-MS分析蛋白質(zhì)混合物Fig. 6 Analysis of protein mix by nano-LC-CZE-MS The mix contained RNase B (100 μg/mL), cytochrome c (80 μg/mL), lysozyme c (80 μg/mL), and myoglobin (50 μg/mL). First dimension (a): nano-LC chromatogram (214 nm detection wavelength) of the separation of different proteins. Second dimension (b): CZE-MS electropherogram obtained after a heart-cut of RNase B peak (transfer volume: 20 nL).Reproduced from Ref. [55] with permission.

Nyssen研究組[56]開發(fā)出一種能夠分離甲狀旁腺激素(PTH)及其變體的無鞘CE-MS方法,并對這種蛋白質(zhì)的標記物進行了定量分析。通過EKS裝置對樣品進行預濃縮,中性涂層毛細管、乙腈背景緩沖液來減少蛋白質(zhì)與內(nèi)壁的相互作用顯著提高了檢測靈敏度。這種無鞘CE-ESI-MS方法在低水平生物樣品的分析中具有明顯優(yōu)勢。

Bush等[57]用ESI無鞘接口與CZE-MS聯(lián)用,完整分析了重組人干擾素-β1(一種在單個N連接位點具有復雜糖基化作用的生物藥物)。使用交聯(lián)的聚乙烯亞胺涂層解決了不同形式異構體的分離。將蛋白質(zhì)分離技術與酶處理技術結(jié)合,促進了藥物蛋白質(zhì)的表征和分析[58]。

目前,診斷/監(jiān)測疾病的方法是采用成像技術和侵襲性組織活檢結(jié)合的方式。對于診斷性篩查,選擇容易獲得的體液(例如血清、血漿和尿液等)作為樣本進行測試,可減少病人痛苦[59]。為了增加早期發(fā)現(xiàn)疾病的機會,非侵入性篩查測試已被引入臨床實踐并與CE-MS應用結(jié)合展現(xiàn)出良好的診斷潛力。

CE-MS結(jié)果中一種標記物可能與多種疾病/并發(fā)癥的發(fā)展相關[60],這使預測、診斷和指導治療包含了更多的標記物靶點。Belczacka課題組[61]對上千份癌癥患者及對照組的尿液進行CE-MS分析,尋找可用于監(jiān)測實體瘤的尿液生物標記物,從193種腫瘤特異性肽中選擇3種來鑒定其變化與癌癥發(fā)展的關系。纖維蛋白原衍生肽段水平升高與膀胱癌、腎細胞癌和胰腺癌相關;髓過氧化物酶(MPO)衍生肽的降低與胰腺癌、膀胱癌和胃癌的發(fā)展有關;黏蛋白肽(MUC16)的降低與胰腺癌、卵巢癌等癌癥相關。同樣地,對心臟疾病患者的尿液進行研究,鑒定出包括膠原蛋白片段的103例差異蛋白[62]。CE-MS通過數(shù)據(jù)對比獲得的共有標記物為后續(xù)疾病的檢測和治療提供了新思路,可能成為最有潛力的分析方法。

Mischak等[63]研究了在藥物開發(fā)和患者管理過程中應用生物標志物的作用,通過發(fā)現(xiàn)并發(fā)癥、促進個性化藥物治療有效減少了患者的醫(yī)療成本,凸顯了CE-MS在疾病診斷、分層治療和藥物開發(fā)分析中的優(yōu)勢。

4 結(jié)論

在過去幾年中,大量研究證明了CE-MS在代謝組學/蛋白質(zhì)組學中的實用性。但是缺乏標準的操作程序給數(shù)據(jù)的重復性研究造成諸多不便,在使用基于電泳遷移率的文庫時,有效的電泳遷移率對鑒定生物樣品中的代謝物具有很高的價值。當前,組學分析的主要瓶頸是鑒定那些在公共數(shù)據(jù)庫中沒有標準信息,但卻具有生物學/臨床研究意義的未知代謝物。因此,CE與MS耦合技術仍被科學界視為挑戰(zhàn)。為了獲得好的分析結(jié)果,未來CE-MS分析檢測應朝以下3個方面發(fā)展:i)適當?shù)臉悠分苽浜头蛛x技術,以降低檢出限、提高靈敏度;ii)開發(fā)合適的毛細管涂層和CE-MS接口技術,以確保分析的重現(xiàn)性和穩(wěn)定性;iii)優(yōu)化的臨床研究和數(shù)據(jù)統(tǒng)計,以提高臨床相關結(jié)果的準確性。