научная статья по теме МАСС-СПЕКТРОМЕТРИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ МЕДИЦИНСКИХ ОБЪЕКТОВ И ПРОБЛЕМЫ КЛИНИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ Химия

Текст научной статьи на тему «МАСС-СПЕКТРОМЕТРИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ МЕДИЦИНСКИХ ОБЪЕКТОВ И ПРОБЛЕМЫ КЛИНИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ»

ЖУРНАЛ АНАЛИТИЧЕСКОЙ ХИМИИ, 2015, том 70, № 10, с. 1026-1039

= ОБЗОРЫ

УДК 543.51:616

МАСС-СПЕКТРОМЕТРИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ МЕДИЦИНСКИХ ОБЪЕКТОВ И ПРОБЛЕМЫ КЛИНИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ © 2015 г. Б. Л. Мильман*, И. К. Журкович**, 2

*Институт экспериментальной медицины 197376Санкт-Петербург, ул. Акад. Павлова, 12 1Е-таИ: bmilman@mail.rcom.ru **Институт токсикологии Федерального медико-биологического агенства России 192019 Санкт-Петербург, ул. Бехтерева, 1 2E-mail: zhurkovich@toxicology. ги Поступила в редакцию 11.09.2014 г., после доработки 25.11.2014 г.

Рассмотрены методы и области применения масс-спектрометрического анализа медицинских объектов для решения задач клинической диагностики. Обсуждено определение биомаркеров. Охарактеризованы области диагностики, в которых масс-спектрометрия играет значительную роль: анализ выдыхаемого воздуха, идентификация микроорганизмов, скрининг новорожденных, эндокринология, лекарственная терапия, маркерные пептиды и белки, масс-спектрометрическая визуализация.

Ключевые слова: масс-спектрометрия, хроматография-масс-спектрометрия, клиническая диагностика, биомаркеры, метаболомика, протеомика.

DOI: 10.7868/S0044450215100138

Масс-спектрометрия (МС) и хромато-масс-спектрометрия (ХМС) [1] — непревзойденные методы физико-химического анализа по совокупности таких характеристик как чувствительность, селективность и точность определения. Сферы применения МС и ХМС охватывают большинство областей науки и технологии, многие аспекты практической деятельности человека, в том числе и здравоохранение. В последние десятилетия приложения МС и ХМС в большей степени сфокусированы в области биологии и медицины [2—4].

Актуальность биомедицины и ее связь с аналитической химией в целом и масс-спектрометрией в частности подтверждаются многими наукометрическими показателями. Так, в середине первого десятилетия XXI века 46% публикаций по масс-спектрометрии было посвящено анализу/исследованию биологических и медицинских объектов [2]. Доля всех научных публикаций, приходящихся на биологию и медицину в 2009 г., составила 43% [3]. Этот показатель еще выше среди часто цитируемых статей, составляющих передний край (research front) различных исследований. Анализ таких "горячих" областей аналитики в 2007—2012 гг. показывает, что 9 из 13 направлений охватывают исследования и разработки, относящиеся к наукам о жизни и медицине, при этом третья часть их связана с масс-спектрометрией [4].

Существенная доля "масс-спектрометриче-ских" публикаций в области медицины связана с определением биологически важных соединений, отражающих особые физиологические состояния живых организмов, показывающих возможности появления или наличие у них тех или иных заболеваний, характеризующих особенности их протекания. Эти публикации относятся к применению аналитической масс-спектромет-рии в клинической (медицинской) диагностике. Передовые клинические лаборатории используют МС и ХМС не только для рутинной диагностики и слежения за протеканием болезней и результатами терапии, но также в исследовательских целях, например, для обнаружения новых биомаркеров. Этим важным вопросам посвящены многочисленные публикации, например книги [5, 6] и обзоры [7-11].

Настоящий обзор также посвящен применению МС и ХМС для целей клинической диагностики. Необходимость его подготовки диктовалась следующими причинами. Во-первых, опубликованные работы охватывают разные направления, и есть необходимость в создании обобщения на указанную тему. Во-вторых, число работ по медицинской масс-спектрометрии в отечественной научной литературе относительно невелико, и объективные причины требуют их увеличения. Особенности нау-

ки в РФ и большинстве стран бывшего СССР заключаются в ее продолжающейся акцентированно-сти на проблемах физики и химии, о чем свидетельствует соответствующая доля статей по разным наукам в ведущих международных журналах [3]. В большинстве других стран внимание исследователей сконцентрировано прежде всего на развитии биологии и медицины [3]. Для улучшения здравоохранения в РФ этот дисбаланс следует преодолеть, чего, по мнению авторов, можно добиться более интенсивным взаимодействием физиков и химиков с биологами и врачами. Цель этого сотрудничества — внедрение современных физико-химических методов исследования и анализа в биомедицинские учреждения и организации, в том числе и в клинические лаборатории. Это должно привести к гораздо более интенсивному использованию масс-спектрометрических приборов в отечественных клинических лабораториях, что типично для крупных зарубежных медицинских центров. В качестве примера можно отметить американскую клинику Mayo Clinic Rochester, в которой в 1998 г. не было ни одного хроматографа—тандемного масс-спектрометра. В 2010 г. уже использовалось более 60 таких приборов, было проведено более 2 млн анализов в таких областях как генетический скрининг новорожденных, мониторинг лекарственной терапии, определение липидов и др. [8] (см. ниже). Мы надеемся, что и представленный обзор послужит определенным вкладом в развитие медицинской МС и ХМС.

Используемая терминология. Медицинскими объектами анализа или, сокращенно, медицинскими объектами названы такие биопробы человека или лабораторных животных как, прежде всего, образцы основных физиологических жидкостей — крови, ее фракций (плазма крови, сыворотка крови) и мочи. Образцы крови обычно требуют более серьезной предварительной обработки и концентрирования аналитов (биомаркеров) перед анализом методами МС и ХМС в сравнении с образцами мочи; во втором случае пробо-подготовка проще и концентрация аналитов может быть выше (благодаря концентрированию в почках) [9]. Кроме того, в биомедицинском анализе исследуют такие объекты как ткани, отдельные клетки, культуры микроорганизмов, желчь, слюну, сперму, волосы, фекалии и др.

Принятые сокращения и обозначения: ВП — вре-мяпролетный (масс-анализатор, масс-спектрометр); ВЭЖХ — высокоэффективная жидкостная хроматография; ГХ — газовая хроматография; ЖХ — жидкостная хроматография (высокоэффективная или ультраэффективная жидкостная хроматография); ИЛ — ионная ловушка; ИЦР — ионный циклотронный резонанс; К — квадрупольный (масс-анализатор, масс-спектрометр); ЛИЛ — линейная ионная ловушка; МАЛДИ — матрично-активиро-ванная лазерная десорбция/ионизация; МЗР —

мониторинг заданных реакций; МС1 — масс-спек-трометрия с одним масс-анализатором; МС2, МС" — тандемная масс-спектрометрия (двойная или кратности и); МСВ — масс-спектрометрическая визуализация; МСВР — масс-спектрометрия высокого разрешения; ТК — тройной квадрупольный (масс-анализатор, масс-спектрометр); ПЦР — полимеразная цепная реакция; ЭИ — электронная ионизация; ЭР — электрораспыление.

Общая характеристика масс-спектрометрии.

Масс-спектрометрия, как известно, включает ионизацию компонентов анализируемой пробы, разделение образующихся ионов по отношению массы к заряду т/г, их детектирование и определение их числа (рис. 1) [1]. Ионизация электронами — наиболее распространенный способ ионизации летучих веществ, переведенных в газообразное состояние, например, при испарении на входе в газовый хроматограф. Большинство химических соединений, особенно биологически и диагностически значимых, являются нелетучими. Их переводят в ионы в процессе ЭР соответствующих растворов, например, элюата, выходящего из жидкостного хроматографа. Второй распространенный способ ионизации нелетучих соединений — под воздействием лазерного пучка (МАЛДИ).

Разделение ионов по массам (значениям т/г) и измерение этих величин осуществляют при прохождении ионных пучков через масс-анализато-ры, которые представляют собой ту или иную систему электрических (и магнитных) полей. Еще один способ масс-анализа заключается в различном времени пролета ионов разных масс через достаточно протяженное бесполевое пространство (ВП масс-анализатор).

Качественный анализ в масс-спектрометриии — это идентификация соединений по массам (т/г) их отдельных ионов и масс-спектрам в целом. При этом используют спектры сравнения (пример показан на рис. 1), в том числе библиотеки справочных масс-спектров [12—16]. Для надежной идентификации необходимы ионы, характеризующие молекулы аналитов в целом и их различные фрагменты. Роль идентификации особенно важна при скрининге медицинских объектов с целью определения множественных маркеров заболеваний, лекарств, токсинов и их метаболитов. Количественный анализ построен на зависимостях количества ионов отдельных масс или их суммы (полного ионного тока), выраженного в интенсивности масс-спектрометрических или масс-хроматографиче-ских сигналов, от количества или концентрации вещества, вводимого в масс-спектрометр.

Характеристики масс-спектрометров, чаще всего классифицируемых по типу масс-анализатора, приведены в табл. 1. Приведенные в табл. 1 параметры приборов определяют характеристики химического анализа, такие как универсальность/из-

Подготовленная проба

Детектор •

-ООО

Разделение

I ®1 I О фе®

£ о

о н в и

о

н

тен

н И

100 Г

50

Ионизация

124

Масс-анализ

OH

O

1

20

50 80110140170200230280290

m/z

Рис. 1. Схема масс-спектрометра (хромато-масс-спектрометра) и в качестве примера масс-спектр ЭИ гормона тестостерона и его структура. Интенсивный пик (m/z 288) относится к молекулярному иону этого соединения.

0

бирательность в отношении различных групп соединений, специфичность, чувствительность, продолжительность, стоимость.

Масс-спектрометры каждого типа (табл. 1) предполагают возможности анализа многих групп биоаналитов. Большинство биологически важных соединений являются нелетучими, и поэтому для клинического анализа более важное значение имеют масс-спектрометры с ЭР и их комбинации с жидкостными хроматографами, а также приборы МАЛДИ. Масс-спектрометры с ионизацией ЭР и одинарными масс-анализатора-ми (МС1, квадрупольные и времяпролетные приборы) ограниченно применимы при определении нелетучих соединений. Причина заключается в образовании характеристичных фрагментных ионов в незначительных количествах и, наоборот, в присутствии фоновых сигналов, т.е. в недостаточной селективности и ч

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком