質譜如何徹底改變精準醫學
想像一下能夠一次識別和定位患者體內的所有分子。我們實際上可能有機會預防或治愈幾乎所有疾病。由於我們還不能這樣做,我們必須依賴使用檢測的快照。受益於技術進步的醫療保健領域之一是精準醫療。精準醫學考慮患者的遺傳學和表觀遺傳學,包括生活方式和環境影響,以幫助以個性化的方式為疾病選擇正確的治療或預防措施。精準醫學認識到個性化的方法對於有意義的治療是必要的,而不是一刀切的方法。儘管大部分精準醫學都專注於癌症研究,但長期目標是大規模應用於所有健康領域。
蛋白質生物標誌物的重要性
目前的精準醫學研究大多集中在蛋白質生物標誌物的鑑定上,這與遺傳標誌物是不同的。正如 Biodesix 研究和轉化科學高級副總裁 Robert Georgantas III 解釋的那樣,“蛋白質生物標誌物的優勢在於它們構成了疾病的實際分子表型,因為它們位於 DNA-to-RNA-to -蛋白質從基因型到表型的進展。重要的是要記住,在 DNA 水平觀察到的突變或在 RNA 水平觀察到的表達差異並不總是在蛋白質水平上觀察到。” 這些差異可能是由於基因表達的表觀遺傳或基於 RNA 的調控而產生的。
找蛋白質生物標誌物的瓶頸之一是定量。許多測定一次量化一個分子,但有時診斷中涉及多種蛋白質生物標誌物。此外,大多數蛋白質生物標誌物源自血清或組織中高濃度的蛋白質,這意味著可能會遺漏低表達的蛋白質。這就是質譜 (MS) 可以提供幫助的地方。
使用質譜的優勢
傳統的免疫學分析包括酶聯免疫吸附分析 (ELISA) 和放射免疫分析 (RIA),後者目前用於精準醫學。兩者都受到影響適用性的限制。正如沃特世公司生物製藥市場開發總監 John Gebler 所說:“即使 ELISA 分析非常靈敏且具有合理的動態範圍,也不會告訴人們正在測量什麼。不可預測的非特異性反應或乾擾可能導致錯誤的結果。” 相比之下,MS 相對無需試劑且具有成本效益,並且可以以特定方式進行多重分析。
MS 通過首先將樣品轉化為氣相,然後電離來測量原子和化合物的質量。離子通過電場快速加速並根據其質荷比進行分類。由此產生的光譜使研究人員和臨床醫生能夠識別原始樣本的分子組成。該技術發展迅速。現在,質譜儀可以安裝在台式機上,增加了研究人員和臨床醫生的可及性,使他們能夠在一次測試中同時分析單個樣品中的多種蛋白質生物標誌物。
例如,Biodesix deepMALDI 技術可以同時測量血清或血漿中的 2,200 多種完整蛋白質。同樣,SCIEX SWATH 採集允許使用稱為 MS/MS ALL的數據獨立採集方法對樣品中的所有可檢測化合物進行無偏差的全面定量,該方法使用帶有四極桿飛行時間 MS 的電噴霧電離。正如 SCIEX 全球營銷和戰略副總裁 Aaron Hudson 解釋的那樣,這項技術“使科學家能夠可重複地量化數百個樣本中的數千種蛋白質,並開始提供基因組學規模的蛋白質組學。” 大規模地,可以顯著減少診斷患者所需的時間。
MS 很靈敏,可以檢測豐度較低的蛋白質生物標誌物,包括那些具有翻譯後修飾的蛋白質。例如,布魯克 timsToF 儀器可以快速分析每個樣品中數十到數十萬種肽,使其可用於精準醫學。
基於肽的蛋白質組學儀器和方法的持續改進已經推進了假設驅動的蛋白質組方法,使其足夠穩定和強大,可用於精準醫學。例如,Biodesix Nodify XL2 檢測使用“多反應監測 (MRM) 質譜來量化與肺癌相關的兩種蛋白肽,結合臨床因素,確定肺結節良性與惡性的風險,”Georgantas解釋。隨著選擇和平行反應監測的改進,這些已經允許分析更大的蛋白質/肽組。
液相色譜 (LC) 技術的另一項突破是高性能表面技術的應用,例如 Waters MaxPeak HPS。Gebler 解釋說:“MaxPeak HPS 技術是一種混合有機/無機表面技術,可在樣品與 LC 和色譜柱的金屬表面之間形成屏障。通過減輕或完全消除非特異性吸附,它極大地提高了穩定性、重現性、分析物回收率和測定靈敏度,以及分析物鑑定和數據解釋的準確性。” 使用 MaxPeak HPS,不需要長達數小時的系統和色譜柱鈍化,從而釋放用於蛋白質生物標誌物鑑定的儀器。
可訪問性、穩健性、方法和技術的增加引發了關於 MS 的廣泛適應性的討論,以便以個性化的方式發現或確定患者的治療方法。
質譜在精準醫學中的未來
50 多年來,醫學診斷一直依賴於免疫分析。隨著 MS 的不斷改進和解決免疫分析的一些局限性,它將在精準醫學中發揮越來越大的作用。更快的周轉時間、更高的特異性和敏感性以及多路復用是以個性化方式快速制定治療計劃的關鍵。