分析測(cè)試百科網(wǎng) > 行業(yè)資訊 > 技術(shù)原理

MALDI-TOF MS質(zhì)譜儀在臨床微生物鑒定中的應(yīng)用

2021.2.02

　　19世紀(jì)末“正電荷粒子束在磁場(chǎng)中發(fā)生偏轉(zhuǎn)”被發(fā)現(xiàn)后，1912年世界上第一臺(tái)質(zhì)譜儀在英國(guó)面世，從此一種通過(guò)測(cè)量離子電荷質(zhì)量比，而進(jìn)行樣品成分和結(jié)構(gòu)分析的方法在生物學(xué)及醫(yī)學(xué)上大放異彩。質(zhì)譜以其靈敏度高、特異性強(qiáng)、分析速度快、多指標(biāo)同時(shí)檢測(cè)等特點(diǎn)躋身高端定量檢測(cè)分析儀器行列。

　　分辨率、靈敏度、質(zhì)量范圍、質(zhì)量測(cè)定準(zhǔn)確性是衡量質(zhì)譜的主要技術(shù)指標(biāo)。分辨率R是指相鄰兩個(gè)峰被分離的程度，是質(zhì)譜儀區(qū)別兩個(gè)峰的能力指標(biāo)。靈敏度的指標(biāo)實(shí)際上是儀器綜合性能的反映，因?yàn)樗c樣品、分辨率、掃描速度、進(jìn)樣方式以及電離方式密切相關(guān)。磁質(zhì)譜儀器的質(zhì)量范圍與加速電壓有關(guān)，在儀器最高加速電壓下可測(cè)的最高值為范圍指標(biāo)，加速電壓降低，范圍加大，但靈敏度下降。

　　質(zhì)譜工作原理，是將樣品分子經(jīng)過(guò)離子化后，利用其不同質(zhì)荷比（m/z）的離子在靜電場(chǎng)或磁場(chǎng)中受到的作用力不同而改變運(yùn)動(dòng)方向，使其在空間上分離，最后通過(guò)收集和檢測(cè)這些離子得到質(zhì)譜圖譜，實(shí)現(xiàn)成分和結(jié)構(gòu)分析。

　　質(zhì)譜儀雖種類繁多，

　　但每種儀器結(jié)構(gòu)可概括為以下6部分：

　　1.進(jìn)樣口：直接進(jìn)樣或接其他儀器，用于樣品的引入。

　　2.真空系統(tǒng)：用于維持質(zhì)量分析器至檢測(cè)器部分的高真空狀態(tài)，使離子能夠在電磁場(chǎng)作用下自由飛翔，避免離子在運(yùn)動(dòng)途中發(fā)生碰撞，導(dǎo)致信號(hào)丟失或產(chǎn)生虛假信號(hào)。

　　3.離子源：用于將樣品離子化。

　　4.質(zhì)量分析器：用于將不同質(zhì)荷比的離子分離開，讓他們逐個(gè)進(jìn)入檢測(cè)器，或只篩選特定質(zhì)荷比的離子進(jìn)入檢測(cè)器。

　　5.檢測(cè)器：通常是電子倍增管或其他，將離子的數(shù)量轉(zhuǎn)化為電信號(hào)的大小。

　　6.數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)：處理檢測(cè)器捕獲到的電信號(hào)，獲得質(zhì)譜圖，并進(jìn)一步處理得到所需信息。

　　質(zhì)譜種類多，應(yīng)用廣。從用途（分析對(duì)象）可分為：無(wú)機(jī)質(zhì)譜、有機(jī)質(zhì)譜、同位素質(zhì)譜及氣體質(zhì)譜等。從單機(jī)或組合可分為：?jiǎn)危ㄒ唬┵|(zhì)譜、串聯(lián)質(zhì)譜，單一質(zhì)譜兩個(gè)及以上的組合即為串聯(lián)質(zhì)譜。廣泛應(yīng)用于化合物結(jié)構(gòu)的定性測(cè)定或混合物組成的定量測(cè)定。飛行時(shí)間質(zhì)譜儀（MADLI-TOFMS）歸類于有機(jī)質(zhì)譜，可應(yīng)用于臨床微生物（包括細(xì)菌和真菌）的高通量快速鑒定、疾控中心的微生物傳染病原的鑒定與監(jiān)測(cè)、海關(guān)進(jìn)出口商品的檢驗(yàn)檢疫、食品生產(chǎn)中的微生物檢測(cè)和工業(yè)、農(nóng)業(yè)和環(huán)境中的細(xì)菌監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域。

　　目前，服務(wù)于臨床診療的質(zhì)譜檢測(cè)項(xiàng)目已達(dá)400余項(xiàng)，主要涉及臨床化學(xué)、臨床免疫學(xué)以及臨床微生物鑒定等領(lǐng)域，也被用于建立臨床化學(xué)檢測(cè)項(xiàng)目的參考測(cè)量程序和研制參考物質(zhì)。歐美發(fā)達(dá)國(guó)家從1961開始將質(zhì)譜技術(shù)用于新生兒篩查，目前實(shí)現(xiàn)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)，可篩查新生兒遺傳代謝病等30種新生兒遺傳代謝疾病。國(guó)內(nèi)質(zhì)譜的臨床檢測(cè)主要用于新生兒遺傳篩查、維生素D檢測(cè)、微生物診斷、藥品檢測(cè)等檢測(cè)領(lǐng)域。

　　相比國(guó)外100多年的質(zhì)譜發(fā)展歷史，受限于國(guó)際離子源與質(zhì)量分析器的核心ZL知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)，國(guó)產(chǎn)質(zhì)譜設(shè)備發(fā)展備受制約，直到2000年后國(guó)內(nèi)企業(yè)才逐步開始質(zhì)譜技術(shù)的積累。從2006年第一臺(tái)國(guó)產(chǎn)商業(yè)化質(zhì)譜——四級(jí)桿氣質(zhì)聯(lián)用儀問(wèn)世，到17年7月國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局和中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)發(fā)布，18年2月份開始實(shí)施的推薦性國(guó)標(biāo)——質(zhì)譜儀通用規(guī)范。短短十年時(shí)間，以安圖生物為代表的6家國(guó)產(chǎn)IVD生產(chǎn)企業(yè)陸續(xù)推出MALDI-TOF 質(zhì)譜儀，逐步打破以進(jìn)口品牌壟斷為主的中國(guó)質(zhì)譜格局，努力彌補(bǔ)當(dāng)前國(guó)產(chǎn)質(zhì)譜儀占有率相對(duì)較低，2016年抽樣調(diào)查中LC-MS及GC-MS國(guó)產(chǎn)化率均不到2%的差距，全力推進(jìn)MALDI-TOF MS質(zhì)譜在臨床微生物檢測(cè)領(lǐng)域的發(fā)展。

　　眾所周知，微生物診斷指的是通過(guò)病原學(xué)和藥物敏感性分析為臨床傳染性疾病的預(yù)防、診斷、治療與療效觀察提供依據(jù)。傳統(tǒng)微生物快速診斷包括三種方法：

　　1.樣品的直接檢測(cè)，例如PCR檢測(cè)；

　　2.菌體富集后檢測(cè)；

　　3.分離培養(yǎng)后檢測(cè)。

　　傳統(tǒng)的生物化學(xué)、分子生物學(xué)和形態(tài)學(xué)等方法基于單菌落的生化特征需要菌種的篩選、培養(yǎng)、鑒定等過(guò)程，實(shí)驗(yàn)時(shí)間需要數(shù)天不等，耗時(shí)耗力，且實(shí)驗(yàn)操作較為繁瑣，并不能滿足臨床對(duì)檢測(cè)結(jié)果時(shí)效性的要求；分子生物學(xué)方法進(jìn)行微生物鑒定大大地提高了靈敏度和時(shí)效性，但對(duì)工作人員技術(shù)要求高，檢測(cè)成本高，僅針對(duì)某些特定細(xì)茵，難以滿足臨床常規(guī)要求。因而，樣本流轉(zhuǎn)（TAT）時(shí)間長(zhǎng)仍然是當(dāng)前制約臨床微生物檢驗(yàn)發(fā)展的主要因素之一。MALDI-TOF MS質(zhì)譜儀可實(shí)現(xiàn)臨床對(duì)部分微生物傳統(tǒng)檢測(cè)方法的技術(shù)替代，通過(guò)對(duì)未知化合物（菌）所得譜圖的分析，進(jìn)而解析出化合物結(jié)構(gòu)。MALDI-TOF MS快速鑒定經(jīng)固（液）體培養(yǎng)基短時(shí)培養(yǎng)的陽(yáng)性血培養(yǎng)物中的病原菌，且一次實(shí)驗(yàn)可同時(shí)多個(gè)樣本檢測(cè)，準(zhǔn)確率與檢測(cè)通量均有大幅的提升，一定程度上節(jié)省了人力和財(cái)力，可適用于微生物室日常工作的血培養(yǎng)陽(yáng)性標(biāo)本快速鑒定的方法。從而助力臨床微生物檢驗(yàn)在感染性疾病診斷、臨床用藥指導(dǎo)、抗菌藥物管理、院內(nèi)感染控制等多方面均衡發(fā)展，將徹底改變微生物實(shí)驗(yàn)室的面貌。

　　飛行時(shí)間質(zhì)譜儀的質(zhì)量分析器是一個(gè)離子漂移管。由離子源產(chǎn)生的離子加速后進(jìn)入無(wú)場(chǎng)漂移管，并以恒定速度飛向離子接收器。離子質(zhì)量越大，到達(dá)接收器所用時(shí)間越長(zhǎng)，離子質(zhì)量越小，到達(dá)接收器所用時(shí)間越短，根據(jù)這一原理，可以把不同質(zhì)量的離子按m/z值大小進(jìn)行分離。質(zhì)譜圖，橫軸表示單位電荷質(zhì)量（m/z）；縱軸表示離子流強(qiáng)度，通常以相對(duì)強(qiáng)度（相對(duì)豐度）來(lái)表示。相對(duì)豐度以最強(qiáng)的離子流強(qiáng)度定義為100%，其他離子流以其百分比顯示。

　　進(jìn)樣系統(tǒng)、基質(zhì)輔助激光解吸電離離子源、飛行時(shí)間質(zhì)量分析器、傳感器和電腦是臨床微生物鑒定的 MALDI—TOFMS主要組成部分。MALDI—TOFMS鑒定微生物的標(biāo)志物主要是特異性保守核糖體蛋白。MALDI—TOFMS基于微生物蛋白指紋圖譜的特異性峰譜進(jìn)行鑒定，只需將細(xì)菌涂布于靶板，加入基質(zhì)溶液裂解，室溫干燥后即上機(jī)檢測(cè)，獲取的質(zhì)量圖譜與數(shù)據(jù)庫(kù)中的標(biāo)準(zhǔn)圖譜進(jìn)行自動(dòng)對(duì)比分析，即可獲得鑒定結(jié)果。鑒定結(jié)果全程自動(dòng)判讀、自動(dòng)分析、自動(dòng)報(bào)告、標(biāo)本自動(dòng)卸載，20分鐘內(nèi)可完成96個(gè)菌株的鑒定，且檢測(cè)成本低，儀器使用耗材只需樣品板和質(zhì)譜專用基質(zhì)，無(wú)須其他任何附加試劑，對(duì)工作人員的技術(shù)要求不高。

　　有研究證實(shí)，在重癥監(jiān)護(hù)室（ICU）臨床治療中，抗生素如果晚一小時(shí)準(zhǔn)確治療，病人存活率下降8%。而運(yùn)用質(zhì)譜檢測(cè)技術(shù)則可縮短至少1.5天的鑒定時(shí)間，為臨床救治危急重癥患者贏得更多時(shí)間。除單一質(zhì)譜外，串聯(lián)質(zhì)譜在美國(guó)及歐盟國(guó)家商業(yè)化應(yīng)用相對(duì)成熟的主要是藥物濃度監(jiān)測(cè)、小分子標(biāo)志物檢測(cè)、新生兒篩查和維生素檢測(cè)等。國(guó)內(nèi)除目前已實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的微生物鑒定、新生兒篩查、維生素等臨床檢測(cè)領(lǐng)域外，應(yīng)拓展質(zhì)譜在血藥濃度監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)；緊抓質(zhì)譜在小分子生物標(biāo)志物在心腦血管和代謝病方面的發(fā)展趨勢(shì)，質(zhì)譜儀因能敏銳地分析其他設(shè)備儀器難以分析的腫瘤生長(zhǎng)分泌的微量外泌體，在癌癥的液體活檢領(lǐng)域，質(zhì)譜檢測(cè)也有望跟基因檢測(cè)分一杯羹。

　　質(zhì)譜作為一個(gè)能同時(shí)檢測(cè)大量的化合物的分析器，有望開啟IVD檢測(cè)發(fā)展的新篇章。從1953年飛行時(shí)間質(zhì)譜儀原型被設(shè)計(jì)出，到1955年世界上第一臺(tái)飛行時(shí)間質(zhì)譜儀誕生，再到國(guó)產(chǎn)飛行時(shí)間質(zhì)譜迅猛發(fā)展，隨著臨床對(duì)個(gè)體化和精準(zhǔn)化醫(yī)療需求的增加，基于質(zhì)譜技術(shù)的基因組學(xué)、蛋白組學(xué)、代謝組學(xué)等很多研究成果正不斷轉(zhuǎn)化至臨床實(shí)踐，值得我們翹首以盼。

　　中國(guó)質(zhì)譜儀過(guò)去面臨著4大挑戰(zhàn)，技術(shù)發(fā)展水平的挑戰(zhàn)、進(jìn)口產(chǎn)品替代的挑戰(zhàn)、知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)的挑戰(zhàn)以及做強(qiáng)、做大與做大、做強(qiáng)之間的挑戰(zhàn)。未來(lái)希望國(guó)內(nèi)的質(zhì)譜儀企業(yè)抓住全球市場(chǎng)需求增長(zhǎng)率超過(guò)10%，以及中國(guó)市場(chǎng)遠(yuǎn)超10%的需求增長(zhǎng)，結(jié)合市場(chǎng)需求和實(shí)際情況，通過(guò)自身的努力，將更多精良的產(chǎn)品投入到市場(chǎng)中，從而推動(dòng)中國(guó)質(zhì)譜行業(yè)的快速發(fā)展。

微生物質(zhì)譜

MIR醫(yī)學(xué)儀器與試劑

喜歡作者我要約稿