专家专栏 | 临床质谱: 精准诊疗领域的“下一个春天”？
景杰生物/专栏
近年来，随着精准医学和个体化诊疗的发展，临床诊疗的重心正逐渐趋向于“精准”。要实现这一目标，精准的临床检验必不可少。与传统的检测方法相比，质谱具有高灵敏度、高特异性和高准确度的特点。因此，临床质谱检测技术的快速发展是临床检验领域的必然趋势。
今天我们有幸邀请到南京医科大学药学院临床药学系陈芸教授为我们讲述临床质谱检测技术的故事。陈芸教授是国内利用靶向蛋白质组学分析开展临床检测的最早的学者之一，是该领域的杰出科学家。陈芸教授课题组针对临床检测中遇到的表达水平低、多亚型、存在同质异构情况的“疑难蛋白质”，建立创新性的靶向蛋白质组学监测方法。结合质谱方法分析核酸-多肽融合分子，实现了对核酸分子快速准确的分析，为基于质谱分析技术的临床诊断开辟了一条新颖的道路。
1质谱仪，最伟大的发明创造之一
19世纪末，质谱的概念首次由物理学家所提出，并由英国物理学家约瑟夫·约翰·汤姆逊（Joseph John Thomson）研制出世界上第一台简易质谱仪，标志着科学研究的一个新领域-质谱学的开创，也为现代质谱的发展奠定了坚实的基础。1919年，英国化学家弗朗西斯·威廉·阿斯顿（Francis William Aston）研制出第一台精密质谱仪，测定了50多种同位素，制作了第一张同位素表。之后的几十年里，质谱开启了一个高速发展的崭新时代，在众多科研人员的不断努力下，离子源技术及质量分析器技术的不断变革，质谱仪器技术快速改进，质谱得到了空前的演变与发展，成为众多行业研究与应用的必备工具。在100多年的质谱发展史中，先后有十位科学家因为在质谱技术创新和应用方面的重大成就，而被授予诺贝尔奖。
质谱仪根据离子源与质量分析器的不同发展出多种类型的质谱仪。目前，全球质谱仪器种类有100余种，其中用于生物大分子检测的质谱，根据离子源的差异主要以高效液相色谱电喷雾串联质谱（Electrospray Ionization Mass Spectrometer，ESI-MS）与基质辅助激光解吸电离质谱（Matrix-Assisted Laser Desorption Mass Spectrometry, MALDI-MS）最为多见（图 2）。
图2：上：电喷雾电离（Electrospray Ionization，ESI）；下：基质辅助激光解吸电离（Matrix-Assisted Laser Desorption Mass Spectrometry, MALDI）。
2现代临床检验中的质谱检测
随着中美两国陆续提出精准医学计划，精准医学的概念不断演化扩大。精准医学的核心是精准治疗，前提与基础则是精准诊断。因此，精准医学的最终实现依赖于更多新型的医学检验技术和方法应用于疾病诊疗。
现阶段，传统的医学检验技术如酶联免疫、放射免疫和化学发光等已呈现后继乏力之象，渐渐不能完全满足现今临床检测越来越高的精准要求。质谱技术以其独特的优势，渐渐崭露头角。
相对于二代测序等临床新技术只适用于基因，质谱适用于几乎所有物质的检测，包括核酸、多肽、蛋白、蛋白翻译后修饰生物大分子和代谢物、氨基酸、维生素等小分子，同时兼具定性和定量优点，且以高特异性、高灵敏度、高准确性、高通量、检测速度快等特点得到各大临床实验室的认可和信赖，促进临床精准诊疗的参考意义进一步提升。中国质谱学会理事长陈洪渊院士曾说过：“质谱是综合性分析手段，是检测真正复杂体系最强大的工具，要大力发展中国的质谱检测。”
3国内外临床质谱检测现状
以1961年质谱技术用于新生儿苯丙酮尿症的筛查作为起点，欧美发达国家将质谱应用于临床医学检验已有几十年的历史，发展相对比较成熟。以美国为例，美国FDA也于2013年批准了首个质谱检测系统用于人体病原菌的诊断。在美国，临床质谱检测占医学检测市场约15%，最大的两个独立医学实验室Quest和Labcorp，临床质谱仪上百台，基于质谱的检测项目多达400余项，涉及到新生儿筛查、产前诊断、药物监测、代谢物激素维生素检测与微生物检测等。
临床质谱在美国能够得到如此成熟的发展，离不开多种因素的推动。众所周知，美国的质谱仪制造业是无可争议的行业领先者，全球市场占有率超过90%，知名质谱设备制造企业如AB SCIEX、Waters、Agilent和Thermo Fisher等均来自美国。这些公司不仅能提供性能优越的仪器，而且能积极根据临床的需求优化自己的质谱仪，提供便捷一体化整体解决方案。
当然，除了过硬的自身硬件条件外，政策环境的支撑也是必不可少的。例如，美国对临床质谱检测采用了有效监管和鼓励创新的独立医学实验室（Independent Clinical Laboratory,ICL）和临床自建项目（Laboratory Developed Test, LDT）模式。在此模式下，只要具备美国临床实验室改进法案修正案（CLIA）执照的ICL机构即第三方医学检验实验室，其研发临床质谱相关服务就可以合法进入临床，合理进行收费，检测结果即可用于指导临床诊疗。目前美国已发展出二十多万个CLIA认证实验室。
相对国外，中国临床质谱检测还处于起步阶段。有数据显示，国内只有少量第三方医学检验机构和大城市的部分三甲医院开展了质谱检测项目，整个临床质谱检测项目仅占临床医学体外诊断的<1%，远远低于欧美发达国家。
近年来，随着精准医疗、分级诊疗等医改政策的逐步落地，ICL机构如雨后春笋般遍布全国，以其中较大的几家机构为例，也仅有数十台质谱检测设备，检测项目仅七十余项，应用广度和深度远不如国外ICL机构。相应的研究分析表明，硬件、实验人员和政策环境因素都是限制中国临床质谱检测发展的原因。
可喜的是，近几年从国产质谱仪项目的强势推进、后备人才培养的加强到政府相关政策的连续出台，这一状况正在逐渐改善。例如，2018年4月，国家科技部和国家卫计委“精准医学”重大专项“临床定量蛋白质组的质谱仪及配套试剂研发”项目正式启动，该项目的实施就有助于发展自主的质谱关键技术及配套试剂，从源头上突破国外质谱技术的垄断。2018年5月，中国质谱学会临床质谱专委会正式成立，解放军总医院医学检验中心主任王成彬为第一任主任委员，临床质谱专业正式有了自己的学会。在多种助力下，我国的临床质谱检测必将迎来高速发展，预计未来五年会以两位数的加速度增长。
需要指出的是，我国如何在此方向上从追逐世界到引领世界，除了在全国范围内扩大临床质谱检测机构和质谱数量，检测方法种类和水平上的提高是重中之重。目前世界上多数的临床质谱方法主要集中在药物血药浓度监测、新生儿遗传代谢病筛查和内分泌激素检测等小分子检测方面。随着人们对生物大分子认识的不断深入以及大分子药物的飞速增长，将质谱应用于更广泛的医学领域也将成为可能，例如靶向蛋白质组学。
4靶向蛋白质组学
靶向蛋白质组学（Targeted Proteomics），是蛋白质组学在定量领域的一个标志性技术和方法。该方法在2009和2010年连续被国际顶级技术方法学期刊《Nature Methods》评为最值得关注的学科之一，更是在2012年被《Nature Methods》评为年度生命科学技术。
靶向蛋白质组学主要通过LC-MS/MS的多反应监测技术（Selected/Multiple Reaction Monitoring，SRM/MRM）检测来自蛋白质特征多肽的碎片离子信号，从而对大分子生物标志物或者药物进行定量。在美国，FDA于2001年批准了首个MRM技术用于生物大分子转铁蛋白（Carbohydrate Deficient Transferrin）的检测。从2012年开始，美国FDA陆续批准Cystain C、IGF-1、IGF-2等十余种多肽/蛋白质标志物的MRM临床检测方法。另外，随着毒性低、特异性高的多肽/蛋白质药物的迅速增长，对它们的药代动力学、生物等效性/类似性以及临床用药的评估就显得尤为重要。然而，目前国内外还尚未见大分子药物临床质谱检测方法的批件。但笔者相信，在不远的将来，基于MRM的靶向蛋白质组学也将在蛋白质药物领域发挥重要作用。
图4.靶向蛋白质组学
我国的临床质谱发展之路任重而道远。通过质谱仪制造厂商、医院检验和药学相关部门、ICL机构以及有关监管部门的协同合作，有望加快中国临床质谱的进一步完善和发展；也许，就能成为精准诊疗领域的“下一个春天”。
专家介绍
陈芸 博士
南京医科大学药学院 副院长
Ø 2006-2008年于美国Charles River Laboratories担任项目负责人
Ø 2002-2006年同时在美国宾夕法尼亚大学做访问教授
Ø 2006年获得美国University of Minnesota生物分析化学博士学位
Ø 2002年于南京大学获得分析化学硕士学位
研究方向及成果
Ø 以定向（靶向）蛋白质组学为基础的生物大分子检测分析方法，为建立标准化临床检测分析体系、筛选和验证疾病生物标志物以及进一步建立标准化疾病诊断-治疗-预后评估体系提供方法依据
Ø 主持国家自然科学优秀青年基金（21722504），国家自然科学基金面上项目（21675089，21175071）和国家自然科学青年基金（20905037）等多项基金。
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