Применение тандемной
масс-спектрометрии (ВЭЖХ-МСМС)
в клинической диагностике

Масс-спектрометрия — это перспектива развития кли­нической химии, будущее, в котором революция в клинической диагностике приведет к повсеместному использованию масс-спектрометрии.
(Майкл Улерич, отделение клинической химии Университета Георга-Августа, Гёттинген, Германия)

Согласно данным обзора, напечатанного в Clinical Biochemist Reviews, применение высокоэффективной жидкостной хроматографии в сочетании с тандемной масс-спектрометрией (ВЭЖХ-МС/МС) в клинических лабораториях чрезвычайно возросло в течение последних 10-12 лет. Авторы отмечают, что специфичность анализа ВЭЖХ-МС/МС значительно превосходит иммунологические методы и классическую высокоэффективную жидкостную хроматографию (ВЭЖХ) при анализе молекул с низким молекулярным весом и обладает значительно более высокой производительностью, чем газовая хроматография-масс-спектрометрия (ГХ-МС). Популярность этого метода при рутинных клинических анализах в настоящее время обьясняется уникальными возможностями метода.

    Основными достоинствами метода ВЭЖХ-МС/МС являются:

  • Возможность точного количественного анализа малых молекул;
  • Одновременный анализ множества целевых соединений;
  • Уникальная специфичность;
  • Высокая скорость анализа.

В последние годы много внимания уделяется времени анализа и, как следствие, повышению производитель­ности лаборатории. Значительное сокращение времени анализа стало возможным благодаря применению коротких аналитических колонок для ВЭЖХ/МС/МС, одновременно резко увеличившему специфичность анализа. Использование метода ионизации при атмосферном давлении (API), тандемного тройного квадрупольного масс-спектрометра и усовершенствованной высокоэффективной жидкостной хроматографии, а также соответствующих методов подготовки образцов, привели ВЭЖХ-МС/МС в первые ряды современных аналитических методов для клинических исследований.

    Основные области применения ВЭЖХ/МС/МС в клинической медицине:

  • Получение полного профиля метаболизма стероидов (steroids panels), пуринов и пиримидинов и других соединений,
    скрининг новорожденных на врожденные ошибки метаболизма (выявление нескольких десятков заболеваний за один анализ);
  • Терапевтический мониторинг лекарственных препаратов — иммунодепрессантов, перотивосудорожных, антиретровирусных, антикоагулянтов, и любых других – вне зависимости от наличия наборов производителя. Не требуется приобретать дорогостоящие наборы для каждого вещества – можно разрабатывать собственные методики;
  • Клиническая токсикология – анализ более 500 наркотических соединений и их метаболитов за один анализ, без подтверждающего анализа
    протеомика и метаболомика.

Кроме того, ВЭЖХ-МСМС используется для скрининга олигосахаридове в моче, сульфатида, длиноцепочечных жирных кислот, длиноцепочечных жёлчных кислот, метилмалоновой кислоты, исследования порфирий, скрининга пациентов с нарушениями пуринового и пиримидинового метаболизма.

Примеры применения жидкостной хроматографии
в сочетании с тандемной масс-спектрометрией в клинических анализах.

Скрининг новорожденных: Первым примером массового применения ВЭЖХ-МС/МС в клинической диагностике был скрининг врождённых ошибок метаболизма у новорожденных. В настоящее время в развитых странах это является рутинным методом и охватывает более 30 различных заболеваний, включая ацедемии, аминоацидопатии, дефекты окисления жирных кислот. Следует особо отметить исследования врождённых дефектов, которые могут привести к серьёзным проблемам, если не предпринять немедленные меры (например, увеличенные сердце или печень или отёк мозга). Преимуществом использования ВЭЖХ-МС/МС для скрининга новорожденных является возможность одновременно анализа всех аминокислот и ацилкарнитинов быстрым, недорогим и высокоспецифичным методом.

Терапевтический мониторинг лекарственных препаратов: Разработка и внедрение иммунодепрессанта сиролимуса (рапамицин) для предотвращения отторжения органов после трансплантации была одним из основных стимулов внедрения ВЭЖХ-МС/МС в клинические лаборатории. Современный метод ВЭЖХ-МС/МС дает возможность одновременного определения такролимуса, сиролимуса, циклоспорина, эверолимуса и микофенойной кислоты.

ВЭЖХ-МС/МС применяется также для анализа цитотоксичных, антиретровирусных лекарственных веществ, трициклических антидепрессантов, антиконвульсантов и других препаратов, требующих индивидуальной дозировки.

Метод ВЭЖХ-МСМС позволяет разделить и количественно определить R- и S- энантиомеры варфарина в диапазоне концентраций 0.1-500 нг/мл.

Наркотические и болеутоляющие вещества: ВЭЖХ-МС/МС широко применяется для анализа этих соединений благодаря простоте пробоподготовки и малому времени анализа. В настоящее время метод используется в клинических лабораториях для скрининга на присутствие широкого спектра наркотических веществ. Уникальная специфичность и чувствительность метода дает возможность одновременного анализа более 500 соединений различных классов в одной пробе с минимальной пробоподготовкой. Так, в случае анализа мочи, достаточно простого разбавления пробы в 50-100 раз. При анализе волос вместо пучка в 100-200 волос для достоверного выявления фактов потребления наркотических средств достаточно единичного волоса.

Эндокринология и анализ стероидов: ВЭЖХ-МС/МС широко применяется во многих эндокринологических лабораториях для анализа стероидов — тестостерона, кортизола, альдестерона, прогестерона, эстриола и многих других.

Всё больше лабораторий начинают использовать ВЭЖХ-МС/МС для определения уровня в крови витамина Д3 и Д2.

I. Определение стероидов (steroid profile).

Лаборатории при больницах и клиниках в настоящее время имеют возможность проводить с помощью ВЭЖХ/МС/МС одновременное определение нескольких стероидов. При этом нет необходимости в большом объёме образца, что особенно важно при анализах детских образцов.

    Случаи, при которых целесообразно производить определение нескольких (профилирование) стероидов:

  • Врождённая гиперплазия надпочечников (Congenital adrenal hyperplasia,CAH) является врождённым дефектом биосинтеза стероидов. Это наследственная группа заболеваний, вызванная неправильной активностью энзимов коры надпочечников, что ведёт к снижению выработки кортизола. Для достоверной диагностики САН рекомендуется определять кортизол, андростендион и 17-оксипрогестерон. ВЭЖХ/МС/МС позволяет проводить точное количественное определение всех трех стероидов за один анализ со 100% достоверностью.
  • Рутинный скрининг новорожденных с использованием иммуноанализов отличается высоким уровнем лоноположительных и ложноотрицательных результатов. Определение с помощью ВЭЖХ/МС/МС не только кортизола, но и альдостерона и 11-деоксикортизола позволяет отличить первичную недостаточность коры надпочечников от вторичной.
  • ВЭЖХ/МС/МС позволяет проводить определения стероидов при простатите и синдроме хронической тазовой боли.
  • ВЭЖХ-МС/МС позволяет определить профиль стероидов и идентифицировать причины преждевременного полового созревания, связанного с корой надпочечников, у маленьких детей. Было найдено, что концентрации тестостерона, андростендиона, дегидроэпиандростерона (DHEA) и его сульфата у этих детей были несколько выше, чем у старших детей контрольной группы.
  • Сыворотка крови активных курильщиков, пассивных курильщиков и некурящих, анализируется на присутствие 15 стероидных гормонов и тиреоидных гормонов для исследования связи между пациентами, подверженными действию дыма, и концентрациями гормонов.
  • ВЭЖХ/МС/МС используется при профилировании некоторых женских стероидных гормонов в моче.
  • С помощью ВЭЖХ/МС/МС была проведена оценка концентраций нейроактивных гормонов с целью предотвращения диабетической нейропатии.

II. Определение тиреоидных гормонов

Рутинные методы определения тиреоидных гормонов обычно основаны на радиоиммуноанализе, который является дорогостоящим и позволяет определять только Т3 и Т4, что может ограничивать возможности определения и полного регулирования функций щитовидной железы.

  • В настоящее время при использовании ВЭЖХ-МСМС проводится одновременный анализ в образцах сыворотки крови пяти тиреоидных гормонов, включая тироксин (Т4), 3,3′,5-трииодотиронин (Т3), 3,3′,5′- (rT3), 3,3’- дииодотиронин (3,3’-T2) и 3,5-дииодотиронин (3,5-T2) в диапазоне концентраций 1 -500 нг/мл.
  • Метод ВЭЖХ/МС/МС применяется также для анализа состава гормонов пациентов, прошедших тиреоидектомию. Определяются уровни концентраций тироксина (Т4), трииодотиронина (Т3), свободного Т4 и тиреоид стимулирующего гормона (ТSH) после операции. Установлено, что ВЭЖХ/МС/МС является прекрасным способом установления взаимосвязи между ТSH и концентрациями тиреоидных гормонов.
  • Метод ВЭЖХ/МС/МС был применен для определения тироксина (Т4) в слюне и сыворотке крови человека. Метод отличается высокой воспроизводимостью, точностью и пределом обнаружения 25 пкг/мл. Проведенные исследования показали, что существует диагностическая зависимость в концентрациях Т4 в слюне между эутиреоидными испытуемыми и пациентами с болезнью Грейвса.

Метод ВЭЖХ/МС/МС в настоящее время обладает чувствительностью, специфичностью и точностью, необходимыми для надёжного определения всех стероидов в биологических жидкостях и таким образом повышает диагностические возможности, в особенности в случае определения наборов стероидов.

III. Определение 25-оксивитамина Д методом ВЭЖХ/МС/МС

25-окси витамин Д (25ОД) является основной циркулирующей формой витамина Д и предшественником его активной формы. (1,25-диоксивитамин Д). Ввиду длительного периода его полувыведения определение 25ОД важно для определения статуса витамина Д в организме пациента. Витамин Д существует в двух формах: витамин Д3 (холекальциферол) и витамин Д2 (эргокальциферол). Обе формы метаболизируют в соответствуюшие 25ОД формы. Очень большое значение для диагностики имеет наличие аналитических методов, которые могут определять с высокой точностью обе формы витамина и позволяют проводить мониторинг пациентов с нарушениями содержания витамина Д. Применяемые до сих пор методы не позволяли проводить раздельное определение витамина Д2 и Д3. Кроме того, при высоких концентрациях витамина Д2 занижается определяемое количество Д3. Другим недостатком является применение радиоактивных изотопов. Применение метода ВЭЖХ/МС/МС позволило не только избежать применение радиоактивных изотопов, но и проводить раздельное определение обеих активных форм витамина.

      Метод применим для следующих пациентов:

    1. При подозрении на пониженное содержание витамина Д в организме;
    2. При подозрении на необъяснимое токсическое воздействие;
    3. При обследовании пациентов, проходивших курс лечения по поводу пониженного содержания витамина Д;
    4. Использование ВЭЖХ/МС/МС позволило проводить раздельное определение обеих форм при мониторинге пациентов.

IV. Определение иммунодепрессантов методом ВЭЖХ/МС/МС

После трансплантации органов необходимо принимать иммунодепрессанты в течение всей жизни, чтобы избежать реакции отторжения. Обладая очень узким терапевтическим диапазоном и высокой токсичностью, иммунодепрессанты требуют индивидуальной дозировки для достижения максимального эффекта. Поэтому жизненно важным является мониторинг основных иммунодепрессантов: циклоспорина А, такролимуса, сиролимуса и эверолимуса для регулирования дозы лекарств для каждого индивидуального пациента в зависимости от концентрации препарата в крови.

Иммуноанализ всё ещё используется для мониторинга перечисленных лекарственных препаратов, однако эти методы дорогостоящи и их специфичность, точность и воспроизводимость ограничены. Известны случаи гибели пациентов от неправильной дозировки иммунодепрессантов, основанных на результатах, полученных с помощью иммунологических методов. В настоящее время иммуноанализы заменяются в клинических лабораториях на ВЭЖХ/МС/МС. Так, в клинике университета Мюнхена ежедневно проводится анализ около 70 образцов на содержание сиролимуса и циклоспорина А с использованием ВЭЖХ/МС/МС системы. Вся подготовка образцов и управление прибором осуществляется одним сотрудником. Лаборатория переключается также на анализ такролимуса этим методом.

  • Описано применение ВЭЖХ/МС/МС для рутинного одновременного определения такролимуса, сиролимуса, аскомицина, деметиксисиролимуса, циклоспорина А и циклоспорина G в крови. Диапазон определяемых концентрациой 1.0 — 80.0 нг/мл. Для циклоспорина 25 — 2000 нг/мл. В течение года в лаборатории было проанализировано более 50,000 образцов.
  • Поскольку было установлено, что одновременное применение такролимуса и сиролимуса даёт положительный терапевтический эффект, был разработан простой и эффективный ВЭЖХ/МС/МС метод раздельного их определения в крови для клинических анализов. Анализ одного образца занимает 2.5 минуты с точностью от 2.46% — 7.04% для такролимуса и 5.22% — 8.30% для сиролимуса для всей аналитической кривой. Нижний предел определения такролимуса 0.52 нг/мл , сиролимуса — 0.47 нг/мл.

V. Определение гомоцистеина методом ВЭЖХ/МС/МС

Гомоцистеин представляет интерес при сердечно-сосудистых заболеваниях (тромбоэмболии, болезнях сердца, атеросклерозе) и других клинических состояний (депрессии, болезни Альцхаймера, остеопорозе, осложнениях при беременности и др.). Существующие методы анализа гомоцистеина, включая имунноанализ, являются дорогостоящими. Разработан быстрый ВЭЖХ/МС/МС метод анализа гомоцистеина для рутинного клинического применения при анализе большого количества образцов. Ионизация проводилась методом электрораспыления. Метод является воспроизводимым, высокоспецифичным и точным. Достоинствами метода являются также низкая стоимость реагентов и простота пробоподготовки. В сутки возможно проводить анализ 500 и более образцов.

Заключение

Следует отметить, что даже при том, что в настоящее время используются значительно усовершенствованные методы иммуноанализа, в силу технических принципиальных ограничений, данный метод никогда не будет обладать сравнимой с ВЭЖХ-МСМС точностью и специфичностью к целевому веществу, особенно в присутствии метаболитов. Это не только приводит к низкой точности метода ИФА и высокому проценту ложно-положительных и ложно-отрицательных результатов, но и не позволяет сравнивать результаты, полученные в разных клинических отделениях при использовании метода ИФА. Применение ВЭЖХ-МС/МС устраняет этот недостаток, позволяет проводить высокоспецифичный, точный и быстрый анализ большого количества образцов с высокой достоверностью в присутствии метаболитов и отсутствии помех от сопутствующих и эндогенных веществ, находящихся в плазме и крови пациентов.

Несмотря на кажущуюся дороговизну приборного комплекса, как показывает мировая практика, при правильной эксплуатации, данный комплекс окупается за 1-2 года. Это происходит, прежде всего, благодаря низкой себестоимости одного анализа за счет одновременного анализа десятков и сотен соединений и отсутствия необходимости приобретения дорогостоящих диагностических наборов. Кроме этого, у лаборатории появляется возможность самостоятельно разрабатывать любые необходимые методики анализа и не зависеть от производителя наборов.

Выбор правильной конфигурации приборного комплекса

Существует большое количество различных методов масс-спектрометрии и типов масс-спектрометров, предназначенных для решения самых разнообразных задач – от структурной идентификации сложных белковых макромолекул массой в сотни тысяч Дальтон до рутинного высокопроизводительного количественного анализа малых молекул.

Для успешного решения поставленной задачи одним из основных условий является выбор правильного типа оборудования. Не существует универсального прибора, позволяющего решать весь спектр аналитических задач. Так, прибор, предназначенный для решения задачи идентификации микроорганизмов, не способен проводить количественный анализ малых молекул. И наоборот. Дело в том, что, несмотря на общее название, это абсолютно разные приборы, работающие на различных физических принципах. В первом случае это времяпролетный масс-спектрометр с лазерным источником ионизации – MALDI-TOF, а во втором – тройной квадруполь с ионизацией электроспреем – ВЭЖХ-МСМС.

Вторым по значимости параметром является выбор правильной конфигурации системы. Существует несколько основных производителей масс-спектрометрического оборудования. У приборов каждого производителя есть не только свои сильные, но и слабые стороны, о которых они обычно предпочитают умалчивать. Каждый производитель выпускает свою линейку приборов. Стоимость одного аналитического комплекса находится в интервале стоимостью от 100,000 до 1,000,000 и более долларов. Выбор оптимального производителя и правильной конфигурации оборудования позволит не только сэкономить значительные финансовые ресурсы, но и более эффективно решать поставленную задачу. К сожалению, существует много примеров, когда оснащение лаборатории производилось без учета этих факторов. Результат – простаивающее оборудование, напрасно потраченные деньги.

Третьим фактором, определяющим успешную работу лаборатории, является персонал. Для работы на масс-спектрометрах требуется высококвалифицированный персонал. К сожалению, ни в одном ВУЗе России нет курса современной практической масс-спектрометрии, особенно применительно к клиническим приложениям, и задачи обучения персонала каждой лаборатории приходится решать своими силами. Естественно, 2-3 дней ознакомительного тренинга, проводимого производителем после запуска оборудования, абсолютно недостаточно для понимания основ метода и приобретения навыков работы на приборе.

Четвертым фактором является отсутствие готовых методик анализа. У каждой лаборатории есть свои приоритетные задачи, для решения которых необходимо разрабатывать свои методики. Делать это может человек, обладающий опытом работы на приборе не менее 2-3 лет. Фирмы-производители иногда поставляют одну-две общие методики рекомендательного характера, но не адаптируют их под конкретные задачи лаборатории.

В ООО «БиоФармЭкcперт» работают специалисты с многолетним стажем работы на различных типах масс-спектрометров, а также разработке методик и постановке высокопроизводительных анализов. Поэтому мы предоставляем следующие услуги:

  1. Выбор оптимальной конфигурации прибора под конкретные задачи клиента.
  2. Закупка, поставка и запуск оборудования ведущих производителей тандемных масс-спектрометров.Поэтапное обучение персонала в течение года с момента запуска оборудования.
  3. Набор готовых методик и баз данных для решения основных клинических задач.
  4. Разработка методик анализа и решение конкретных задач клиента в его лаборатории с привлечением его персонала.
  5. Методическая поддержка на всех стадиях работы.