臨床質譜技術發展態勢分析及建議

　質譜技術在生命科學基礎研究和臨床檢測分析中的應用越來越廣泛。細胞內的生命活動由基因、蛋白質、以及小分子代謝物共同調控，在基因層面對生命現象底層原因進行探索基礎上，對影響生命活動的終端的蛋白質和代謝物的全面研究尤為關鍵，有助于理解生命現象發生發展的本質。質譜技術通過測量離子質荷比（質量-電荷比）能夠以高通量的方法對生物系統中的蛋白質、代謝物進行全面的定性鑒定和定量分析，已發展成為蛋白質組、代謝物組研究的重要利器。與此同時，在臨床應用中，由于質譜技術可在單次檢測中同時系統精確地分析上百個生物標記物，并可檢測出傳統分析技術無法檢測到的生物標記物，這些特點使質譜技術在臨床檢測中獲得了廣泛應用，成為多項臨床檢驗分析的金標準。

　　1 國際臨床質譜技術研發與應用態勢分析

　　1.1 國際臨床質譜技術研發態勢

　　質譜技術通過測量離子質荷比（質量-電荷比）以準確鑒定未知分析物，定量已知化合物以及確定分子的結構和化學性質。一臺質譜儀包括進樣系統、離子源、質量分析器、離子檢測器、數據系統等多個技術模塊，為滿足不同樣品類型和分析要求的需求，每個模塊都有多種類型技術可供選擇。臨床樣本的復雜性對質譜技術的靈敏度、可檢測分子范圍、分辨率、準確性提出了更高的要求，而最直接決定質譜儀性能技術模塊是離子源、質量分析器。近年來，離子源的技術進步提高了質譜技術的靈敏度，并拓寬了可檢測分子范圍，質量分析器的技術創新則使得質譜技術的定性和定量能力獲得顯著的提升，另外，在離子源和質量分析器之間創新性地引入離子淌度譜技術，將從另一個維度提高譜圖分辨率，展現了在同分異構體、電荷異構體分辨方面的優勢，這些進步推動質譜技術的臨床應用。

　　1.1.1 離子源

　　質譜技術在臨床中的推廣應用依賴于離子源的進步。最初經典的質譜技術是將樣品在真空條件下加熱揮發成氣體后通過電子轟擊（Electron Impact，EI）、化學電離（Chemical Ionization，CI）進行離子化，這些技術很容易破壞分子結構，不適用于蛋白質、核酸等生物大分子的分析，且對液相色譜與質譜聯用的接口技術提出了較高的要求，使得其在臨床應用中受到限制。之后，以電噴霧電離（Electron Spray Ionization，ESI）和基質輔助激光解吸電離（Matrix Assisted Laser Desorption Ionization，MALDI）等為代表的“軟電離”技術的發展，因對樣品分子的破壞性小，可保留整個分子的完整性，拓寬了質譜技術在生物大分子分析中的應用。與此同時，以ESI、大氣壓化學電離（Atmospheric Pressure Chemical Ionization，APCI）、大氣壓光電離（Atmospheric Pressure Photoionization，APPI）等為代表的大氣壓電離技術的出現，成功地解決了液相色譜和質譜聯用的接口問題，使液相色譜-質譜聯用逐漸發展為成熟的技術，可對包含不揮發性化合物、極性化合物、熱不穩定性化合物的復雜臨床樣品進行有效分析。另外，以解吸電噴霧電離（Desorption Electrospray Ionization，DESI）、實時直接分析電離（Direct Analysis in Real Time，DART）為代表的常壓敞開式離子化技術相繼出現進一步簡化樣品預處理流程，可對樣品中分析物進行快速直接電離及質量分析，使得質譜技術向即時、原位分析方向發展，為多種疾病尤其是癌癥的精準、即時檢測提供了重要支撐。當前已經有上百種離子源技術出現，但尚沒有任何離子源能滿足所有應用的需求，在進行質譜分析之前，需要根據自己的測試目的和樣品種類來選擇合適的離子源。

　　在應用于生物大分子分析的軟電離技術中，ESI和MALDI技術最為成熟，多家質譜研發巨頭企業都已推出相關離子源產品，在臨床中也獲得了推廣應用。ESI技術最早由2002年諾貝爾化學獎得主Fenn創建的美國Analytica of Branford公司開發，該公司致力于推廣和發展質譜儀的先進離子化技術，同時為國際各質譜儀器公司的電噴霧離子源質譜提供專利和設備，2009年該公司被美國珀金埃爾默公司收購。近年來，為進一步優化質譜技術的靈敏度和精確性，布魯克、沃特世等企業對ESI離子源技術進行了創新，獲得了在納升流速下具有超高靈敏度的CaptiveSpray電噴霧離子源、可進行經驗證的精確質量數測量的LockSpray雙電噴霧離子源等專利技術。ESI質譜與液相色譜直接偶聯，為復雜蛋白質樣品檢測提供可行的方案，推動了質譜技術在蛋白質分析領域的應用。MALDI技術于1987年由德國科學家Hillenkamp及Karas首次提出，主要是通過與飛行時間質譜（Time of Flight，TOF）的結合，為生物大分子提供快速和高度可靠的檢測。近年來，基于對核心模塊的優化，MALDI-TOF分析采集速度、靈活性、分辨能力獲得進一步提升。例如美國布魯克公司開發了smartbeam-II、smartbeam 3D激光專利技術，可在高達2kHz和10kHz采集速度下靈活地完成組織成像、聚合物分析、肽段和蛋白質分析等各類分析工作，結合PAN 寬域離子聚焦技術等創新技術，可在超寬質量范圍內實現高達40000的質量分辨率，為高精度蛋白質組研究提供保障。

　　而在可實現即時、原位分析的常壓敞開式離子化技術開發方面，近年來不斷有新的技術涌現，已報道的相關技術有30多種，部分已實現產業轉化，如沃特世的DESI? XS離子源、大氣壓固體分析探頭（Atmospheric Pressure Solid Analysis Probe，ASAP）和快速蒸發電離質譜（Rapid Evaporative Ionization Mass Spectrometry，REIMS），IonSense的DART?離子源、賽默飛的VeriSpray紙噴霧離子源、島津的解吸電暈束離子源（Desorption Corona Beam Ionization，DCBI）、原位探針電噴霧離子源（Probe Electro Spray Ionization，PESI）等。這些新研發的技術所需前處理步驟簡單，不受樣品性狀限制，可應用于食品檢測、司法取證、環境檢測等各個領域。

　　1.1.2 質量分析器

　　臨床樣本的復雜性對質譜儀的定性和定量能力提出了更高的要求，這與質量分析器的選擇密切相關。近年來質譜技術研發龍頭企業在質量分析器方面進行了多項技術創新。首先，在高分辨率質量分析器開發方面，美國布魯克傅立葉變換離子回旋共振FT ICR技術、美國賽默飛靜電場軌道阱Orbitrap技術等超高分辨率質量分析器的發明及進步使得質譜技術分辨率提升了一個數量級，已發展成為蛋白質組和代謝組分析的核心手段。其次，多級串聯質譜技術綜合運用顯著提高了質量分析器的整體性能，三重四級桿質譜技術在保留四級桿原有定量能力強的特點上，提供了串級功能，加強了質譜的定性能力，相關技術市場主要由賽默飛、安捷倫、沃特世、島津等龍頭企業占據；而以美國丹納赫QTrap技術、日本島津IT-TOF技術、美國沃特世Q-TOF技術等為代表的不同類型質量分析器串聯形成的多級串聯質譜技術的應用更好地綜合和平衡不同分析器在定性定量分析能力、分析的速度、分辨率、靈敏度方面的優勢，可根據不同的分析需求進行最優選擇。

　　1.1.3 離子淌度譜技術

　　在離子源和質量分析器之間引入離子淌度譜技術，將從另一個維度提高譜圖分辨率，它除了按質量和電荷數之外，還可以根據離子的尺寸和形狀分析樣品，展現了在同分異構體、電荷異構體分辨方面的優勢。2006年，美國沃特世將行波離子淌度譜（Travelling Wave Ion Mobility Separator，TWIMS）技術引入傳統質譜技術，推出了首臺商品化的淌度質譜（淌度分辨率10），之后質譜制造商都推出了各自的商品化離子淌度質譜，采用了包括遷移管離子淌度譜（安捷倫）、場不對稱波形離子淌度譜（賽默飛、丹納赫）、捕集離子淌度譜（布魯克）等不同技術。近年來，相關企業不斷優化相關技術，進一步提升了淌度分辨率，2016年布魯克timsTOF離子淌度平臺將淌度分辨率提升到200，2019年，沃特世推出的SELECT SERIES Cyclic IMS系統更進一步將其提升至750。

　　1.2 國際臨床質譜應用態勢

　　隨著臨床質譜技術的不斷迭代優化，其應用范圍進一步擴寬，逐步發展為蛋白質組和代謝組分析的核心手段，并在維生素D檢測、激素檢測、新生兒遺傳代謝病篩查、治療藥物監測、微生物鑒定等臨床應用方面獲得了推廣，成為多個臨床檢驗項目的參考方法或者金標準，另外還在基因檢測、臨床即時檢驗中開拓新的應用方向。

　　基于Orbitrap等高分辨率質譜技術的蛋白質組學和代謝組學研究成果已促進了全新生物標志物的研究發現和臨床應用，例如研究人員通過基于質譜的組學分析識別出與膜蛋白結合的內源性配體，揭示了多種癌癥細胞外囊泡和顆粒生物標志物，鑒定出糖尿病腎病相關生物標志物等。另外，由于離子淌度質譜技術的應用可提供超越傳統質譜平臺的多維結構鑒定信息，相關技術應用也極大提升了對復雜生物樣品蛋白質組、代謝組的有效鑒定。

　　以三重四級桿質譜技術為代表的定量能力好的串聯質譜技術（Tandem Mass Spectrometry，MS/MS）也已成為多項臨床檢驗分析的金標準，例如，國際檢驗醫學溯源聯合委員會已將液相色譜串聯質譜法（Liquid Chromatography-Tandem Mass Spectrometry，LC-MS/MS）認定為維生素D檢測的“金標準”；該技術被《臨床內分泌與代謝雜志》（The Journal of Clinical Endocrinology & Metabolism）認定為準確檢測類固醇激素的唯一方法。此外，在新生兒遺傳代謝病篩查、治療藥物監測等方向，MS/MS的應用實現了對常規酶或免疫測定法的高度替代，例如，美國、英國、德國、澳大利亞、韓國、日本等國家已將串聯質譜新生兒篩查列為法定篩查項目，篩查覆蓋率基本達到90%以上；國際治療藥物監測和臨床毒理學協會（International Association of Therapeutic Drug Monitoring & Clinical Toxicology，IATDMCT）在針對14個國家/地區的76個實驗室進行的一項調查研究顯示，LC-MS/MS在四種常見免疫抑制劑（環孢霉素、他克莫司、西羅莫司和依維莫司）藥物監測中的應用比例高達47%~75%。

　　相比其他質譜技術，MALDI-TOF操作簡便，近年來在微生物鑒定、基因檢測中展現出巨大的應用潛力。2013年，美國食品藥品監督管理局（U.S. Food and Drug Administration，FDA）首次認可使用MALDI-TOF技術對微生物進行鑒定，之后迅速在臨床獲得推廣應用，并逐步發展成為臨床微生物實驗室廣泛認可的標準方法。在此次新冠肺炎大流行中，面對其他病原微生物合并感染患者，成功利用該技術及時準確地鑒定出病原真菌。MALDI-TOF微生物質譜鑒定高度依賴數據庫，待檢測微生物只有與數據庫中已有圖譜達成高度匹配才能得到準確鑒定結果。因此，微生物質譜數據庫的建設和完善受到重視。至2016年，全球主要有4個商用MALDI-TOF數據庫，即美國布魯克公司MALDI Biotyper系統、法國生物梅里埃公司VITEK MS系統、德國AnagnosTec公司SARAMIS系統以及法國Andromas SAS公司Andromas系統，這些數據庫可以滿足臨床實驗室常見微生物的鑒定需求，但收集的菌種總體數量仍然有限，且各數據庫中可檢測的菌種類型各有側重。例如在絲狀真菌鑒定中，唯一通過FDA認證的為梅里埃VITEK MS系統，其中包括47種獲得FDA臨床試驗認證的絲狀真菌。因此，在商用數據庫基礎上，美國妙佑醫療國際（Mayo Clinic）等醫療機構或獨立醫學實驗室也會根據不同鑒定需求自建和完善本地數據庫。另外，MALDI-TOF技術在基因檢測中的創新應用解決了傳統以PCR為基礎的檢測手段不能完全滿足臨床對多個基因、多位點檢測的需求的問題，2014年，美國Agena Bioscience公司的基于MassARRAY?核酸質譜技術（MALDI-TOF技術與終點法PCR相結合）的IMPACT Dx?系統獲得FDA 510K認證，成為世界上首臺獲批用于臨床核酸檢測的質譜平臺，同期批準了2款相關檢測試劑盒（萊頓第五凝血因子突變檢測試劑盒Factor V Leiden Assay和第二凝血因子基因分型檢測試劑盒Factor II Genotyping Assay），推動基因質譜檢測由科學研究逐步轉向臨床應用。

　　此外，基于常壓敞開式離子化技術的質譜分析已在癌癥臨床即時檢驗的應用中進行了初步嘗試，并基于相關技術開發了智能電子手術刀iKnife、測癌筆MasSpec Pen等產品，幫助醫生實時檢測組織是否發生癌變，不過相關應用尚處于研究階段，未實際應用于臨床診斷。

　　2 我國臨床質譜技術研發與應用現狀分析

　　2.1 我國臨床質譜技術研發現狀

　　我國臨床質譜技術研發起步較晚，國內臨床質譜儀市場長期由國外品牌占據主導地位。全球質譜關鍵核心技術掌握在美國、日本質譜儀器龍頭企業（表1）。在低端質譜儀領域，我國已經陸續有國產設備獲批進入臨床應用，但是在技術門檻較高的LC-MS/MS領域，主要通過引進國外質譜技術進行貼牌生產和優化改進（表2）。例如，廣州市豐華生物工程有限公司獲批的三重四級桿質譜分析系統FH-6000MD為美國賽默飛公司的貼牌生產產品。國外質譜儀器公司也通過在中國創辦分公司的模式，進入中國市場，如蘇州新波生物技術有限公司作為美國珀金埃爾默旗下公司推出了三重四極桿質譜系統QSight 210MD。

　　為實現關鍵技術和設備自主可控的目標，我國相關科技部門在國家重大科學儀器設備開發專項、國家重點研發計劃“重大科學儀器設備開發”重點專項中對質譜技術的開發進行了資助，對離子源、質量分析器、真空系統等關鍵核心部件進行研發。與此同時，我國工信部起草的最新的《醫療裝備產業發展規劃（2021—2025年）》（征求意見稿）中已把攻關突破質譜分析設備作為國家醫療裝備產業重點發展方向。

　　國內企業已經突破了技術門檻相對較低的用于微生物鑒定的飛行時間質譜MALDI-TOF技術，獲得了多款具有自主知識產權的微生物鑒定飛行時間質譜儀（表2）。而技術門檻較高的三重四極桿質譜技術的研發也已經開始，科研力量主要集中在高校、科研機構。例如由國家環境分析測試中心牽頭“三重四極桿串聯質譜系統的研制及其在痕量有機物分析中的應用”項目針對復雜體系中痕量有機物高通量、高靈敏度和自動化檢測需求，研制出三重四極桿串聯質譜系統產品和配套自動化前處理裝置及其他關鍵部件，并在蛋白質組學等領域開展應用示范；中科院蘇州醫工所天津工程技術研究院先后攻克了離子源、四極桿、射頻電源、控制系統等多個核心技術，自主研發了高效液相色譜串聯質譜檢測系統，并于2021年3月取得醫療器械產品注冊證。

　　我國也出臺了相關措施打造國產質譜儀的應用生態。在“十四五”階段，國家財政部及工信部聯合發布的《政府采購進口產品審核指導標準》（2021年版）明確規定了政府機構（事業單位）采購國產醫療器械及儀器的比例要求，其中在臨床檢驗設備項，要求全自動質譜分析系統全部采購本國產品，對于高效液相色譜串聯質譜儀因國內供應商少于3家，建議25%采購本國產品。

　　2.2 我國臨床質譜應用現狀

　　在臨床質譜技術應用方面，我國起步較晚但整體發展較快。MS/MS在新生兒遺傳代謝病篩查、維生素D檢測、治療藥物監測中獲得了初步推廣應用。我國于2002年首次將串聯質譜法遺傳代謝病篩查技術引入臨床，至2018年已有200臺串聯質譜儀用于新生兒遺傳代謝病篩查。從2020年發布的《人群維生素D缺乏篩查方法》衛生行業標準中可以看到，LC-MS/MS已成為人群維生素D缺乏篩查的第一法，優先于化學發光免疫法和酶聯免疫法。《治療藥物監測工作規范專家共識》中也明確指出從藥物專屬性上推薦采用LC-MS/MS和高效液相色譜技術。MALDI-TOF在微生物鑒定中的應用進展迅速，包括毅新博創、江蘇天瑞等多家企業自主研發的微生物鑒定飛行時間質譜儀經國家藥品監督管理局批準注冊，已經廣泛用于醫院檢驗科微生物的鑒定。與此同時，自建MALDI-TOF微生物鑒定數據庫也不斷更新，例如由軍事科學院牽頭，中科院微生物所、國家疾控中心等十幾家國內知名醫療單位及機構聯合共同建立了超過370屬、2200種、8100株的微生物蛋白指紋圖數據庫，數據規模與國際領先水平相當。

　　但在臨床質譜相關分析方法開發方面，我國與國際先進水平相比也仍有差距，在臨床檢驗項目數量和可檢測疾病范圍上相對落后。美國基于質譜技術的服務于臨床檢測項目已達400余項，涉及新生兒篩查、藥物監測、類固醇激素檢測、維生素檢測以及微生物鑒定等領域；國內則仍處于起步階段，僅可提供80余項檢測項目。此外，為確保質譜分析結果的準確性和重現性，相關方法學開發還必須解決質量控制問題。為規范化管理臨床質譜技術應用，我國已出臺相關管理規范，2020年國家衛健委修訂的《醫療機構臨床實驗室管理辦法》中明確“醫療機構臨床實驗室應當參加室間質量評價機構組織的臨床檢驗室間質量評價”。而在2021年臨床檢驗室間質量評價計劃中，已設置包括類固醇激素、維生素、甲狀腺激素、同型半胱氨酸正確度驗證、全血治療藥物監測、心肌標志物等14項臨床質譜檢測生化評價項目。2018年起，我國國內試劑廠商已嘗試布局質譜檢測試劑的開發和注冊申報，以規范臨床質譜應用，截至2020年底，經國家藥品監督管理局批準注冊的國產質譜檢測試劑盒已有28種，涉及多種氨基酸、肉堿、維生素D、1,5-脫水葡萄糖醇、皮質醇、甘膽酸、免疫抑制劑、丙戊酸、微生物等檢測。

　　3 我國臨床質譜發展建議

　　1）加大支持力度，集中攻關高端質譜技術核心模塊研發

　　首先，雖然我國已有國產臨床質譜儀獲批上市，但在一些技術門檻較高的質譜儀，如LC-MS/MS的研發生產，仍然嚴重依賴國外技術，質譜設備的核心技術仍掌握在國外領先企業手中。因此，建議從質譜儀源頭技術自主創新入手，通過項目資助、政策鼓勵扶持等方式重點支持企業突破離子源、質量分析器等核心模塊的技術瓶頸，發展具有自主知識產權的臨床質譜儀。其次，針對目前中國質譜儀相關技術專利主要集中于高校和科研機構手中的現狀，建議出臺相關政策鼓勵質譜儀產學研聯動發展，加速高校質譜儀核心部件研發成果轉化。

　　2）推進臨床質譜應用下沉，提升臨床質譜應用廣度和深度

　　我國臨床質譜應用整體還處在起步和推廣階段，應用廣度和深度與國外領先水平相比仍有較大差距。建議首先集中力量夯實目前相對成熟的新生兒遺傳代謝病篩查、維生素D檢測、治療藥物監測這幾個領域，創建并優化面向不同生物樣本、不同標志物的質譜檢測方法，拓寬可檢測疾病范圍。其次質譜技術已經展現出在基于蛋白質組學、代謝組學等多組學研究的標志物發現中的巨大發展機遇，因此，我國也應抓住這一發展契機，積極推動相關技術的研發和臨床轉化，搶占該領域的發展先機，助力新型診斷標志物開發、新靶標藥物研發以及臨床精準用藥。

　　3）規范化管理質譜臨床檢驗分析，提供標準可靠的臨床數據

　　我國質譜臨床應用過程仍是以實驗室自建檢測方法（Laboratory Developed Tests，LDTs）為主，如何在滿足臨床發展需求的同時保證檢測項目的質量規范值得積極探討。在我國已經出臺的一系列規范的基礎上，建議出臺相關管理規定，要求除了醫療機構臨床實驗室以外，包括獨立醫學實驗室等其他類型臨床實驗室主動參與臨床檢驗室間質量評價。同時，進一步拓展臨床質譜檢測室間質量評價項目，包括增加生化評價項目種類，并增加例如微生物質譜鑒定、核酸質譜檢測等方向的項目。