基于毛細(xì)管電泳-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)的代謝/蛋白質(zhì)組學(xué)分析

王 芳, 王 松, 叢海林,2, 于 冰,2*

(1. 青島大學(xué)生物醫(yī)用材料與工程研究院, 青島大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院, 青島大學(xué)附屬醫(yī)院, 山東 青島 266071;2. 生物多糖纖維成形與生態(tài)紡織國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 青島大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院, 山東 青島 266071)

毛細(xì)管電泳(CE)是一種以毛細(xì)管柱作為分離通道,高壓直流電作為驅(qū)動(dòng)力,根據(jù)樣品在系統(tǒng)中的遷移差異使各組分分離的分析技術(shù)。它具有分析效率高、分離時(shí)間短、分析范圍廣和樣品用量少等優(yōu)點(diǎn)[1]。電泳作為一種高效的分離技術(shù),已實(shí)現(xiàn)與多種檢測(cè)器聯(lián)用,并開(kāi)發(fā)出多種分離模式。將CE與高選擇性及高靈敏度的質(zhì)譜(MS)聯(lián)用,不僅使系統(tǒng)的靈敏度顯著提高,且彌補(bǔ)了CE在定性方面的缺陷[2]。毛細(xì)管電泳-質(zhì)譜(CE-MS)聯(lián)用技術(shù)作為一種高效的分離分析手段與液相色譜-質(zhì)譜(LC-MS)聯(lián)用技術(shù)相輔相成,互為補(bǔ)充[3],可獲得最高的代謝覆蓋率,提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

CE-MS技術(shù)已成為復(fù)雜基質(zhì)和低濃度目標(biāo)分析物的首選[4]。近幾年來(lái),CE-MS聯(lián)用技術(shù)的相關(guān)研究層出不窮,主要包括新技術(shù)方法的設(shè)計(jì)、改進(jìn)以及應(yīng)用研究。Szigeti等[5]通過(guò)引入一種高效的樣品前處理方法,對(duì)人血清N-糖基組學(xué)進(jìn)行毛細(xì)管電泳與激光誘導(dǎo)熒光(CE-LIF)分析,并為電離模式下的CE-ESI-MS分析提供了條件。Wild等[6]通過(guò)多段進(jìn)樣-毛細(xì)管電泳-質(zhì)譜(MSI-CE-MS)聯(lián)用技術(shù)對(duì)苯丙酮尿癥病人尿液和血漿的代謝物進(jìn)行分析,以檢測(cè)新的生物標(biāo)記物。這項(xiàng)分析不僅可以對(duì)苯丙氨酸中毒進(jìn)行檢測(cè),且為患者的健康飲食提供了指導(dǎo)。目前CE-MS越來(lái)越多地應(yīng)用于生命科學(xué)、醫(yī)學(xué)、藥學(xué)等領(lǐng)域,已在蛋白質(zhì)組學(xué)、代謝組學(xué)、生物標(biāo)記物等方面取得重大進(jìn)展[7]。本文就2015年來(lái),CE-MS在技術(shù)改進(jìn)和應(yīng)用方面的發(fā)展進(jìn)行了綜述。

1 CE-MS技術(shù)改進(jìn)

目前,聯(lián)用系統(tǒng)仍存在接口不合適、電噴霧不穩(wěn)定等問(wèn)題,限制了該技術(shù)的發(fā)展。本節(jié)從涂層類(lèi)型、接口技術(shù)和數(shù)據(jù)處理方法等方面介紹了CE-MS的發(fā)展。

1.1 毛細(xì)管涂層

在進(jìn)行分析時(shí),分析物與毛細(xì)管壁的相互作用會(huì)對(duì)分離效率、電滲流(EOF)和遷移時(shí)間造成影響,降低系統(tǒng)的分離效果。涂層可有效解決分析物在毛細(xì)管內(nèi)壁的吸附問(wèn)題,但在CE-MS中,并非所有涂層都適合與MS系統(tǒng)兼容。MS要求涂層不干擾其檢測(cè)系統(tǒng),若涂料進(jìn)入質(zhì)譜儀會(huì)引起嚴(yán)重的背景噪聲,降低分析物信號(hào),污染光學(xué)器件[8]。基于此,只有穩(wěn)定的靜態(tài)涂層可滿(mǎn)足要求,涂層的應(yīng)用提高了聯(lián)用系統(tǒng)的分離性能,使系統(tǒng)更具分析優(yōu)勢(shì)。

在CE-MS分析中,EOF的穩(wěn)定性影響樣品分析的靈敏度與重現(xiàn)性。穩(wěn)定的CE-MS接口需要具有朝向毛細(xì)管出口的EOF,否則鞘液或空氣會(huì)被吸入毛細(xì)管中,導(dǎo)致系統(tǒng)電流不穩(wěn)定,甚至出現(xiàn)運(yùn)行故障[9]。EOF與電噴霧的形成有關(guān),對(duì)分離過(guò)程及質(zhì)譜檢測(cè)都有一定的影響。這意味著CE-MS在選擇合適的毛細(xì)管涂層時(shí)須考慮到EOF的相關(guān)特性。

3種類(lèi)型的涂層都是通過(guò)降低分析物與毛細(xì)管壁間的相互作用來(lái)提高分離效果。帶電的毛細(xì)管涂層可以改變CE-MS中EOF的方向和大小,陰離子涂層在分析陰離子樣品時(shí)占優(yōu)勢(shì),陽(yáng)離子涂層可形成較高的EOF,若將其應(yīng)用于無(wú)鞘接口中,可通過(guò)延長(zhǎng)毛細(xì)管來(lái)提高其分辨率。中性涂層對(duì)分析物的電荷沒(méi)有限制且可顯著降低EOF,因此在CE-MS中應(yīng)用最廣。

作者課題組以光敏性重氮樹(shù)脂(DR)為偶聯(lián)劑,通過(guò)自組裝構(gòu)建出多種共價(jià)鍵合的涂層毛細(xì)管柱(包括聚乙烯醇型(PVA)[10]、聚乙二醇型(PEG)[11]、環(huán)糊精型(CD)[12]、羧基化富勒烯型(C60-COOH)[13]),并對(duì)它們進(jìn)行了蛋白質(zhì)分離性能的研究。這類(lèi)涂層通過(guò)抑制毛細(xì)管對(duì)蛋白質(zhì)的吸附實(shí)現(xiàn)了蛋白質(zhì)混合樣品的基線(xiàn)分離,不僅提高了CE的分離性能,而且表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性和重復(fù)性。最近,作者團(tuán)隊(duì)又設(shè)計(jì)了一種環(huán)境響應(yīng)型的共聚物毛細(xì)管涂層,聚合物能夠根據(jù)溫度、pH等參數(shù)的變化調(diào)整鏈段構(gòu)象和聚集形態(tài),來(lái)去除毛細(xì)管涂層上特異性或非特異性吸附的蛋白質(zhì),最終實(shí)現(xiàn)涂層的自清潔性能,并探索其在蛋白質(zhì)、多肽電泳分析和質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)等方面的應(yīng)用。

Acunha等[14]合成了一系列由陽(yáng)離子N,N,N′,N′-四乙基二亞三胺(TEDETAMA)和中性N-(2-羥丙基)甲基丙烯酰胺(HPMA)組成的聚合物鏈用作毛細(xì)管涂層。實(shí)驗(yàn)表明物質(zhì)的量比為50∶50的TEDETAMA-co-HPMA共聚物涂層具有良好的EOF穩(wěn)定性和CE-MS兼容性,可有效地分離堿性蛋白質(zhì)/肽的標(biāo)準(zhǔn)混合物和16種陰離子代謝混合物,分離效率高、重復(fù)性好[15]。通過(guò)分析奶酪樣品中的溶菌酶以及橙汁和葡萄酒中的陰離子代謝物證明了該CE-MS涂層在蛋白質(zhì)分析和代謝物分析方面的可行性。

1.2 接口技術(shù)

CE-MS聯(lián)用技術(shù)中離子源的選擇對(duì)分析結(jié)果至關(guān)重要,常見(jiàn)的離子源包括適用于非極性小分子的電子轟擊(EI)、適用于極性較弱的化合物的大氣壓化學(xué)電離(APCI)、適應(yīng)于極性分子的電噴霧電離(ESI)、適用于大分子分析的基質(zhì)輔助激光電離(MALDI)以及可實(shí)時(shí)分析、樣品無(wú)需處理的環(huán)境電離模式(DESI/DART)。其中ESI-MS在聯(lián)用系統(tǒng)中應(yīng)用最廣,極性小分子至大分子均可分析。CE中的流速非常低,為了與MS實(shí)現(xiàn)聯(lián)用,需要建立一個(gè)封閉的電路來(lái)維持CE分離所必需的高壓[16]。目前根據(jù)鞘液的存在與否,CE-MS界面主要分為兩大類(lèi):鞘液界面和無(wú)鞘界面。

1.2.1鞘液界面

在鞘液裝置中,充當(dāng)液體電極的導(dǎo)電液體被送到毛細(xì)管出口周?chē)?提供閉合CE和ESI電路所需的電接觸[17]。在進(jìn)行電噴涂過(guò)程之前,樣品和鞘液在毛細(xì)管尖端混合。盡管鞘液界面對(duì)背景電解質(zhì)(BGE)和流速具有良好的耐受性[18],但空間稀釋作用會(huì)增加系統(tǒng)噪聲,最終使系統(tǒng)靈敏度降低。高流速鞘液的稀釋作用被視為不利條件,而以納米噴霧的流速輸送該液體時(shí)可改善問(wèn)題[19]。納米噴霧(1 000 nL/min以下)可以完全依靠電噴霧來(lái)工作,噴霧通過(guò)電場(chǎng)作用于流動(dòng)液體獲得更小的液滴(低于200 nm)。在獲得氣相離子前,較少的裂變事件就可提高電噴霧過(guò)程的整體效率。相比于在高流速條件下形成微米級(jí)離子噴霧(1～1 000 μL/min),納米噴霧流速呈現(xiàn)出與CE更高的相容性,因此可以改善界面的柔韌性以及電離問(wèn)題[20]。除此之外,通過(guò)對(duì)鞘液接口進(jìn)行改造,可有效減少死體積,提高靈敏度[21]。

Gonzalez-Ruiz課題組[22]開(kāi)發(fā)了一種無(wú)霧化氣體輔助的低鞘液CE-ESI-MS接口來(lái)減少分析物的稀釋。通過(guò)對(duì)鞘液、工作距離和ESI電位等主要參數(shù)以及泰勒?qǐng)A錐體尺寸的研究,該接口最終用于基礎(chǔ)藥物分析,并展現(xiàn)出良好的抗干擾性和結(jié)果可重復(fù)性。最近,他們通過(guò)減小毛細(xì)管與發(fā)射器間的距離,構(gòu)建了一種樣品分散最小化的新鞘液接口CE-ESI-MS[23]。對(duì)比前期工作,這種接口可有效提高信噪比,減小峰展寬(見(jiàn)圖1)。通過(guò)藥物分子和內(nèi)源性代謝物的測(cè)試成功鑒定出與神經(jīng)傳遞相關(guān)的物質(zhì)。這一改進(jìn)顯著提高了樣品在遷移時(shí)間、峰面積等方面的重現(xiàn)性,在復(fù)雜的生物樣品分析中具有潛在的優(yōu)勢(shì)。

圖 1 不同錐型接口所得的紫外(UV)與電噴霧電離(ESI)對(duì)比圖Fig. 1 Comparison of ultraviolet (UV) and electrospray ionization (ESI) from different cone interfacesReproduced from Ref. [22] with permission.

1.2.2無(wú)鞘界面

鞘液界面的靈活性使其被更廣泛的應(yīng)用[24],但鞘液組成的多變性以及對(duì)樣品的稀釋也限制了該技術(shù)的發(fā)展。無(wú)鞘液接口可更有效地提高分析靈敏度,其產(chǎn)生的電噴霧最大限度地減少了稀釋[25],保持檢出限穩(wěn)定。

無(wú)鞘界面在電噴霧和電接觸方面缺乏穩(wěn)定性,是限制其發(fā)展的主要原因[26]。無(wú)鞘界面通過(guò)在毛細(xì)管出口處使用金屬或?qū)щ娋酆衔锿扛?或者將金屬微電極引入毛細(xì)管形成閉合回路,以實(shí)現(xiàn)所需要的電接觸[27]。在這樣的界面中,電噴霧的唯一成分是BGE本身,因此必須對(duì)其組分進(jìn)行優(yōu)化。與鞘液界面相比,無(wú)鞘界面的主要優(yōu)勢(shì)在于靈敏度高,同時(shí)保持了CE的優(yōu)勢(shì)。無(wú)鞘CE-MS的優(yōu)勢(shì)有利于有限樣品的分析[28],并為組學(xué)研究提供了思路。

Petersen等[29]開(kāi)發(fā)了一種簡(jiǎn)單且靈敏度高的無(wú)鞘CE-MS接口,此接口成本低且穩(wěn)定性好。當(dāng)該界面以低納升流速(45～90 nL/min)對(duì)蛋白質(zhì)/多肽樣品進(jìn)行分析時(shí),不僅使藥物蛋白(包括胰島素、組織因子和α-突觸核蛋白)有效分離,且可以對(duì)蛋白質(zhì)異構(gòu)體進(jìn)行分析。

Hirayama等[30]在毛細(xì)管柱末端約2 cm處形成一個(gè)小裂縫,并將其覆蓋在塑料板上固定,制成如圖2a的CE-MS新型無(wú)鞘界面。在優(yōu)化的分析條件下,該界面可分離出52種陽(yáng)離子代謝物標(biāo)準(zhǔn)品,且與商業(yè)化毛細(xì)管兼容性好。與鞘流液界面相比,該界面具有更高的檢測(cè)靈敏度和分析效率(如圖2b),有望在代謝組學(xué)分析中發(fā)揮優(yōu)勢(shì)。

圖 2 (a)無(wú)鞘CE-ESI-MS界面示意圖與(b) CE-MS在不同界面下對(duì)代謝產(chǎn)物的分析Fig. 2 (a) Schematic of the sheathless CE-ESI-MS interface and (b) analysis of m/z of metabolites by CE-MS at different interfaces For Fig. 2a: 1. plastic plate; 2. electrodialysis membrane; 3. separation capillaries; 4. platinum electrodes; 5. buffer reservoirs. For Fig. 2b: black line, unsheathed; grey line, sheath flow. Reproduced from Ref. [30] with permission.

隨著界面復(fù)雜性的提高[31],用戶(hù)自己可以執(zhí)行的維護(hù)任務(wù)已顯著減少。在連接儀器時(shí),兼容性受限的問(wèn)題給用戶(hù)帶來(lái)極大困擾。因此,我們理想的CE-MS技術(shù)應(yīng)包含以下特征[32], (i)不存在霧化氣體稀釋效應(yīng);(ii)減少鞘流液對(duì)BGE成分的電離依賴(lài)性;(iii)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單,易于實(shí)施和維護(hù)。未來(lái)的發(fā)展從這幾個(gè)方面改進(jìn)將會(huì)提高系統(tǒng)的抗干擾性和實(shí)驗(yàn)的可重復(fù)性。

1.3 數(shù)據(jù)處理方法

聯(lián)用技術(shù)在設(shè)備和方法上的優(yōu)化顯著提高了其應(yīng)用價(jià)值,但數(shù)據(jù)分析的方法也是至關(guān)重要的。一般來(lái)說(shuō)受到背景電解質(zhì)、電滲流和電噴霧的影響,CE-MS不易通過(guò)遷移時(shí)間準(zhǔn)確地確定分析物[33],這導(dǎo)致結(jié)果靈敏度低,重現(xiàn)性差。因此需要一些分析技術(shù)來(lái)完善結(jié)果。

Gonzalez-Ruiz等[34]介紹了一種新的軟件工具ROMANCE,可通過(guò)改善分析數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性來(lái)實(shí)現(xiàn)特征識(shí)別。ROMANCE的設(shè)計(jì)考慮了代謝組學(xué)研究的樣本數(shù)量和數(shù)據(jù)大小。通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)分析軟件包進(jìn)行處理,轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)結(jié)果文件可以通過(guò)常規(guī)的代謝組學(xué)流水線(xiàn)處理(預(yù)處理,峰提取等)。它們幾乎不需要運(yùn)行對(duì)齊,也不需要校正面積,僅取決于所選BGE的性質(zhì)和溫度。通過(guò)標(biāo)記EOF或電泳遷移率的峰,將CE-MS文件自動(dòng)轉(zhuǎn)換為以電泳遷移率為標(biāo)度的信息,在不同實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行對(duì)比。通過(guò)歸一化過(guò)程來(lái)校正時(shí)標(biāo)的偏移,即可輕松識(shí)峰,分析圖見(jiàn)圖3。該方法具有更高的重現(xiàn)性和可比性,降低了樣品在不同條件下造成的保留時(shí)間差異。

圖 3 一組標(biāo)準(zhǔn)化合物在不同分析平臺(tái)上的遷移時(shí)間,遷移電泳率轉(zhuǎn)化對(duì)比Fig. 3 Comparison of migration time and migration electrophoresis rate of a set of standard compounds on different analysis platforms Reproduced from Ref. [34] with permission.

Ortiz-Villanueva等[35]用知識(shí)集成策略(多元曲線(xiàn)分辨率與交替最小二乘法(MCR-ALS))對(duì)不可發(fā)酵碳源(乙酸)和發(fā)酵碳源(葡萄糖)中的酵母樣品進(jìn)行代謝組學(xué)數(shù)據(jù)分析。對(duì)CE-MS和LC-MS數(shù)據(jù)進(jìn)行獨(dú)立的MCR-ALS分析后獲得的數(shù)據(jù)要少于先對(duì)兩個(gè)平臺(tái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理所得到的結(jié)果,先融合處理提供了更高的代謝物覆蓋率,具有增強(qiáng)代謝物響應(yīng)鑒定的作用。這種方法便于提取不同培養(yǎng)條件下的最相關(guān)特征,通過(guò)可視化代謝網(wǎng)絡(luò)更好地理解生物系統(tǒng)的變化,解釋生物學(xué)問(wèn)題。

2 代謝組學(xué)

CE-MS聯(lián)用技術(shù)是分析離子代謝物的有效工具,對(duì)復(fù)雜樣本的研究具有前瞻性的價(jià)值。CE-MS對(duì)代謝組學(xué)/蛋白質(zhì)組學(xué)的分析已用于許多臨床問(wèn)題,包括對(duì)肝損傷[36]、神經(jīng)性疾病[37]、腎損傷[38]、肝臟藥物代謝[39]或糖尿病[40]、心血管疾病[41]中相關(guān)分子的鑒定。

代謝組學(xué)是對(duì)小分子代謝產(chǎn)物進(jìn)行分析,并從中分析出與疾病相關(guān)的特定代謝物作為生物標(biāo)記物,它們可以直接反映生物系統(tǒng)中酶的活性,對(duì)臨床疾病的預(yù)測(cè)和監(jiān)控具有重要作用[42]。當(dāng)涉及稀缺的生物樣本分析時(shí),CE-MS具有明顯優(yōu)勢(shì)。

內(nèi)源性代謝物代表各種小分子,而含胺的小分子(如氨基酸和神經(jīng)遞質(zhì))是生物體的基本組成和關(guān)鍵調(diào)節(jié)劑[43]。因此,研究生物體中胺的代謝產(chǎn)物對(duì)疾病的治療和監(jiān)測(cè)至關(guān)重要。Wells等[44]將預(yù)濃縮技術(shù)與CE-MS聯(lián)用來(lái)分析生物樣品中的生物胺。通過(guò)調(diào)整電動(dòng)增壓(EKS)與ESI-MS的方法參數(shù),獲得了最佳的分辨率、靈敏度以及與ESI-MS的相容性。用此方法對(duì)大鼠腦干和果蠅組織中的7種生物胺進(jìn)行靶向分析,16 min內(nèi)就實(shí)現(xiàn)了幾種神經(jīng)遞質(zhì)的基線(xiàn)分離。此外,通過(guò)樣品預(yù)處理也可實(shí)現(xiàn)透析液等高離子強(qiáng)度樣品的檢測(cè),這是將EKS與CE-ESI-MS/MS聯(lián)合使用來(lái)分析生物樣品的第一種方法。

CE-MS在細(xì)胞的定性和定量分析中具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。通過(guò)篩選細(xì)胞樣品中的產(chǎn)物并對(duì)其定性定量分析,可以預(yù)見(jiàn)生物反應(yīng)器的變化,為后續(xù)獲得其他產(chǎn)物的定性提供依據(jù)[45]。例如在生物制藥工業(yè)中,表征不同的變體,確定重組抗體的結(jié)構(gòu)異質(zhì)性,將有利于其功能性的發(fā)展[46]。

圖 4 微探針取樣與CE-ESI-MS聯(lián)用對(duì)雙離子代謝物進(jìn)行分析Fig. 4 Microprobe sampling combined with CE-ESI-MS for analysis of dual ion metabolitesReproduced from Ref. [47] with permission.

Portero等[47]將微探針與CE-ESI-MS聯(lián)用,對(duì)非洲爪蟾活胚的單細(xì)胞進(jìn)行陰陽(yáng)離子代謝物分析。用毛細(xì)管微采樣器從活細(xì)胞中收集細(xì)胞材料,提取其中的陰離子和陽(yáng)離子代謝產(chǎn)物并對(duì)其進(jìn)行CE-MS分析,原理見(jiàn)圖4。通過(guò)優(yōu)化背景電解質(zhì)提高痕量樣品分析的靈敏度,對(duì)陰陽(yáng)離子進(jìn)行雙重分析,更深入地覆蓋了代謝網(wǎng)絡(luò)。此方法可擴(kuò)展至更小的細(xì)胞或其他類(lèi)型的細(xì)胞和生物,為探究分子水平的細(xì)胞生物學(xué)奠定了基礎(chǔ)。

Van Mever等[48]開(kāi)發(fā)了一種用于分析哺乳動(dòng)物細(xì)胞中的陰離子代謝產(chǎn)物的無(wú)鞘CE-MS新界面。但在后續(xù)的研究中發(fā)現(xiàn),負(fù)離子分析模式下電暈放電可能會(huì)導(dǎo)致離子豐度降低和納米ESI針頭發(fā)射器壽命縮短。為解決這一問(wèn)題,該研究組通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì),在陽(yáng)離子模式下成功分析了哺乳動(dòng)物的酸性化合物(包括核苷酸)[49],完全規(guī)避了電暈放電,降低了檢出限,提高了檢測(cè)靈敏度,見(jiàn)圖5。

Sanchez-Lopez課題組[50]用無(wú)鞘CE-MS對(duì)不同階段多囊性腎臟的小鼠組織切片進(jìn)行了代謝物分析,其中包括肉堿、谷氨酰胺、肌酸、甜菜堿和肌酸酐等代謝物。這項(xiàng)研究通過(guò)小鼠模擬人類(lèi)疾病的發(fā)展變化,其高分離效率和低樣品消耗等優(yōu)勢(shì)為受限樣本在代謝分析和生物學(xué)中的研究提供了價(jià)值。

3 蛋白質(zhì)組學(xué)

臨床蛋白質(zhì)組學(xué)的一個(gè)主要目標(biāo)是改善疾病管理[51]。具有識(shí)別性的蛋白質(zhì)或多肽在疾病發(fā)展過(guò)程中是至關(guān)重要的[52],它可以提供治療的最佳機(jī)會(huì)。CE-MS可在檢測(cè)過(guò)程中發(fā)揮重要作用[53],不僅可以有效分離,還可以準(zhǔn)確確定結(jié)構(gòu),包括化合物的相對(duì)分子質(zhì)量、氨基酸序列、各種翻譯后的修飾或與其他化合物的相互作用等。蛋白質(zhì)或肽的生物標(biāo)志物組可以顯著提高診斷的靈敏度。因此CE-MS既可用于生物標(biāo)志物的鑒定,又可用于臨床診斷的評(píng)估。

圖 5 (a)陽(yáng)離子模式下的CE-MS酸性化合物代謝譜分析與(b)樣品預(yù)濃縮處理后核苷酸譜圖Fig. 5 (a) Metabolic analysis of CE-MS acidic compounds in cation mode and (b) nucleotide profile after sample preconcentrationReproduced from Ref. [49] with permission.

CE-MS在蛋白質(zhì)組學(xué)分析中的基本問(wèn)題包括譜帶展寬、分離效率差和數(shù)據(jù)重現(xiàn)性差等。多維分離技術(shù)[54]在復(fù)雜的樣品分析中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。Jooss等[55]將反相液相色譜法與毛細(xì)管區(qū)帶電泳-質(zhì)譜(CZE-MS)結(jié)合,開(kāi)發(fā)了一種新型的LC-CZE-MS裝置。通過(guò)反向液相色譜法分離模型蛋白后進(jìn)行CZE-MS分析以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同糖基化蛋白質(zhì)的細(xì)化分離,分析見(jiàn)圖6。與一維分析方法相比,這種方法改善了分離能力,有效降低了檢出限,有望解決其他各種分析難題。

圖 6 用納米LC-CZE-MS分析蛋白質(zhì)混合物Fig. 6 Analysis of protein mix by nano-LC-CZE-MS The mix contained RNase B (100 μg/mL), cytochrome c (80 μg/mL), lysozyme c (80 μg/mL), and myoglobin (50 μg/mL). First dimension (a): nano-LC chromatogram (214 nm detection wavelength) of the separation of different proteins. Second dimension (b): CZE-MS electropherogram obtained after a heart-cut of RNase B peak (transfer volume: 20 nL).Reproduced from Ref. [55] with permission.

Nyssen研究組[56]開(kāi)發(fā)出一種能夠分離甲狀旁腺激素(PTH)及其變體的無(wú)鞘CE-MS方法,并對(duì)這種蛋白質(zhì)的標(biāo)記物進(jìn)行了定量分析。通過(guò)EKS裝置對(duì)樣品進(jìn)行預(yù)濃縮,中性涂層毛細(xì)管、乙腈背景緩沖液來(lái)減少蛋白質(zhì)與內(nèi)壁的相互作用顯著提高了檢測(cè)靈敏度。這種無(wú)鞘CE-ESI-MS方法在低水平生物樣品的分析中具有明顯優(yōu)勢(shì)。

Bush等[57]用ESI無(wú)鞘接口與CZE-MS聯(lián)用,完整分析了重組人干擾素-β1(一種在單個(gè)N連接位點(diǎn)具有復(fù)雜糖基化作用的生物藥物)。使用交聯(lián)的聚乙烯亞胺涂層解決了不同形式異構(gòu)體的分離。將蛋白質(zhì)分離技術(shù)與酶處理技術(shù)結(jié)合,促進(jìn)了藥物蛋白質(zhì)的表征和分析[58]。

目前,診斷/監(jiān)測(cè)疾病的方法是采用成像技術(shù)和侵襲性組織活檢結(jié)合的方式。對(duì)于診斷性篩查,選擇容易獲得的體液(例如血清、血漿和尿液等)作為樣本進(jìn)行測(cè)試,可減少病人痛苦[59]。為了增加早期發(fā)現(xiàn)疾病的機(jī)會(huì),非侵入性篩查測(cè)試已被引入臨床實(shí)踐并與CE-MS應(yīng)用結(jié)合展現(xiàn)出良好的診斷潛力。

CE-MS結(jié)果中一種標(biāo)記物可能與多種疾病/并發(fā)癥的發(fā)展相關(guān)[60],這使預(yù)測(cè)、診斷和指導(dǎo)治療包含了更多的標(biāo)記物靶點(diǎn)。Belczacka課題組[61]對(duì)上千份癌癥患者及對(duì)照組的尿液進(jìn)行CE-MS分析,尋找可用于監(jiān)測(cè)實(shí)體瘤的尿液生物標(biāo)記物,從193種腫瘤特異性肽中選擇3種來(lái)鑒定其變化與癌癥發(fā)展的關(guān)系。纖維蛋白原衍生肽段水平升高與膀胱癌、腎細(xì)胞癌和胰腺癌相關(guān);髓過(guò)氧化物酶(MPO)衍生肽的降低與胰腺癌、膀胱癌和胃癌的發(fā)展有關(guān);黏蛋白肽(MUC16)的降低與胰腺癌、卵巢癌等癌癥相關(guān)。同樣地,對(duì)心臟疾病患者的尿液進(jìn)行研究,鑒定出包括膠原蛋白片段的103例差異蛋白[62]。CE-MS通過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)比獲得的共有標(biāo)記物為后續(xù)疾病的檢測(cè)和治療提供了新思路,可能成為最有潛力的分析方法。

Mischak等[63]研究了在藥物開(kāi)發(fā)和患者管理過(guò)程中應(yīng)用生物標(biāo)志物的作用,通過(guò)發(fā)現(xiàn)并發(fā)癥、促進(jìn)個(gè)性化藥物治療有效減少了患者的醫(yī)療成本,凸顯了CE-MS在疾病診斷、分層治療和藥物開(kāi)發(fā)分析中的優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié)論

在過(guò)去幾年中,大量研究證明了CE-MS在代謝組學(xué)/蛋白質(zhì)組學(xué)中的實(shí)用性。但是缺乏標(biāo)準(zhǔn)的操作程序給數(shù)據(jù)的重復(fù)性研究造成諸多不便,在使用基于電泳遷移率的文庫(kù)時(shí),有效的電泳遷移率對(duì)鑒定生物樣品中的代謝物具有很高的價(jià)值。當(dāng)前,組學(xué)分析的主要瓶頸是鑒定那些在公共數(shù)據(jù)庫(kù)中沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)信息,但卻具有生物學(xué)/臨床研究意義的未知代謝物。因此,CE與MS耦合技術(shù)仍被科學(xué)界視為挑戰(zhàn)。為了獲得好的分析結(jié)果,未來(lái)CE-MS分析檢測(cè)應(yīng)朝以下3個(gè)方面發(fā)展:i)適當(dāng)?shù)臉悠分苽浜头蛛x技術(shù),以降低檢出限、提高靈敏度;ii)開(kāi)發(fā)合適的毛細(xì)管涂層和CE-MS接口技術(shù),以確保分析的重現(xiàn)性和穩(wěn)定性;iii)優(yōu)化的臨床研究和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),以提高臨床相關(guān)結(jié)果的準(zhǔn)確性。