文章来源:小桔灯网 作者:班木芙兰

相对于传统诊断市场而言,IVD细分领域质谱检测技术因其高灵敏性、高特异性的优势深深扎根于现在医疗精准诊疗的体系中,待NMPA对LDT监管的放松和鼓励创新,质谱技术诊断市场无疑有着巨大的想象与发展空间。

现代医学的进步、医疗水平的提高、治疗技术和药物研发力度不断增强的同时,现在医学检测技术的突飞猛进成为它们越发依赖的医疗手段。众所周知,IVD诊断技术的发展集合生物学、化学、电子学、机械学等多学科交叉的技术发展。随着不同领域医学检测技术发展,新型诊断技术也在更新迭代,精准诊疗崛起成为个性化医疗坚石,质谱技术与基因测序技术成为实现精准诊疗之“精”,在技术上更加瞄准病患的深度特征,利用自身独特的质谱技术为现代医疗精准诊疗持续赋能。

质谱技术是建立在原子、分子电离以及离子光学理论基础之上的应用技术,通过质谱分析可以获得无机、有机和生物分子的分子量和分子结构,能对多种复杂混合物的各种成分进行定量或者定性分析。质谱的作用主要是通过电离化合物生成带电分子或分子碎片并测量其质荷比。

早期质谱技术主要用于同位素测定和无机元素分析。随着技术的进步,其应用涵盖了石油工业、化学工业以及有机物分析等领域。在20世纪60年代时,气相色谱联合质谱模式的出现使得质谱技术首次进入生物医学领域。其后,电喷雾和激光辅助解析等“软离子”的技术发展,让生物大分子转化为气相离子,对蛋白质、酶、核酸等大分子成功进行检测,极大拓宽了质谱技术在生物医学中的应用。值得一提的是,大气压电力技术的成功研发与日趋突破,液相色谱—质谱(LC-MS/MS)以高灵敏度、高分辨率、高准确性的特点,饱受临床机构与科研院所青睐。

当前,质谱作为诊断领域高端、新型的技术一度被认为是IVD下一个“基因测序技术”(质谱与基因测序技术在临床转化、发展前景、产业链方面有诸多相似之处)具有很大的市场空间平台技术,举例来说:2019年质谱技术在制药和生物技术应用领域占据了最大的市场份额。接下来,随着政策的推动、技术的共享与创新质谱技术将成为医疗与生命科技行业再次关注的焦点,可以说,质谱技术正在引爆体外诊断行业下一波“技术热”“市场热”。

超300亿元!质谱市场需求爆发,群雄激战将至!

质谱分析法主要是通过对样品离子质荷比(M/Z)的分析而实现对样品进行定性和定量的一种方法,由进样系统、离子源、质量分析器、检测器、真空系统和数据系统组成。离子源、质量分析器以及检测器为质谱核心部件,其中离子源几乎决定了质谱的灵敏度。生物质谱常用的离子源为ESI和MALDI。通过质谱分析,可以获得分析样品的分子量、分子式、分子中同位素构成和分子结构等多方面的信息。

相较西方国家而言,质谱技术在我国应用的时间略有“姗姗来迟“之意,美国、德国等将质谱技术运用在临床诊断已有10几年的时间,发展得以相当成熟。比如全球ICL巨头Quest和Labcorp运营的检测数量接近5000项,其中基于质谱的检验项目就多达400多项(其中包括药物、维生素、内分泌、新生儿代谢疾病、毒理分析、以及微生物等几大模块),装机质谱检测仪器上百余台。

我国质谱技术起步较晚,早期应用于科研机构,后随着制药的发展,质谱技术被广泛应用于新药研发,接着是食品,环境及临床应用领域。目前,质谱技术在国内临床领域的发展输处于高速阶段。

质谱技术在生物医学领域“火爆”的真正核心还是在于临床医疗机构对其的迫切需求。当前,我国质谱技术核心应用在新生儿筛查,药物代谢测试、维生素D检测、微生物鉴定、毒理学等领域。相比传统检测来说,质谱技术具有检测的灵敏度、特异性、分析速度、多指标同时检测方面优点,尤其是对于小分子化合物生化指标,质谱对精准检测有绝对的优势。

值得一提的是,国外质谱技术发展成熟,仪器制造寡头垄断。美国和日本是质谱仪新技术的主要来源国,在技术创新领域居于主导地位,实力雄厚。由于核心专利、制造业工艺等原因,临床用质谱仪短期生产端仍以进口品牌为主,国产化率不足2%。

从技术的方面相较而言,我国在质谱检测试剂盒的研发优势大于质谱仪设备。国内质谱仪自主生产公司主要有北京东西分析(四级杆气质联用仪GCMS-3100,国内第一台商业化质谱仪)、安图生物(Autof msl1000 )、山东英盛(YS EXT 9900)、天瑞仪器(Mars-400 Plus便携式气相色谱-质谱联用仪)等等。

临床对质谱诊断项目的需求

➩ 新生儿遗传代谢病筛查

中国人口缺陷数据报告显示:我国每年约有20-30万肉眼可见的先天畸形儿出生,加上出生后数月和数年才显现出来的缺陷,先天残疾儿童总数高达80-120万,约占每年出生人口总数的4%-6%。遗传性代谢疾病多数患儿于婴幼儿期发病,进行性加重,逐渐出现发育落后、惊厥、肝功能损害等症状,部分患儿起病急、病情重,可出现惊厥、呕吐、酸中毒等异常;也有少数疾病,可于学龄前后起病,进展较为缓慢。由于这类疾病没有特别的临床表现,家长容易忽视,同时由于病例少见,医生容易误诊或难以确诊。但是一旦出现异常症状,孩子身体和智力的损害已不可逆转。

新生儿筛查技术包括串联质谱、血氧测定法、酶水平测定、DNA分析和电泳。其中,市场分析显示串联质谱是新生儿筛查市场份额最大的技术领域,年复合增长率为11.1%。串联质谱主要通过对数十种小分子的分析,筛查出包括氨基酸代谢异常、有机酸代谢紊乱和脂肪酸氧化缺陷在内的48种遗传代谢病(而传统新生儿疾病筛查方法仅能检测出其中的1种),大大提高了筛查效率,实现了有“一种实验检测一种疾病”到“一种实验检测多种疾病”的转变。

图源:网络

直白说,新生儿先天性疾病病例的增加以及新生儿筛查需求的日益增长推动了整个质谱市场的发展,同时,近年来政府也在针对新生儿筛查类(如苯丙酮尿症(PKU)、半乳糖血症(GS)、先天性甲状腺功能衰退(CH)、新生儿听力障碍等)的诊断下拨大批资金,从政策层面再次推动了质谱技术在新生儿筛查市场的下沉延展。

目前国内新筛检测获证产品主要有华大生物的氨基酸和肉碱检测试剂盒 (液相色谱-串联质谱法)、珀金埃尔默的第二代串联质谱试剂盒(NeoBase2)和 NeoLSD 试剂盒、山东质谱生物科技有限公司的(NBSbase® 琥珀酰丙酮和多种氨基酸、肉碱测定试剂盒(串联质谱法))等一批优质产品(篇幅有限,小编不在此过多列举,如有需要的小伙伴,可在下方留言自己的产品)

➩ 维生素D检测

质谱法是维生素D检测的金标准,维生素D是重要健康指标,国内检测尚未全面普及。维生素D是类固醇衍生物,又可细分为维生素D2和维生素D3,在人体内通过促进肠道内钙磷吸收、提高肾小管对钙磷吸收增加血钙浓度,并在血钙过低时,配合甲状旁腺素(parathyroid hormone,PTH)促进钙磷从骨骼中释放。25-羟基维生素是维生素D的主要代谢形式,半衰期长,且结构稳定,测定血清中25OHD的含量是评价人体中维生素D的最佳指标。25OHD包括25OHD2和25OHD3。

25OHD的检测方法较多,主要包括HPLC、LC-MS/MS;酶联免疫、化学发光法等,但是在放免检测中由于污染化高、自动化低的缺陷,几乎已被淘汰。目前,临床主要采用化学发光分析法和质谱法,其中串联质谱法能同事准确测定25OHD2和25OHD3的浓度,被公认为是25OHD检测的金标准。通过该方法测定的指标有希望成为临床上的一个重要指标, 用于评估心血管疾病、孕妇产前常规检测、高血压、肿瘤糖尿病等疾病风险, 尤其在疾病的前期诊断和预防上有重要意义。

目前国内获得维生素D检测试剂盒产品有:迪安诊断旗下迪赛思诊断推出25-羟基维生素D检测盒、山东质谱生物科技有限公司25-羟基维生素D检测试剂(液相色谱-串联质谱法)等一批优质产品。

今年5月,国家卫健委发布《人群维生素D缺乏筛查方法》针对维生素检测方法做出了明确指示:标准中规定的检测方法有液质联用法、化学发光免疫法、酶联免疫法三种。针对液质联用法,方案中详细规定了标本的采集、血清与血浆的保存,以及液质联用法的试剂使用、仪器设备的要求、前处理操作、质谱与液相的参数设置和精密度、准确度的要求等。

➩ 微生物核酸质谱

众所周知,基因检测在遗传性、感染性及肿瘤等疾病的辅助诊断、用药指导等方面起到举足轻重的作用。该领域检测方法众多,不同技术的优势及不足明显。

例如:荧光定量PCR检测速度快,但是通量有限,无法方便快捷地满足临床对于多基因的数十个至数百个位点检测的需求,而高通量测序虽然通量极高,但其成本、耗时、人员需求等也不适用于此类检测。因此,基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱(MALDI-TOF MS)的填补了核酸检测出现的一定空白

MALDI-TOF MS采用的是样品与基质混合进样,激光解吸方式电离以及飞行时间方法进行质量分析。目前仪器灵敏度达到500 fmol,采用标准样品牛血清白蛋白(BSA)进行测定,分辨率达到50以上。

MALDI-TOF MS突破了以往质谱仅诊断小分子物质的检测,让核酸、蛋白质等生物大分子开始进入质谱研究领域,从基质,靶板、仪器参数设置、原始数据处理及结果呈现方式等多方面进行专门优化的质谱平台,极大推动了基因组学、蛋白组学的发展。

MALDI-TOF-MS能大大缩短鉴定时间,临床往往因为细菌培养的耗时较长,医生在获得实验室报告前已经采取抗菌药物治疗,一定程度上造成了抗菌药物的滥用;另外质谱检测范围也从原本数百种细菌扩大到2000+种细菌。目前核酸质谱的应用方向大致为四种,即单核苷酸多态性检测、基因突变检测、DNA甲基化检测和基因拷贝数鉴定。

目前,我国临床适应质谱技术检测方法并未全面下沉普及,医疗机构场景使用还仍处于起步阶段,一定体量的ICL与市级大三甲医院开展了质谱手段检测项目,主要还是集中在新筛、维生素D、药物浓度检测、微生物检测等领域。随着新冠带来的巨大冲击,我国正在相关检测领域的加以完善,质谱技术诊断量必将大幅度提升,医生、诊断市场(积极拥抱新技术、新平台)对质谱技术的认知会达到前所未有的高度。

未来精准医疗还将面对多层挑战,最尖锐的问题还是相关设备(基因测序设备、质谱仪设备)与前沿技术依赖进口,如何提升质谱仪自主创新生产,如何完善国家顶层设计合理统筹是破题国产瓶颈的核心方法。

质谱技术主要平台

➩ HPLC:高压/高速液相色谱

应用领域:小分子定量分析,可以分离和检测溶解在溶液中的微量物质

➩LC-MS:液相色谱串联质谱

应用领域:挥发性化合物检测,尿液有机酸分析

➩ LC-MS-MS:液相二级质谱,是将经过第一次质谱检测的离子以某种方式碎裂后再进行质谱检测,LC-MS更精密一些。是临床检测的主要应用机型

➩ GC-MS:气相色谱和质谱联用,GC分离,MS检测,LC-MS是液质联用,LC是分离,MS是检测

➩ MALDI-TOF MS:基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱

应用领域:检测和鉴定氨基酸、多肽、蛋白、核苷酸和脂肪酸等生命体组成成分和代谢产物,其特点是检测速度快、通量高、成本低

➩ ICP-MS :电感耦合等离子体质谱

应用领域:主要用来测人体内微量元素含量,从而做一些职业病的诊断。手持式MS是相对较新的技术

(质谱仪主要类型)

LDT静待打开巨大质谱诊断市场!

质谱的渠道市场比较特殊,主要还是以直接面对临床医生为主,并不像传统生化免疫市场渠道频发与检验科沟通。国内质谱技术的推广渠道和应用场景主要集中在ICL(第三方医学实验室)与LDT(临床自建项目实验室)。

ICL规模化后具备采购昂贵设备能力,且通过连锁实验室实现样本的规模化;LDT则使得质谱的临床检测更加多元化,丰富检测项目。

现来看一下美国对临床质谱技术的使用:美国保持有效监管和鼓励创新的态度对质谱主要采用ICL与LDT模式,只要有美国临床实验室的执照,质谱技术研发的诊断产品和提供的配套服务就可以合理进入临床机构,并执行收费,目前这种方式极大促进了美国质谱技术在临床中的快速发展。

另外,在中国香港,质谱技术的临床应用相比大陆开放一些,由于LDT项目的开放,临床质谱技术得到了很好的发展。质谱技术的高准确度、高灵敏度、高特异性以及低成本等特点,促使了香港很多检验机构已经用质谱技术完全替代了放射免疫技术,使用质谱技术用于临床检测服务。

目前,国内临床质谱技术发展已有十余年时间,ICL也已初具规模,当前ICL是质谱技术应用的成熟场景,但是在LDT模式下,由于我国对LDT模式的监管缺失,应用广度和深度不及日本、美国等质谱技术先进的国家。

什么是LDT(临床实验室自建)

实验室自建检测方法(LDT)是指实验室自行研发、 验证和使用的体外诊断(IVD)检测方法,仅在实验室内 部使用,不作为商品出售给其他实验室、医院及个人。LDT的开展不需要通过药品监管部门的批准。近年来, 随着检测技术水平的快速发展,在基于分子和基因层面 的个体化医疗和精准医疗兴起的背景下,下一代测序、 液质联用技术、流式细胞技术等已在临床广泛应用。

目前,体外诊断产品主要有2种途径服务患者:

产品经过药监局审批注册,进而提供给医疗机构供患者使用直接服务终端(ICL和LDT):LDT是经过认证的实验室自行研发、验证、生产并只在实验室内部使用的模式

LDT的兴起一定程度上适应精准医学检测的发展。转化医学和个体化医学逐步成为现代精准医学的动力,临床实验室自建项目LDT以分子、基因、蛋白组学技术为基础,为部分高端技术从实验室走向临床应用提供可能。

相对于美国比较成熟的质谱场,国内尚未完善有关LDT机制,临床质谱还是聚焦在相对成熟的市场(新筛、维生素D检测等),很多新技术、新平台尚未形成完整的商业化路径,停留在科研领域,未大面积普及临床机构。

未来,我们需要持续关注政策对LDT的开放态度与物价部门的标准衡量,但是质谱技术因其独特的检测优势必将会打开更广阔的的检测空间,进而推动个体化医学和精准医学的临床应用和发展。

写在最后

随着诊断市场“精、准”技术的要求增高,检测项目多元化的需求激增,政府部门将逐步合理开放质谱技术应用场景,资本市场将会越来越关注质谱这一高端检测领域。

未来IVD这个大市场,将呈现以“新技术、高精确性、高通量”为主的激烈角逐!

参考文献:

实验室与分析:质谱技术在检验医学领域的发展现状与未来展望

中华医学杂志, 2018,98(12) : 895-900.

我国临床实验室自建检测方法管理优化及对策建议

(聊城荣恒医疗器械有限公司)