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发现、验证疾病标志物，用于更精准的疾病早期诊断、肿瘤良恶性判断、疾病治疗与预后检测

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中心法则告诉我们，基因水平信息反映的是疾病发生 的概率（即可能性），而蛋白质、代谢物作为生命活 动的最终执行者，其状态的改变更为直接地反映了疾 病的发生、发展状况。事实上，大部分的疾病标志物 都是蛋白质或代谢物，相比于基因来说，蛋白质及代 谢物更适合作为一种动态指标，精准地发现与诊断疾 病（图1）。但是目前，疾病标志物，尤其是肿瘤标 志物单一、特异性差、灵敏度低的现实，让疾病，尤 其是癌症，成为悬在每个人头顶上的达摩克利斯之剑， 时刻威胁着人们的生命健康。

疾病标志物从发现到应用分为三个阶段：高通量发现 （小规模样本中发现大量潜在标志物）、到初步验证（中 等规模样本验证出较为可靠的标志物）、再到大规模 确证（大规模样本确证获得最可靠的标志物）并临床 应用。Orbitrap 超高分辨质谱是疾病标志物从发现到 应用全流程的有效工具和必由之路（图2）。



图1. 中心法则与疾病标志物


图2. 基于Orbitrap 的疾病标志物从发现到确证全流程

疾病标志物发现及应用

案例：抗菌事业新突破，感染致病菌标志物规模化发现及应用

抗生素耐药作为世界性医疗问题，其致死率正在逐年攀升，越来越受到广大医疗工作者的关注，作为该问题的主要原因——抗生素耐用问题，更是被国际组织定义为下一个国际医疗挑战。

传统的免疫/ 生物化学检测方法需要耗费超过100 小时病菌培养和检测时间，而基于MALDI-TOF 质谱平台检测方案，虽然减少质谱检测时间，但是仍然解决不了需要针对致病菌培养的耗时问题，往往也需要超过24 小时检测时间。

方法1 蛋白质组学技术+AI 算法

方法1 蛋白质组学技术+AI 算法

图注：基于TSQ Alits 的临床微生物鉴定

本研究采用Orbitrap 超高分辨质谱仪方法，结合DIA 采集模式以及机器学习模型，对接种致病菌的尿液样本进行鉴定，确定每种 菌特异的标志肽段。然后利用这些标志肽段在组成未知的尿液样本中进行靶向蛋白质组学鉴定致病菌。通过这种方法，共建立了 15 种尿道感染致病菌的肽段标志物。这15 种致病菌覆盖了84% 以上的尿道感染病例，是最常见的几种致病菌。利用赛默飞质谱 同平台互通优势，迅速将PRM 的特征肽段结果转化到三重四极杆质谱（TSQ Alits）用于临床微生物鉴定。根据肽段标志物的种类 和丰度，可以在4 小时之内实现对尿液样本的快速鉴定，判断其致病菌的类型。

方法2 代谢组学技术

研究者利用赛默飞Orbitrap 高分辨平台进行代谢组学分析，对血液样本中不同类型的菌群代谢物做了差异分析，很好地完成了分群鉴定，并且随后做了耐药性分析，结果显示菌群代谢物对药物具有极高的敏感度，随后对775 个样本进行了验证，该方法比现有手段节约60% 的时间，从而大幅度降低感染病人的死亡风险。

方法1 蛋白质组学技术+AI 算法

方法1 蛋白质组学技术+AI 算法

方法1 蛋白质组学技术+AI 算法

图注：基于TSQ Alits 的临床微生物鉴定

本研究采用Orbitrap 超高分辨质谱仪方法，结合DIA 采集模式以及机器学习模型，对接种致病菌的尿液样本进行鉴定，确定每种 菌特异的标志肽段。然后利用这些标志肽段在组成未知的尿液样本中进行靶向蛋白质组学鉴定致病菌。通过这种方法，共建立了 15 种尿道感染致病菌的肽段标志物。这15 种致病菌覆盖了84% 以上的尿道感染病例，是最常见的几种致病菌。利用赛默飞质谱 同平台互通优势，迅速将PRM 的特征肽段结果转化到三重四极杆质谱（TSQ Alits）用于临床微生物鉴定。根据肽段标志物的种类 和丰度，可以在4 小时之内实现对尿液样本的快速鉴定，判断其致病菌的类型。

方法2 代谢组学技术

方法2 代谢组学技术

研究者利用赛默飞Orbitrap 高分辨平台进行代谢组学分析，对血液样本中不同类型的菌群代谢物做了差异分析，很好地完成了分群鉴定，并且随后做了耐药性分析，结果显示菌群代谢物对药物具有极高的敏感度，随后对775 个样本进行了验证，该方法比现有手段节约60% 的时间，从而大幅度降低感染病人的死亡风险。

疾病标志物液体活检

1  3 个小时从采血到出报告

蛋白质组真正用于临床检测需要从样本 前处理到获得结果的一整套简单、快速 的分析流程。基于Orbitrap 开发出的临 床蛋白质组检测流程，从指尖采血、到 大规模自动化的样品前处理、到30 分钟 的快速质谱分析、再到高通量数据处理 并最终获得报告，全程只需要3 个小时， 能获得300 多种蛋白的定量结果，其中 包含近50 种FDA 批准的疾病标志物。

2  “质谱笔“快速肿瘤组织定位

蛋白质组真正用于临床检测需要从样本 前处理到获得结果的一整套简单、快速 的分析流程。基于Orbitrap 开发出的临 床蛋白质组检测流程，从指尖采血、到 大规模自动化的样品前处理、到30 分钟 的快速质谱分析、再到高通量数据处理 并最终获得报告，全程只需要3 个小时， 能获得300 多种蛋白的定量结果，其中 包含近50 种FDA 批准的疾病标志物。

组织病理学诊断的传统方法是劳动和时间密集型的，可能延迟诊断和治疗过程中的决策。本研究开发一种用于快速和非破坏性诊 断人类癌症组织的自动化和生物相容性手持质谱设备的发展——“MasSpec Pen“，能够控制并自动将离散的水滴输送到组织表面， 从而有效提取生物分子。

利用MasSpec Pen 对20 个人类癌症组织切片和253 个人类患者组织样本进行体外分子分析，其中包括来自乳腺、肺、甲状腺和 卵巢的正常组织和癌组织。获得的多种潜在的癌症生物标志物，如代谢物、脂质和蛋白质。统计分析表明该方案可以达到高灵敏 度(96.4%) 的癌症预测，特异性(96.2%)，准确性(96.3%)，以及预测良性和恶性甲状腺肿瘤和肺癌的不同组织学亚型。值得注意的是， 装置可以准确诊断肿瘤边缘区混合的组织学成分。最后，证明MasSpec Pen 适用于在体内进行肿瘤小鼠模型手术时的癌症诊断， 不会对动物造成任何可见的组织损伤或压力。研究结果证明，MasSpec Pen 有可能作为一种临床和术中技术用于体内外癌症诊断。

3  呼吸之间，疾病防控早发现

常见的疾病筛查方案有静脉血、B 超、胸片、刮片、侵入性活 检等手段，也会对患者自身带来不同程度的痛苦和伤害，欠缺 疾病的预警机制。 通过对呼吸气中不同病灶代谢产生的生物标志物进行筛查，实 现无创伤无痛苦的检测，凭借一口呼气，即可实现对多种疾病 进行预警。 气相质谱分析手段具有延展性强，应用范围广阔的特性，可对 生物标记物无偏向性检出，与传统的诊断技术相较，更具灵敏 性，结果更具特异性及准确性的优势。

 

英国癌症研究院利用如上的全流程分析平台从肺癌患者 的呼吸气中寻找潜在的生物标记物，开始了他们的临床 研究。利用热脱附-GC-Orbitrap/MS 分析平台，从上千 个色谱峰中，寻找潜在的生物标记物，并实现其准确的 定性与定量分析。研究发现，2,5- 二甲基呋喃化合物在 呼吸气中的含量与吸烟行为有极高的相关性。

3 个小时从采血到出报告

1  3 个小时从采血到出报告

蛋白质组真正用于临床检测需要从样本 前处理到获得结果的一整套简单、快速 的分析流程。基于Orbitrap 开发出的临 床蛋白质组检测流程，从指尖采血、到 大规模自动化的样品前处理、到30 分钟 的快速质谱分析、再到高通量数据处理 并最终获得报告，全程只需要3 个小时， 能获得300 多种蛋白的定量结果，其中 包含近50 种FDA 批准的疾病标志物。
“质谱笔“快速肿瘤组织定位

2  “质谱笔“快速肿瘤组织定位

蛋白质组真正用于临床检测需要从样本 前处理到获得结果的一整套简单、快速 的分析流程。基于Orbitrap 开发出的临 床蛋白质组检测流程，从指尖采血、到 大规模自动化的样品前处理、到30 分钟 的快速质谱分析、再到高通量数据处理 并最终获得报告，全程只需要3 个小时， 能获得300 多种蛋白的定量结果，其中 包含近50 种FDA 批准的疾病标志物。

组织病理学诊断的传统方法是劳动和时间密集型的，可能延迟诊断和治疗过程中的决策。本研究开发一种用于快速和非破坏性诊 断人类癌症组织的自动化和生物相容性手持质谱设备的发展——“MasSpec Pen“，能够控制并自动将离散的水滴输送到组织表面， 从而有效提取生物分子。

利用MasSpec Pen 对20 个人类癌症组织切片和253 个人类患者组织样本进行体外分子分析，其中包括来自乳腺、肺、甲状腺和 卵巢的正常组织和癌组织。获得的多种潜在的癌症生物标志物，如代谢物、脂质和蛋白质。统计分析表明该方案可以达到高灵敏 度(96.4%) 的癌症预测，特异性(96.2%)，准确性(96.3%)，以及预测良性和恶性甲状腺肿瘤和肺癌的不同组织学亚型。值得注意的是， 装置可以准确诊断肿瘤边缘区混合的组织学成分。最后，证明MasSpec Pen 适用于在体内进行肿瘤小鼠模型手术时的癌症诊断， 不会对动物造成任何可见的组织损伤或压力。研究结果证明，MasSpec Pen 有可能作为一种临床和术中技术用于体内外癌症诊断。

呼吸之间，疾病防控早发现

3  呼吸之间，疾病防控早发现

常见的疾病筛查方案有静脉血、B 超、胸片、刮片、侵入性活 检等手段，也会对患者自身带来不同程度的痛苦和伤害，欠缺 疾病的预警机制。 通过对呼吸气中不同病灶代谢产生的生物标志物进行筛查，实 现无创伤无痛苦的检测，凭借一口呼气，即可实现对多种疾病 进行预警。 气相质谱分析手段具有延展性强，应用范围广阔的特性，可对 生物标记物无偏向性检出，与传统的诊断技术相较，更具灵敏 性，结果更具特异性及准确性的优势。

 

英国癌症研究院利用如上的全流程分析平台从肺癌患者 的呼吸气中寻找潜在的生物标记物，开始了他们的临床 研究。利用热脱附-GC-Orbitrap/MS 分析平台，从上千 个色谱峰中，寻找潜在的生物标记物，并实现其准确的 定性与定量分析。研究发现，2,5- 二甲基呋喃化合物在 呼吸气中的含量与吸烟行为有极高的相关性。

赛默飞Orbitrap 技术

助力疾病标志物发现到临床应用全过程

网络讲座视频

蛋白质组学向临床诊断的转化
Dr. Eleftherios P. Diamandis, MD, PhD, FRCP(C) with Mount Sinai Hospital, Dept. of Pathology & Laboratory Medicine & the Lunefel-Tanenbaum Research Institute

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外泌体蛋白质组：HTLV-1病毒的白血病致病机理与标志物研究
Dr. Sucharita Dutta, Senior Research Associate at the Eastern Virginia Medical School
 

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生命科学质谱在精准医疗中的应用
唐家澍 博士，应用工程师，生命科学质谱，赛默飞世尔科技

 
 

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