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一、背景
尽管在过去的短短几十年里，我们在科学、医疗和技术上取得的成绩是令人鼓舞的，但是肿瘤依然是主要的死因，这很大程度上是因为大多数的肿瘤病人被诊断时已经是疾病发展阶段了。大量的证据表明，在很多肿瘤病例中，早期诊断与改善的生存率相关。质谱分析仪(MS)可能通过促进标志物的发现、产生作为肿瘤信号的蛋白组谱、建立组织影像以及将标志物的水平量化来改革肿瘤诊断。本文总结了应用于肿瘤诊断的MS的原理，以及对这种技术在临床操作中使用的一些推荐，这些都基于目前所发表的证据和专家的意见。主要关注基质辅助激光解析电离(MALDI)以及相关的MS技术，例如用于蛋白组分析的表面增强激光解析电离(SELDI)。
二、诊断性质谱分析仪的原理
典型的质谱分析仪包括一个离子源、一台测量离子分析物质荷比(m/z)的质谱仪、及一个记录每m/z值中离子数量的探测器。目前有两种利用MALDI/SELDI-TOF MS发现标志物的方法。一种方法利用的是患病标本和对照标本之间MS谱的差异来生成一个诊断模型。这种方法的一个变异是挑选几个明显有差别的峰点，并且确定这些蛋白质/肽段的峰点性质。诊断是基于多重免疫MS或者ELISA的。另一种方法是通过酶法（通常是胰蛋白酶）把蛋白降解成肽段，通过技术来分离这些肽段，例如高效液相色谱法(HPLC)，并且将洗提的部分加入到一个离子源（电喷射离子化(ESI)或者MALDI）中，在这里这些部分转化为离子，然后进入到通过各种方法来识别组成质谱的蛋白质片段和母蛋白的质谱仪中。
质谱测量是在离子化成分的气相中进行的。将蛋白质或肽段挥发并且离子化的两种常见技术是ESI和MALDI。后者也可能是SELDI(Ciphergen，蛋白芯片)。质谱仪根据其质荷比(m/z)将离子成分分离。在蛋白组研究领域中四种基本的质谱仪是：离子阱、时间飞行(TOF)、四级杆和傅里叶变换离子回旋共振(FT-ICR)，第五种可能的类型是新的轨道阱(Orbitrap)质谱分析仪（美国热电集团）。这些基本的类型可能在混合仪器中有不同的组合。
蛋白识别可以通过肽段质量指纹识别或者肽段测序来实现。前者利用合适的软件将肽段的质量与数据库中所列出的蛋白质谱相比较。肽段测序是在诱导相邻的氨基酸残基之间的肽键的随机断裂的基础上进行的，利用的是诸如碰撞诱导分离(CID)等方法。生成的离子系列通过软件进行分析，来测定氨基酸的序列。
三、质谱分析仪在肿瘤诊断中的应用
MS已经用于肿瘤的各个方面了，包括诊断、预后和管理，生物标志物的发现，诊断性组织影像，与疾病机理相关的生物学研究。
MS是特别适合作为肿瘤诊断或者发现生物标志物的一个工具。我们知道，当肿瘤发展时，肿瘤细胞核（或）周围的微环境会产生与正常细胞不同的类型和浓度的蛋白和肽段。这些异常的组织分布可以通过基于影像的MS与对照谱相比较来识别那些可能在临床上有用的肿瘤特异性改变。当渗透液从肿瘤主体的微环境中到达循环系统中时，则可以在血液中检测到多重肿瘤特异性分析物。这样为更为广泛的临床效用和更为方便的检测提供了机会。见图1。
通过MS来识别血液中肿瘤特异性蛋白谱的方法已被几个观察证明，包括Vlahou等对膀胱癌的观察，Li等对乳腺癌的观察，Petricoin和Rai等对卵巢癌的观察，以及Adam对前列腺癌的观察等。随后，很多其他的观察利用相似的方法来识别许多其他类型的肿瘤的多重标志物和信息谱。尽管其他诸如乳头抽吸液和经过处理的介质也是有价值的生物标志物发现的来源，但是血液和尿液是经常被研究的最容易获取并且对诊断有用的体液。
在发表的大多数文章中，由MALDI-TOF MS产生的谱都展示出了相比于目前所建立的肿瘤标志物而言的更好的诊断灵敏度和特异性。因此，MALDI-TOF MS方法受到了广泛的宣传，因为它们具有改革早期肿瘤诊断、分亚类、预后、预测治疗反应的前景。但是，这种起初的热情受到了几个平行报告的打击，这些报告发现了这种方法潜在的问题及其临床可靠性问题。这些问题与那些在基因转录谱群组中所遇到的问题相似。将来的确认研究将会检测这种方法是否适合在临床应用。
图1 肿瘤分泌特异性生物标志物至血液循环中。肿瘤特异性蛋白可能由肿瘤细胞主动分泌或者因这些细胞的坏死和凋亡释放到循环系统中。这两种情况都会导致血清蛋白谱的改变。在比较正常和患病样品的血清时，我们可以发现这种改变会导致相对可检测的差异和（或）独特的信号强度。
四、基于MALDI-TOF MS的谱法在肿瘤诊断中的优势及局限性
在MALDI-TOF谱法成功地从研究技术转变为临床诊断性工具之前，我们必须要明白和控制分析前、分析中和分析后的变异来源。例如，必须要清楚样品储存和加工、样品类型、患者选择以及人口统计学变量（性别、年龄）对检验结果的影响。分析性能必须要改进到灵敏度、特异度和动态范围可以与目前建立的技术，例如ELISA相比较的程度相比的水平。不同批次的芯片（利用SELDI-TOF的时候）、不同的分析物、不同的地点和不同的仪器的蛋白谱的重现性都还需要调查。总的说来，我们需要考虑这种方法的稳健性，还有与生物信息学人工制品相关的问题、度拟合的数据和实验设计中的偏倚。但是，很多这种问题与大量的并非用作比较的公共可得的质谱数据的不恰当分析相关。最近，很多调查者已经展示了获得质谱特征的重现性成功，包括对诊断很重要的特征，这些事在多中心的不同时间采用不同仪器来进行的调查。对于那些试图采用MALDI-TOF方法来做蛋白指纹识别相关诊断的人而言，这是一个很积极的结果。
最近发表的几篇综述更为全面地强调了MALDI-TOF目前所存在的局限性和前景，尤其当其用于临床实践和肿瘤诊断中时。
五、关键点：质谱分析仪
尽管有很多发表的文献都描述了MALDI-TOF作为诊断工具时令人印象深刻的结果（见表1），但是正如Hayes等人所描述的，这些文献的证据水平仅为Ⅳ-Ⅴ级（来自于回顾性或者小型的预研究的证据，这些研究估计标志物水平在样本群体中分布。）根据Pepe等人制定的标准，这种技术作为生物标志物工具的发展阶段是Ⅰ阶段（临床前的探索研究）。基于这个信息，我们得到了如表2所示的推荐。毫无疑问，MALDI-TOF方法是生物标志物发现和确认的有前景的方法。当患者标本的直接谱型应用于临床诊断时，本文中所讨论的问题是必须要解决的。蛋白组谱的优势包括不需要一个标志分子即可进行分析、潜在的高特异性、多参数分析、高通量、极少的样品量要求以及与计算机算法直接相接。目前用于MS谱型工作的MALDI-TOF技术的主要缺陷包括产生的信号在穿越平板时的可靠性，在样品处理和加工中的细小变化对最终谱型组成的巨大影响，以及分析灵敏度，尤其是当分析物是在含有大量复杂的混合物中的一小部分时。但是，特定的MALDI-TOF方法中具有固有的优势。例如，在MALDI-TOF分析之前加入免疫分离便可以消除第二抗体并且诊断出诸如蛋白质异构体之类的多重衍生物。除此之外，那些激动人心的新研究已经表明了很多低充量和低分子量的分析物以结合形式存在于血清中，并且可以通过隔离方法的运输蛋白来有效地扩增。这些低分子量的分析物似乎支持很多过去的指纹谱型，这表明这些离子可以从低充量分析物中产生。最近提供了一份与早期卵巢癌患者相关的低分子量运输蛋白结合分析物的清单，而且这个理论在另一个独立的与老年痴呆症诊断相关的研究中得到了证实。在该研究中，高分辨率的老年痴呆症样品的MALDI-TOF血清蛋白组谱展示了疾病特异的与运输蛋白结合的物质的信号。这些最近的研究，以及最近发表的描述了循环蛋白组的缩短的或片段的蛋白（片段组）其他文章，表明了MALDI-TOF方法可能测量疾病特异的、比以前所想的低充量的并且新颖的分析物。
表1 用于肿瘤诊断和影像学的质谱分析仪
正如所有直接影响患者健康的技术一样，除非有更多的确认研究，MALDI-TOF指纹方法还不能作为临床常规的肿瘤诊断试验。调查者应该完全根据CAP/CLIA中良好临床实验室操作要求来进行全面的确认试验，并且以一种透明的方式将数据提供给科学团体来做全面评估。
表2 美国国家临床生化化学研究院（NACB）对MALDI-TOF MS在肿瘤诊断中应用的一些推荐
在使用MALDI-TOF指纹技术的试验中，应该确保合适的独立确认环境，采用炎性和良性质控品以及大量不受影响的质控品，因为特异性是临床成功的一个重要决定因素，尤其是在筛查指示中。尽管最近基因组谱型和蛋白组谱型的扩展性调查观察中存在困难，但是这个领域现在使得我们对潜在的误差来源和仪器变异有更好的理解，并且对发展可能被临床采用的并且在可见的未来中可被确认的良好实验室操作和标准操作程序时所需要严格要求有更好认识。 | 
