© Borgis - Medycyna Rodzinna 2/2013, s. 63-67
*Joanna Kałużna-Czaplińska, Jagoda Jóźwik
Techniki łączone w diagnostyce medycznej – wybrane przykłady
Coupled techniques in medical diagnostics – selected examples
Instytut Chemii Ogólnej i Ekologicznej, Wydział Chemiczny, Politechnika Łódzka
Dyrektor Instytutu: prof. dr hab. Jacek Rynkowski
Summary
Coupled techniques are widely used both in clinical analysis and medical diagnostics, which is a rapidly growing area of medicine. It is mainly based on determination of metabolites in human body fluids using various techniques, in particular gas chromatography mass spectrometry GC-MS and liquid chromatography coupled with mass spectrometry LC-MS. Each of these connections has advantages and disadvantages as well as limitations in their use. Most often the choice of a suitable analytical method depends on the type of test analytes. Coupled techniques have proved particularly useful in the case where the analytes determined in the samples are present in extremely low concentration levels, which makes it impossible to analyse them both qualitatively and quantitatively with the use of other commonly known methods. Owing to the coupled techniques, an early diagnosis of many diseases is possible including primarily metabolic disorders (such as different types of organic acidurias), cancers (such as breast cancer and colon cancer), lung disease (including tuberculosis), cardiovascular and neurological disorders (such as Alzheimer’s disease). An application of a suitable technique not only helps in rapid diagnosis of the disease but it also allows the introduction of an appropriate therapy and a better understanding of the disease by doctors. This paper is a review of coupled techniques which are widely used in the diagnostics and monitoring of various diseases based on specific bioanalytes known as biomarkers.
Wstęp
Diagnostyka medyczna to dynamicznie rozwijająca się dziedzina medycyny. Stwarza ona lekarzom realne możliwości na szybsze rozpoznanie choroby i pacjentom szanse skutecznego leczenia w przypadku wielu chorób, w tym także tych, które są mało poznane. We współczesnym świecie diagnostyka medyczna jest nieodłącznym elementem procesu leczenia. Należy także zdawać sobie sprawę, że od czułości i specyficzności stosowanych w diagnostyce medycznej metod zależy szybkie i prawidłowe rozpoznanie choroby. Współczesna diagnostyka medyczna w głównej mierze opiera się na badaniach metabolitów w płynach ustrojowych człowieka. Użyta do tych celów technika powinna spełniać określone kryteria: selektywność rozdzielania pozwalającą na dotarcie oznaczanych form analitu do detektora oddzielonych od potencjalnych interferentów matrycy, czułość detekcji oraz identyfikację formy chemicznej oznaczanego analitu. Te wszystkie kryteria spełniają techniki sprzężone (łączone), rozumiane jako połączenia co najmniej dwóch metod badawczych, które umożliwiają rozdzielenie badanej próbki na poszczególne składniki oraz ich jednoznaczną identyfikację. Metody te stają się szczególnie przydatne, gdy jest potrzeba identyfikowania analitów występujących w płynach ustrojowych w ekstremalnie niskich poziomach stężeń oraz gdy chcemy identyfikować anality bez konieczności stosowania żmudnego procesu przygotowania próbki (1).
W badaniach diagnostycznych opartych o wydzieliny i wydaliny w organizmie człowieka szczególną rolę pełnią następujące techniki łączone: chromatografia gazowa-spektrometria mas (GC-MS), chromatografia gazowa-tandemowa spektrometria mas (GC-MS/MS), chromatografia cieczowa-spektrometria mas (LC-MS), chromatografia cieczowa-tandemowa spektrometria mas (LC-MS/MS), wysokosprawna chromatografia cieczowa (HPLC), coraz częściej stosowana elektroforeza kapilarna-spektrometria mas (CE-MS), a także spektrometria mas z analizatorem cyklotronowego rezonansu jonów z fourierowską transformacją FT-ICR MS i magnetyczny rezonans jądrowy. Techniki te stosowane są w diagnozie i wczesnym rozpoznaniu wielu chorób. Ponadto, dzięki nim jest możliwe monitorowanie zmian stężeń niektórych metabolitów w płynach ustrojowych po wprowadzeniu zindywidualizowanej terapii u pacjenta (2). Artykuł przedstawia najnowsze doniesienia literaturowe dotyczące wykorzystania technik łączonych w wybranych obszarach diagnostyki medycznej.
Wybrane przykłady zastosowań technik łączonych w badaniach diagnostycznych
Diagnostyka wrodzonych wad metabolizmu
Diagnostyka wrodzonych wad metabolizmu opiera się na metodach przesiewowych (badania u każdego noworodka) oraz przesiewu selektywnego (tylko w grupach szczególnego ryzyka). Podstawą skriningu jest wykonanie profili kwasów organicznych w moczu z zastosowaniem metody chromatografii gazowej sprzężonej ze spektrometrią mas (GC/MS) bądź metody GC-MS/MS.
Choroby metaboliczne stanowią niekiedy zintegrowaną część innych zaburzeń, często o odmiennym charakterze. Dobrym przykładem może być przeprowadzenie analizy profili kwasów organicznych w moczu dzieci ze stwierdzonym spektrum zaburzeń autystycznych. Na podstawie profili kwasów organicznych możliwa jest identyfikacja prawdopodobnych przyczyn występowania szeregu nieprawidłowości zarówno w sferze behawioralnej, jak i psychosomatycznej autystyków. Odpowiednią techniką do tych badań okazała się chromatografia gazowa sprzężona ze spektrometrią mas (3). Wykorzystanie tego połączenia umożliwiło również identyfikację kwasu homowanilinowego (HVA) oraz wanilinomigdałowego (VMA) w moczu osób dotkniętych zespołem Costello (4). Jest to schorzenie metaboliczne uwarunkowane genetycznie, prowadzące do deformacji ciała czy nawet do nowotworów. Innym obszarem wykorzystania sprzężenia GC-MS w badaniach moczu jest wykrywanie kwasów organicznych oraz aminokwasów, których często sama obecność i nieprawidłowe poziomy stężeń mogą świadczyć o wystąpieniu m.in. różnego rodzaju kwasic organicznych, w tym kwasicy metylomalonowej, glutarowej typu I i II, dikarboksylowej, zaburzeń cyklu mocznikowego, galaktozemii, alkaptonurii, neuroblastomy oraz choroby syropu klonowego (5, 6). Oznaczanie w moczu metabolitów neuroaktywnych steroidów, m.in. progesteronu, umożliwia diagnozę jeszcze innego wrodzonego zaburzenia metabolicznego, jakim jest zespół SLO (Smitha-Lemliego-Opitza), który charakteryzuje się niezdolnością do wytwarzania cholesterolu przez chorych. Brak diagnozy bądź błędna diagnoza może prowadzić nawet do śmierci. Chorzy odznaczają się szeregiem szczególnych cech zarówno w wyglądzie zewnętrznym, jak i wewnętrznym, a stopień zmian jest zależny od ilości cholesterolu oraz jego metabolitów obecnych w surowicy krwi (7, 8). Połączenie GC-MS otwiera możliwości analityczne także w przypadku innej powszechnie występującej choroby metabolicznej – cukrzycy. Przeprowadzone w Chinach badania polegające na wykonaniu profili metabolicznych wolnych kwasów tłuszczowych (FFA) oraz zidentyfikowaniu biowskaźników, pozwoliły rozróżnić pacjentów z cukrzycą typu 2 oraz cierpiących na IPD (ang. isolated post-challenge diabetes) od grupy kontrolnej (9). Za potencjalne biomarkery IPD uznano kwas palmitynowy, stearynowy, oleinowy, linolowy i α-linolenowy. Użycie techniki LC-MS/MS pozwala na wykonanie analizy profili acylokarnityn w osoczu, które stanowią podstawę diagnozy defektów w metabolizmie rozgałęzionych aminokwasów czy utleniania kwasów tłuszczowych (10). Choroba Crohna (CD), jej pochodzenie oraz diagnostyka stanowią kolejne wyzwanie dla klinicystów. W celu wykonania bezkierunkowego profilowania metabolicznego, mającego za zadanie określenie wpływu metabolitów produkowanych przez mikroflorę jelitową na wystąpienie stanu chorobowego u pacjenta, można zastosować spektrometrię mas z analizatorem cyklotronowego rezonansu jonów z fourierowską transformacją FT-ICR MS (11).
Diagnostyka nowotworów
Powyżej zamieściliśmy fragment artykułu, do którego możesz uzyskać pełny dostęp.
Mam kod dostępu
- Aby uzyskać płatny dostęp do pełnej treści powyższego artykułu albo wszystkich artykułów (w zależności od wybranej opcji), należy wprowadzić kod.
- Wprowadzając kod, akceptują Państwo treść Regulaminu oraz potwierdzają zapoznanie się z nim.
- Aby kupić kod proszę skorzystać z jednej z poniższych opcji.
Opcja #1
24 zł
Wybieram
- dostęp do tego artykułu
- dostęp na 7 dni
uzyskany kod musi być wprowadzony na stronie artykułu, do którego został wykupiony
Opcja #2
59 zł
Wybieram
- dostęp do tego i pozostałych ponad 7000 artykułów
- dostęp na 30 dni
- najpopularniejsza opcja
Opcja #3
119 zł
Wybieram
- dostęp do tego i pozostałych ponad 7000 artykułów
- dostęp na 90 dni
- oszczędzasz 28 zł
Piśmiennictwo
1. Witkiewicz Z, Czaplińska-Kałużna J: Podstawy chromatografii i technik elektromigracyjnych. Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, Warszawa 2011. 2. Kałużna-Czaplińska J, Grys W, Rynkowski J: Techniki łączone oparte na spektrometrii mas we współczesnych badaniach klinicznych. Medycyna rodzinna 2009; 1: 15-21. 3. Kałużna-Czaplińska J, Socha E, Rynkowski J: Wartość badań chromatograficznych we wczesnym rozpoznaniu zaburzeń rozwojowych u dzieci na przykładzie autyzmu. Nowa Pediatria 2011; 2: 37-41. 4. Bowron A, Scott JG, Brewer C et al.: Increased HVA detected on organic acid analysis in a patient with Costello syndrome. J Inherit Metab Dis 2005; 28: 1155-1156. 5. Kuhara T: Diagnosis of inborn errors of metabolism using filter paper urine, urease treatment, isotope dilution and gas chromatography-mass spectrometry. J Chromatogr B 2001; 758: 3-25. 6. Barshop BA: Metabolomic approaches to mitochondrial disease. Correlation of urine organic acids. Mitochondrion 2004; 4: 521-527. 7. Macros J, Guo LW, Wilson WK et al.: The implications of 7-dehydrosterol-7-reductase deficiency (Smith-Lemli-Opitz syndrom) to neurosteroid production. Steroids 2004; 69: 51-60. 8. Sieja A, Bujewski M, Misiuk-Hojło M: Powikłania oczne w zespole Smitha-Lemliego-Opitza. Nowiny Lekarskie 2009; 78: 60-62. 9. Liu L, Li Y, Guan C et al.: Sun. Free fatty acid metabolic profile and biomarkers of isolated post-challenge diabetes and type 2 diabetes mellitus based on GC-MS and multivariate statistical analisis. J of Chromatogr B 2010; 878: 2817-2825. 10. Ferrer I, Ruiz-Sala P, Vincente Y et al.: Separation and identification of plasma short-chain acylocarnitine isomers by HPLC/MS/MS for the differential diagnosis of fatty acids oxidation defects and organic acidemias. J Chromatogr B 2007; 860: 121-126. 11. Jansson J, Willing B, Lucio M et al.: Metabolomics reveals metabolic biomarkers of Crohn’s disease. PLoS ONE 2009; 4: e6386. 12. Chiaradonna F, Moresco RM, Airoldi C et al.: From cancer metabolism to new biomarkers and drug targets. Biotechnology Advances 2012; 30: 30-51. 13. Wuwen LV, Tongshu Y: Identification of possible biomarkers for breast cancer from free fatty acid profiles determined by GC-MS and multivariate statistical analysis. Clinical Biochemistry 2012; 45: 127-133. 14. Kischkel S, Miekisch W, Sawacki A et al.: Breath biomarkers for lung cancer detection and assessment of smoking related effects – confounding variables, influence of normalization and statistical algorithms. Clinica Chimica Acta 2010; 411: 1637-1644. 15. Gaspar EM, Lucena AF, Duro da Costa J, Chaves das Neves H: Organic metabolites in exhaled human breath – A multivariate approach for identification of biomarkers in lung disorders. J of Chromatogr A 2009; 1216: 2749-2756. 16. Trock BJ: Application of metabolomics to prostate cancer. Urologic Oncology: Seminars and Orginal Investigations 2011; 29: 572-581. 17. Zimmermann D, Hartmann M, Moyer MP et al.: Determination of volatile products of human colon cell line metabolism by GC/MS analysis. Metabolomics 2007; 3: 13-17. 18. Pitois A, de las Heras LA, Zampolli A et al.: Capillary electrophoresis-electrospray mass spectrometry and HR-ICP-MS for the detection and quantification of 10B-boronophenylalanine (10B-BPA) used in boron neutron capture therapy. Anal Bioanal Chem 2006; 384: 751-760. 19. Mei S, Yao Q, Wu C, Xu G: Determination of urinary 8-hydroxy-2’-deoxyguanosine by two approaches-capillary electrophoresis and GC MS: An assay for in vivo oxidative DNA damage patients. J Chromatogr B 2005; 827: 83-87. 20. Philips M, Cataneo RN, Condos R et al.: Volatile biomarkers of pulmonary tuberculosis in the breath. Tuberculosis 2007; 87: 44-52. 21. Diamant Z, Boot JD, Mantzouranis E et al.: Biomarkers in asthma and allergic rhinitis. Pulmonary Pharmacology & Therapeutics 2010; 23: 468-481. 22. Ming M, Feng F, Sheng Y et al.: Development and evaluation of an efficient HPLC/MS/MS method for the simultaneous determination of pseudoephedrine and cetirizine in human plasma: application to phase-I pharmacokinetic study. J of Chromatogr B 2007; 846: 105-111. 23. Lewis GD, Asnani A, Gerszten RE: Application of Metabolomics to Cardiovascular Biomarker and Pathway Discovery. Journal of the Americal College of Cardiology 2008; 52: 117-123. 24. Seet RC, Lee CY, Loke WM et al.: Biomarkers of oxidative damage in cigarette smokers: Which biomarkers might reflect acute versus chronic oxidative stress? Free Radical Biology & Medicine 2011; 50: 1787-1793. 25. McGrath LT, Patric R, Silke B: Breath isoprene in patients with heart failure. Eur J Heart Failure 2001; 3: 423-427. 26. Miwa S, Inouye M, Ohmura C et al.: Relationship between carotid atherosclerosis and erythrocyte membrane cholesterol oxidation products in type 2 diabetic patients. Diabetes Res Clin Pract 2003; 61: 81-88. 27. Quinones MP, Kaddurah-Daouk R: Metabolomics tools for identifying biomarkers for neuropsychiatric diseases. Neurobiology of Disease 2009; 35: 165-176. 28. Michalke B, Berthele A, Mistriotis P et al.: Manganese species from human serum, cerebrospinal fluid analyzed by size exclusion chromatography-, capillary electrophoresis coupled to inductively coupled plasma mass spectrometry. J Trace Elem Med Biol 2007; 21: 4-9. 29. Kałużna-Czaplińska J: Current medical research with the application of coupled techniques with mass spectrometry. Med Sci Monit 2011; 17: 117-123. 30. Clarke A, Brewer F, Johnson ES et al.: A new formulation of selegiline: improved bioavailability and selectivity for MAO-B inhibition. J Neural Transm 2003; 110: 1241-1255. 31. Kałużna-Czaplińska J, Grys W, Rynkowski J: Czynniki neurotoksyczne w środowisku życia dzieci przyczyną zaburzeń rozwojowych w aspekcie autyzmu. Nowa Pediatria 2008; 3: 50-57. 32. Kałużna-Czaplińska J, Socha E, Rynkowski J: Wartość badań chromatograficznych we wczesnym rozpoznaniu zaburzeń rozwojowych u dzieci na przykładzie autyzmu. Nowa Pediatria 2011; 2: 37-41.
