Ứng dụng công nghệ khối phổ trong y học chính xác

Y học chính xác hướng đến cải thiện khả năng sàng lọc, chẩn đoán, tiên lượng, điều trị bệnh dựa trên thông tin về các quá trình và dấu ấn sinh học thuộc cơ thể mỗi bệnh nhân. Một trong những công nghệ nổi bật trong xu hướng phát triển này là khối phổ (Mass Spectrometry – MS). Kĩ thuật này có thể phát hiện và định lượng chính xác các phân tử sinh học như protein, axit amin, chất chuyển hóa,…

Nguyên lí

Mỗi nguyên tử, phân tử hay chất có tỉ lệ khối lượng so với điện tích (mass/charge hay m/z) riêng biệt. Công nghệ khối phổ phân loại các thành phần trong mẫu và xác định khối lượng phân tử của chúng dựa trên đặc tính này.

Bộ thiết bị khối phổ bao gồm những thành phần sau:

• Máy ion hoá: phân tách các phân tử trong mẫu thành dạng ion
• Máy phân tích khối: sử dụng trường điện từ nhằm phân loại ion dựa vào khối lượng của chúng
• Đầu dó: ghi nhận tín hiệu, qua đó tính toán lượng ion của mỗi chất trong mẫu
• Máy tính: điều khiển máy phân tích và kiểm soát dữ liệu từ máy đọc kết quả

Kết quả phân tích được biểu diễn dưới dạng biểu đồ phổ, với trục hoành thể hiện tỉ lệ m/z và trục tung cho biết cường độ tín hiệu hay lượng ion được ghi nhận. Mỗi đỉnh trên biểu đồ đại diện cho một loại ion. Người ta đối chiếu biểu đồ này với các cơ sở dữ liệu có sẵn nhằm xác định những chất hiện diện trong mẫu cũng như đặc điểm của chúng như khối lượng phân tử, cấu trúc hóa học,…

Phân loại

Công nghệ khối phổ được phân loại dựa trên kĩ thuật ion hoá mẫu.

Các phương pháp ion hoá phổ biến trong chẩn đoán lâm sàng bao gồm:

Ion hoá nhờ chất nền hấp thụ laser

Trong phương pháp ion hoá nhờ chất nền hấp thụ laser(Matrix-assisted Laser Desorption/Ionization- MALDI), mẫu được trộn với một loại chất nền đặc biệt và chiếu laser. Chất nền thường chứa tinh thể như 2,5-dihydroxybenzoic acid (DHB) và sinapinic acid (SA) nhằm bảo vệ các phân tử sinh học khỏi tác động trực tiếp từ tia laser. Đồng thời, chúng giúp chất nền hấp thụ năng lượng từ tia laser và biến đổi nó thành nhiệt lượng nhằm làm bay hơi, sau đó ion hoá các phân tử trong mẫu. Người ta xác định khối lượng của các ion dựa trên thời gian mỗi ion di chuyển đến đầu dò: ion nhẹ hơn có tốc độ di chuyển nhanh hơn, do đó đến đầu dò sớm hơn. Công nghệ MALDI có thể phân tích từ những chất chuyển hoá nhỏ với tỉ lệ m/z thấp hơn 1000 đến các protein lớn có khối lượng phân tử lên đến 100.000 đơn vị.

Ion hoá phun điện từ

Phương pháp ion hoá phu điện từ (Electrospray ionization – ESI) sử dụng năng lượng điện làm bay hơi ion trong mẫu phân tích dạng dung dịch. Đầu tiên, mẫu được đưa vào ống mao quản với điện áp cao, qua đó những giọt nhỏ mang điện tích hình thành. Người ta tăng nhiệt độ hoặc sử dụng khí nitơ nhằm làm bay hơi dung môi trong các giọt này, dẫn đến kích thước giọt giảm và mật độ điện tích trên bề mặt giọt tăng dần đến khi các ion trên giọt có thể giải phóng vào pha khí. Những ion này tiếp tục di chuyển đến đầu dò của máy đo khối thông qua bộ dẫn tứ cực. Sau khi hệ thống ghi nhận tín hiệu ion, người ta có thể đo lường hàm lượng ion cũng như khối lượng phân tử của chúng. Kĩ thuật này thường được kết hợp với phương pháp tách mẫu bằng sắc kí lỏng hoặc sắc kí lỏng hiệu năng cao.

Ion hoá hoá học tại áp suất khí quyển

Phương pháp ion hoá hoá học tại áp suất khí quyển (Atmospheric Pressure Chemical Ionization – APCI) hoạt động tương tự ESI, bao gồm bước làm bay hơi mẫu thông qua tăng nhiệt độ và ion hoá các phân tử bằng một loại kim phóng điện. Khi kim giải phóng đám mây electron, electron va chạm với những phân tử hiện diện trong pha khí, từ đó các ion mang điện tích được tạo ra. Kĩ thuật này thường được ứng dụng cho mẫu chứa các phân tử có độ phân cực thấp hoặc trung bình nhằm mở rộng phạm vi phân tích mẫu so với ESI.

Ion hoá trong môi trường bình thường

Đối với kĩ thuật ion hoá trong môi trường bình thường (Ambient Ionization – AI), người ta tạo ion từ các phân tử trong mẫu bằng kỹ thuật tương tự ESI và APCI mà không cần xử lý mẫu hay đưa mẫu vào môi trường chân không trong máy phân tích khối. Vì vậy, đây là lựa chọn phù hợp cho những trường hợp cần phân tích nhanh hoặc không thể lắp đặt thiết bị khối phổ.

Phương pháp khác

Một số công nghệ ion hoá truyền thống như ion hoá electron (Electron Ionization – EI) và ion hoá hoá học (Chemical Ionization – CI) hầu như không được ứng dụng trong chẩn đoán lâm sàng hiện đại do hạn chế trong khả năng phân tích nhiều phân tử có độ phân cực khác nhau.

Qui trình xử lý mẫu

Quá trình chuẩn bị và xử lý mẫu phân tích giữ vai trò quan trọng đối với tính chính xác của kết quả.

Quy trình này cần đảm bảo các mục tiêu sau:

• Loại bỏ tạp chất
• Cô đặc chất phân tích đến nồng độ có thể định lượng
• Ổn định chất phân tích

Mỗi loại mẫu như máu tĩnh mạch, huyết tương, huyết thanh hay mô có những lưu ý riêng. Chẳng hạn, người ta có thể bảo quản mẫu máu tại nhiệt độ -80°C hoặc bổ sung các chất ổn định nhằm hạn chế quá trình oxy hoá cũng như thuỷ phân chất.

Một số phương pháp xử lý mẫu bao gồm:

• Pha loãng: hoà mẫu với dung môi hữu cơ hoặc nước tinh khiết
• Kết tủa protein: trộn mẫu với dung môi hữu cơ, axit mạnh hoặc dung dịch có nồng độ muối cao
• Sắc kí dòng chảy hỗn loạn: phân tách các phân tử có kích thước khác nhau
• Tách chiết pha rắn: làm sạch, phân tách và cô đặc chất phân tích trong mẫu phức tạp

Các công nghệ khối phổ cải tiến

Sắc kí lỏng khối phổ

Sắc kí lỏng khối phổ (LC-MS) là kỹ thuật kết hợp giữa sắc kí lỏng (Liquid Chromatography – LC) nhằm tách các hợp chất trong mẫu và khối phổ (MS) giúp xác định cũng như định lượng những chất đó. Mẫu sau khi được tách trong cột sắc ký sẽ được ion hóa, đưa vào máy khối phổ và phân tích dựa trên tỷ lệ m/z. Kỹ thuật này có thể phát hiện chất có nồng độ rất thấp và phân tích nhiều hợp chất cùng lúc trong các mẫu sinh học phức tạp.

Chụp ảnh khối phổ

Chụp ảnh khối phổ (Mass Spectrometry Imaging – MSI) là phương pháp tạo ra bản đồ phân bố của các phân tử như protein, lipid, thuốc… trên bề mặt mô hoặc vật liệu sinh học. Tại mỗi điểm trên mẫu, phổ khối của các ion được ghi nhận. Máy tính dựa vào cường độ tín hiệu của từng ion tại những điểm này để tạo nên hình ảnh thể hiện vị trí và nồng độ của các phân tử trong mẫu.

Ứng dụng

Xác định dấu ấn sinh học

Người ta ứng dụng công nghệ khối phổ trong nghiên cứu và chẩn đoán các protein cũng như chất chuyển hoá giữ vai trò là dấu ấn sinh học của nhiều bệnh lí như ung thư, tim mạch, thoái hóa thần kinh, qua đó bác sĩ có thể chẩn đoán bệnh sớm và chỉ định biện pháp điều trị phù hợp.

Theo dõi nồng độ thuốc trong trị liệu

Hiện nay, sắc kí lỏng khối phổ kép (LC-MS/MS) là kỹ thuật tiêu chuẩn trong theo dõi quá trình điều trị bằng thuốc nhờ vào khả năng phân tích đồng thời nhiều chất với độ nhạy và độ chọn lọc cao. Kỹ thuật này cho biết chính xác nồng độ thuốc trong máu người bệnh, nên bác sĩ có thể xem xét và lựa chọn liều thuốc phù hợp nhất nhằm đưa ra phác đồ điều trị cá nhân hóa cho mỗi bệnh nhân. Điều này góp phần nâng cao hiệu quả điều trị cũng như giảm tác dụng phụ do thuốc gây ra.

Phân tích hệ nội tiết

Kỹ thuật LC-MS/MS đang dần thay thế những phương pháp xét nghiệm miễn dịch truyền thống trong phân tích hormone nhờ vào khả năng định lượng chính xác các hormone có nồng độ thấp như estradiol, aldosterone hay dihydrotestosterone. Phương pháp này đã được áp dụng trong xét nghiệm hormone steoroid, kiểm tra chức năng tuyến giáp và định lượng chất chuyển hoá vitamin D.

Phát hiện vi sinh vật

Khối phổ MALDI có thể xác định vi sinh vật trong mẫu xét nghiệm với thời gian ngắn và độ chính xác cao. Công nghệ này nhận diện vi khuẩn, nấm, virus bằng cách so sánh phổ protein của mẫu với các cơ sở dữ liệu. Ngoài ra, người ta còn sử dụng kỹ thuật này nhằm phát hiện các dấu ấn sinh học kháng kháng sinh hay yếu tố độc lực trong vi khuẩn, từ đó tiếp tục nghiên cứu và đưa ra biện pháp kiểm soát bệnh truyền nhiễm hiệu quả hơn.

Ưu điểm

Công nghệ khối phổ có nhiều ưu điểm bao gồm:

• Độ đặc hiệu và độ nhạy cao: phát hiện chính xác các chất với nồng độ rất thấp trong mẫu sinh học phức tạp.
• Khả năng phân tích đồng thời nhiều chất: có thể định lượng hàng nghìn phân tử trong một lần chạy mẫu.
• Tính linh hoạt: ứng dụng đa dạng trong phân tích protein, peptide, thuốc, hormone,…

Thách thức

Quá trình ứng dụng công nghệ khối phổ trong các phòng thí nghiệm vẫn gặp phải nhiều vấn đề như:

• Tính phức tạp, chuyên môn cao: quy trình vận hành thiết bị và phân tích dữ liệu đòi hỏi kỹ thuật viên có trình độ cao
• Thiếu quy trình chuẩn hóa: hiện nay chưa có quy trình thống nhất cho bước xử lý mẫu, thu thập và phân tích dữ liệu, dẫn đến kết quả thiếu nhất quán giữa các phòng thí nghiệm
• Thiết bị tự động hóa còn hạn chế: nhiều bước trong quy trình phân tích khối phổ chưa được tự động hoá nên chưa thể tối ưu hiệu quả và tính chính xác
• Chi phí cao: thiết bị khối phổ có giá thành cao, ngoài ra chi phí vận hành và bảo trì cũng gây khó khăn cho các phòng thí nghiệm nhỏ

Lời kết

Công nghệ khối phổ đã và đang góp phần thúc đẩy các nghiên cứu về dấu ấn sinh học cũng như y học chính xác nhờ vào độ nhạy cao, khả năng phân tích đa dạng và tiềm năng ứng dụng rộng rãi. Hiện nay, người ta đang tiếp tục cải tiến kỹ thuật này nhằm chuẩn hoá quy trình, tự động hoá các bước cũng như kết hợp với nhiều phương pháp khác, qua đó tăng hiệu quả phân tích.