LC-MS/MS-Technologie

Massenspektrometrie für die klinische Diagnostik

Die LC-MS/MS-Technologie gilt als die fortschrittlichste Methode zur Quantifizierung von Verbindungen in komplexen biologischen Matrices. Ein Vergleich mit den bisherigen Platzhirschen: den Immunoassays.

Die Massenspektrometrie deckt ein weites Parameterspektrum ab, einschließlich der Bestimmung und Messung vieler klinisch relevanter Verbindungen. Der Einsatz der Massenspektrometrie in der klinischen Forschung ist seit langem gut dokumentiert; auch im diagnostischen Routinelabor entwickelt sich diese Methode zum Goldstandard.

Das Massenspektrometer Citrine Triple Quad von Sciex © Sciex

Bisher waren Immunoassays die Technologie der Wahl im klinischen Labor. Im Verlauf der vergangenen zwei Jahrzehnte haben sich jedoch alternative Technologien etabliert: Die Flüssigkeitschromatographie mit Triple-Quadrupol-Tandem-Massenspektrometrie (LC-MS/MS) ist eine dieser Technologien. Bei vielen Anwendungsbereichen hat sie sich als ergänzende Funktion oder leistungsstarke Alternative für Immunoassays erwiesen. 

Zum Vergleich: Der Immunoassay verwendet spezifische Antikörper (monoklonal und polyklonal), um das Vorhandensein oder die Konzentration eines Makromoleküls oder eines Kleinmoleküls in einer Lösung zu messen. Alternativ wird mittels Massenspektrometrie ein Analyt quantifiziert, indem das Masse-zu-Ladung-Verhältnis ionisierter Moleküle gemessen wird. Beide Assays kommen in klinischen Testanwendungen zum Einsatz; beide haben ihre Vor- und Nachteile. Dort jedoch, wo Genauigkeit, Empfindlichkeit und Durchsatz höchste Priorität haben, ist die Massenspektrometrie dem Immunoassay überlegen.

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Anfordernde Ärzte in bestimmten Bereichen wissen mehr und mehr die Vorteile der analytischen Leistungsfähigkeit der Massenspektrometrie zu schätzen und fordern sie als Nachweismethode an. Beispiele für derartige Anwendungsbereiche sind

  • Toxizitätstests, 
  • therapeutische Medikamentenüberwachung, 
  • Feinanalyse endogener Steroide und Vitamine für Gesundheitsprüfungen, 
  • Top-down-Analyse von Peptiden/kleinen Proteinen sowie 
  • Bottom-up-Analyse von großen Proteinen für Krebs-Biomarker.

Auch wenn die Immunoassays im Laufe der Jahre weiterentwickelt und verbessert wurden – es gibt einige, mit der Immunoassay-Methode verbundene Herausforderungen, denen die LC-MS/MS-Technologie direkt begegnet – wie im Folgenden beschrieben.

Kreuzreaktivitäten und Interferenzen

Die LC-MS/MS-Technologie ist im Gegensatz zum Immunoassay nicht anfällig für Kreuzreaktivitäten und Interferenzen. Dies bezieht sich auf die Tatsache, dass ein Antikörper, der einen Analyten erkennen soll, möglicherweise zu viele verschiedene Analyten mit ähnlichen strukturellen Eigenschaften bindet. Dies wiederum führt dazu, dass Moleküle innerhalb einer Verbindungsklasse von demselben Antikörper identifiziert werden. Aufgrund der sehr hohen Spezifität der LC-MS/MS-Technologie treten diese Probleme hier nicht auf. Metaboliten oder ähnliche Verbindungen mit einer unterschiedlichen Molekülmasse, einem unterschiedlichen Masse-zu-Ladung-Verhältnis und einzigartigen Fragmentierungsmustern lassen sich leicht unterscheiden. Die Spezifität der Massenspektrometrie ermöglicht daher weitaus präzisere Messungen.

Mangelnde Empfindlichkeit für komplexe Analyten 

Probenmatrices können sehr vielschichtig sein, und immer mehr Anwendungen erfordern eine höhere Empfindlichkeit. Hier stoßen bestimmte Verbindungen und Anwendungen bei Immunoassays an ihre Grenze. Die LC-MS/MS-Technologie verfügt über einen extrem hohen linearen dynamischen Bereich und eine hohe Empfindlichkeit. Dies spielt eine wichtige Rolle bei der Messung von biologischen Proben in der klinischen Umgebung, insbesondere im Hinblick auf niedrig konzentrierte Analyten, wie z. B. Aldosteron und Dihydroxyvitamin D. Die Empfindlichkeit und Spezifität der LC-MS/MS-Technologie ermöglicht es die für die Diagnose erforderlichen Nachweisgrenzen zu erreichen.

Mehrere Zielanalyten in einem Verfahren nachweisen 

Im Allgemeinen sind mit dem Immunoassay höhere Betriebskosten verbunden, da diese Methode auf einer Ein-Kit-pro-Test-Basis funktioniert. Soll jedoch ein breites Spektrum an Analyten oder Tests abgedeckt werden, müssten daher mehrere Kits gekauft und abgearbeitet werden. Bei der Massenspektrometrie stellt sich dieses Problem nicht, da sich die Anwendungen in vielen Fällen multiplexen lassen und sämtliche relevante Analyten in einer einzigen Injektion in einem Durchlauf untersuchen. Dadurch werden nicht nur Kosten eingespart, sondern auch schneller Ergebnisse erzielt. Darüber hinaus ist die Massenspektrometrie eine offene Plattform, die es ermöglicht, die eigenen Methoden intern schneller zu entwickeln und zu validieren, anstatt dies an einen Anbieter für Immunoassays weiterzugeben, der unter Umständen einen Zeitraum von einem bis zu drei Jahren benötigt.

Anpassung der Bearbeitungszeiten an die Durchsatzanforderungen 

Innerhalb eines ausgelasteten klinischen Routinelabors ist das Probenaufkommen hoch. Diesen Aspekt hat Sciex bei der Erweiterung seines Portfolio um klinische Diagnostik-Lösungen berücksichtigt. Neben der zu berücksichtigenden Empfindlichkeit, Spezifität, Linearität und Substanzabdeckung eines Nachweissystems muss jedoch auch der zeitliche Rahmen im Auge gehalten werden, damit das Arbeitspensum des Routinelabors bewältigt werden kann. Sciex-Instrumente vereinen leistungsstarke Funktionen wie z. B. das schnelle Multiple-Reaction-Monitoring (MRM), die effiziente Planung von MRM und eine schnelle Analyse von mit beliebiger Polarität ionisierten Verbindungen (das System ist in der Lage, mit einer Umschaltzeit von 5 ms zwischen den Polaritäten zu wechseln). Darüber hinaus wurde die zugehörige Software für eine schnelle Datenerfassung konzipiert und kann problemlos große Datenmengen verarbeiten. Anwender profitieren von kurzen Bearbeitungszeiten, während gleichzeitig eine große Anzahl an Datenpunkten erhalten bleibt. Durch die Minimierung der Datenverarbeitung können Ergebnisse wesentlich schneller erzielt werden.

Argumente für eine Investition 

Ungeachtet dessen, wie gut eine Technik ist: Wenn sie nicht erschwinglich ist, dann wird das Interesse daran eher gering ausfallen. Ein schnelleres, besseres und effizienteres Produkt ist nur selten billiger – bei der Massenspektrometrie handelt es sich jedoch um eine sogenannte disruptive Technologie, also eine Technologie, die neue Maßstäbe setzt. Diese Technologie ist zuverlässiger und präziser im Vergleich zum Immunoassay und ermöglicht Kosteneinsparungen und eine Steigerung der Produktivität im Labor. Die Anschaffung eines Massenspektrometers amortisiert sich unseren Erfahrungen nach innerhalb kürzester Zeit.

Aufgrund ihrer Empfindlichkeit gilt die LC-MS/MS-Technologie als die fortschrittlichste Methode zur Quantifizierung von Verbindungen in komplexen biologischen Matrices, wie z. B. Plasma, Serum, Urin und Speichel. Diese Methode wird in der Forschung und in klinischen Speziallaboren seit Jahrzehnten angewandt und findet immer mehr Zuspruch – auch in diagnostischen Routinelaboren.

AUTOR

Eike Logé
Market Development Manager
for Clinical and Forensic EMEAI
Sciex

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