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以人群為基礎(chǔ)的診斷可導(dǎo)致更高的生存率、更低的發(fā)病率和更低的醫(yī)療保健費(fèi)用，特別是癌癥等疾病。然而，由于缺乏高準(zhǔn)確性和可負(fù)擔(dān)性的診斷工具，導(dǎo)致未確診病例的比例很高，特別是在中低收入國(guó)家。由于無需大容量樣本載體（如采血管）、苛刻儲(chǔ)存條件以及冷鏈運(yùn)輸，干血點(diǎn)標(biāo)本（DSS）領(lǐng)域最近得到發(fā)展，利于在中心實(shí)驗(yàn)室集中檢測(cè)。

目前，干血點(diǎn)試驗(yàn)已經(jīng)證明在代謝研究中取得了大規(guī)模的成功，覆蓋了發(fā)達(dá)國(guó)家95%以上的新生兒篩查先天性代謝疾病。蛋白質(zhì)在干血點(diǎn)的過程中很容易滅活和降解，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足以檢測(cè)癌癥分析物。相比之下，大多數(shù)代謝物在干血點(diǎn)上保持穩(wěn)定。代謝診斷可以識(shí)別癌癥代謝異常的個(gè)體，特別是在欠發(fā)達(dá)地區(qū)。

近日，雜志Nature sustainability上發(fā)表了一篇題為“A sustainable approach to universal metabolic cancer diagnosis”的文章。作者提出了一種結(jié)合干血清斑(DSS)和納米粒子增強(qiáng)激光解吸/電離質(zhì)譜(NPELDI MS)來檢測(cè)代謝物的診斷方法，可在幾分鐘內(nèi)以低成本，環(huán)境友好，血清等效精度和用戶友好的方法診斷多種癌癥。這項(xiàng)工作為提供更可持續(xù)的代謝診斷和最大的健康收益提供了見解。

主要內(nèi)容

NPELDI MS平臺(tái)

為了敏感、特異和可重復(fù)的代謝檢測(cè)，作者首先檢測(cè)了傳統(tǒng)LDI MS平臺(tái)中使用的有機(jī)基質(zhì)DHB，但效果不理想。作者嘗試應(yīng)用無機(jī)納米顆粒來替代有機(jī)基質(zhì)（圖a-c）。通過將鐵系納米顆粒分布在不銹鋼靶板上，構(gòu)建了可并行檢測(cè)384個(gè)樣本的多路代謝物微陣列（圖d）。

靈敏度檢測(cè)結(jié)果顯示，檢測(cè)限低至0.07μM。且特異性檢測(cè)結(jié)果表明，鐵納米顆粒從復(fù)雜生物標(biāo)本中直接提取代謝物有尺寸效應(yīng)，表明NPELDI MS對(duì)代謝物具有選擇性。不僅如此，實(shí)驗(yàn)結(jié)果還表明NPELDI MS的數(shù)據(jù)具有可重復(fù)性，變異系數(shù)（c.v.）<13%（圖f）。數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性歸因于代謝物和鐵NPs之間的均勻共結(jié)晶（圖g）。

NPELDI MS平臺(tái)。圖片來源：Nature sustainability

可行性分析

作者下一步旨在了解從DSS中提取的代謝物是否可以使用NPELDI MS進(jìn)行可靠的定量和分析。作者選擇葡萄糖和乳酸作為指標(biāo)，觀察到NPELDI MS的檢測(cè)（圖a）中指示分子的峰值強(qiáng)度的變化，分別對(duì)應(yīng)于代謝物濃度0.10-5mM和0.05-5mM。相比商業(yè)生化試劑盒，重復(fù)性相似，但節(jié)約了10倍樣本體積及檢測(cè)時(shí)間。

進(jìn)一步的評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，DSS提取物與血清樣本中的代謝物定量呈線性相關(guān)，葡萄糖的Pearson相關(guān)性為0.918，乳酸的相關(guān)性為0.925（圖d）。對(duì)于非靶向代謝譜，作者比較了從配對(duì)的DSS和血清樣本中獲得的光譜一致性。共檢測(cè)到198個(gè)MS峰，與133種代謝物相匹配，涵蓋了各種生化指標(biāo)（圖g）。其中110個(gè)（55.6%）MS峰在DSS和血清都能檢測(cè)到（圖e）。大多數(shù)MS峰在至少有80%的樣本中都能檢測(cè)到（圖f），表明從配對(duì)的DSS和血清樣本中獲得的代謝譜的一致性。

這些結(jié)果表明，來自DSSs的代謝物允許其用于疾病診斷的分類任務(wù)。

可行性分析。圖片來源：Nature sustainability

DSS樣本不同存儲(chǔ)條件對(duì)檢測(cè)的影響

作者還測(cè)試了DSS樣本在不同存儲(chǔ)條件和穿孔取樣位置對(duì)代謝譜檢測(cè)的影響（圖a）。

DSS樣品在不同存儲(chǔ)環(huán)境如空氣中，真空和純N2存儲(chǔ)6h后代謝譜表現(xiàn)出較高的穩(wěn)定性，檢測(cè)結(jié)果與血清樣本相似。DSS和血清樣本之間相似性得分為：空氣為0.729 ± 0.013，真空為0.734 ± 0.011，純N2為0.754±0.035（圖b）。DSS樣品在不同的存儲(chǔ)溫度如−20°C、4°C、r.t.和40°C的空氣中保存6小時(shí)后，表現(xiàn)出代謝譜對(duì)環(huán)境熱變化具有良好的抗性，相似性得分超過0.93（圖c）。相比之下，血清中的非靶向代謝譜隨著溫度變化而顯著波動(dòng)。DSS在空氣中6天內(nèi)連續(xù)記錄非靶向代謝譜。在不同存儲(chǔ)時(shí)間下，代謝譜變化很少，平均相似度得分均超過0.95（圖d）。相比之下，與0 h相比，血清樣本保存144 h的相似性得分顯著下降到0.634（圖e）。

DSS樣本不同存儲(chǔ)條件對(duì)檢測(cè)的影響。圖片來源：Nature sustainability

DSS樣本不同穿孔取樣位置對(duì)檢測(cè)的影響

作者在同一DSS內(nèi)的4個(gè)不同位置進(jìn)行了3次重復(fù)的代謝譜分析（上圖f），結(jié)果顯示從DSS中提取的代謝物含量不依賴于一定的穿孔位置。相比之下，從全血樣本中制備的干血點(diǎn)（DBS），DBS的不同沖孔位置和中心區(qū)域在兩者之間觀察到明顯的變異性，可能歸因于當(dāng)細(xì)胞和血漿成分分離時(shí)，分析物濃度在不同元素之間的分布不均勻。

DSS代謝譜進(jìn)行癌癥診斷

作為概念驗(yàn)證，作者分析了180例DSSs的非靶向代謝譜。與血清樣本相比，從DSS中獲得的非靶向代謝譜產(chǎn)生了一致的讀數(shù)，并顯示出相當(dāng)?shù)蔫b別能力（圖c、d），證實(shí)了非靶向DSS代謝譜的潛在診斷能力。DSS衍生的模型來區(qū)分癌癥患者，受試者工作特征曲線下面積（AUROCs）訓(xùn)練集為0.841–0.993，驗(yàn)證集為0.900–1.000（圖e）。

接下來，作者將所有圖譜作為機(jī)器學(xué)習(xí)的輸入，并確定了健康人群（HD）與不同癌癥組之間存在顯著差異的代謝物（圖f）。在DSS和血清模型中，有2種共同上調(diào)和2種共同下調(diào)的代謝物，并建立了三個(gè)分類器，以AUROC 0.750/0.924/0.986區(qū)分PC/GC/CC組和HD組（圖e）?？偟膩碚f，這些發(fā)現(xiàn)證明了DSS代謝分析在發(fā)現(xiàn)生物標(biāo)志物方面的潛力。

DSS代謝譜進(jìn)行癌癥診斷。圖片來源：Nature sustainability

DSS代謝診斷的可持續(xù)性和經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)

確保疾病的可持續(xù)診斷已引起全球越來越多的關(guān)注。成本效益是疾病篩查的關(guān)鍵。NPELDI質(zhì)譜方法的特點(diǎn)是直接的代謝分析，不需要樣品預(yù)處理，允許提高分析速度（~秒）。相比之下，傳統(tǒng)的代謝分析方法需要繁瑣的樣品預(yù)處理，如色譜串聯(lián)質(zhì)譜（每批96個(gè)樣品1-8小時(shí)）和核磁共振（每批96個(gè)樣品1-2小時(shí)）。

此外，DSS中獨(dú)特的基質(zhì)避免了昂貴的冷鏈運(yùn)輸，減少了存儲(chǔ)空間，降低了運(yùn)輸和存儲(chǔ)成本，將生物樣本庫的樣品容量提高了10倍。作為NPELDI質(zhì)譜分析試劑盒中最重要的試劑，單次合成的鐵NPs的化學(xué)品成本為2.15美元，重量大約為600毫克，產(chǎn)量足以滿足400,000次質(zhì)譜測(cè)試（每質(zhì)譜測(cè)試需要~1.5μg）。因此，考慮到實(shí)驗(yàn)產(chǎn)量和費(fèi)用，NPELDI MS平臺(tái)本身可以成為大規(guī)模臨床使用的成本效益的工具。

除了在資源消耗和化學(xué)危害方面比塑料血清低溫保存管具有更大的可持續(xù)性，在生物安全方面，DSS制備中的樣品干燥可以被認(rèn)為是一種失活過程，排除了潛在的感染風(fēng)險(xiǎn)，且生物安全問題較低。相比之下，來自感染血源性感染源的患者的血清樣本具有高致病性，需要敏感的病毒檢測(cè)和額外的失活/去除技術(shù)。

總結(jié)與討論

作者提出了一種結(jié)合干血清斑(DSS)和納米粒子增強(qiáng)激光解吸/電離質(zhì)譜(NPELDI MS)的診斷方法，可在幾分鐘內(nèi)以低成本，環(huán)境友好，血清等效精度和用戶友好的方法診斷多種癌癥。整個(gè)方法允許可持續(xù)的代謝診斷，并且比現(xiàn)有的臨床診斷檢測(cè)具有幾個(gè)優(yōu)勢(shì)，比如具有顯著的成本效益，無需昂貴的冷鏈運(yùn)輸，減少了存儲(chǔ)空間，降低了運(yùn)輸和存儲(chǔ)成本，且生物安全問題較低。基于DSS的NPELDI MS診斷方法對(duì)其他疾病實(shí)體的驗(yàn)證還需要進(jìn)一步的研究。迫切需要開發(fā)廉價(jià)和便攜的MS平臺(tái)，以在疾病負(fù)擔(dān)沉重的地區(qū)實(shí)現(xiàn)即時(shí)檢測(cè)。

總之，作者提出了一種標(biāo)準(zhǔn)化工作流程的方法，包括NPELDI MS和基于紙張的DSS的可持續(xù)代謝診斷。基于優(yōu)化的工作流程，該方法是實(shí)用的，即使在資源有限的臨床環(huán)境中，由當(dāng)?shù)匦l(wèi)生工作者在資源有限的臨床環(huán)境中進(jìn)行，也可以實(shí)現(xiàn)高水平的診斷準(zhǔn)確性。這項(xiàng)工作為提供更可持續(xù)的代謝診斷和最大的健康收益提供了見解。