Massenspektrometrie – Perspektiven für die Labormedizin

  • Prof. Dr. Michael Vogeser, Institut für Klinische Chemie, Klinikum der Universität MünchenProf. Dr. Michael Vogeser, Institut für Klinische Chemie, Klinikum der Universität München
  • Prof. Dr. Michael Vogeser, Institut für Klinische Chemie, Klinikum der Universität München
  • LC-MS-System (Waters Quattro micro). LInks HPLC-System, rechts MS/MS-System.

Innerhalb der Labormedizin spielt die quantitative klinisch-chemische Analytik eine herausragende Rolle. Dominierende Technologien hierbei sind die Fotometrie, die Potentiometrie sowie die Immunoassay-Technologie. Auf Basis dieser Grundtechniken sind seit vielen Jahren extrem leistungsfähige und durchsatzstarke voll-automatisierte Analysensysteme verfügbar, die den „Motor" typischer klinischer Labors darstellen.

Diese derzeitigen Standard-Analysesysteme weisen jedoch methodisch bedingt wesentliche Limitierungen auf: begrenzte Spezifität vor allem bei der Messung kleiner Moleküle (z.B. Steroidhormone), Matrix-Effekte und Störungen durch strukturell ähnliche Substanzen, vor allem aber auch ein Mangel an innovativen Tests (insbesondere im Bereich des Therapeutischen Drug-Monitorings) aufgrund der hohen Entwicklungskosten.

Moderne massenspektrometrische Methoden bieten die Chance, diese Limitierungen zu überwinden und die Leistungsfähigkeit der Labormedizin wesentlich zu verbessern. Während fotometrische und immunometrische Messmethoden indirekte Messmethoden darstellen, beruhen Detektion und Quantifizierung bei der Massenspektrometrie (MS) direkt auf der molekularen Struktur von Zielanalyten, als echte molekulare Analytik. Die Gas-Chromatografie-Massenspektrometrie (GC-MS) als die traditionelle massenspektrome¬trische Technik hat seit den 1970er Jahren eine Schlüsselrolle vor allem im Bereich der Toxikologie gefunden; aufgrund der komplexen Handhabung, des begrenzten Analytenspektrums und des geringen Probendurchsatzes hat sich die GC-MS jedoch im klinisch-chemischen Routinelabor nicht etablieren können.

LC-MS/MS - Anwendungsfelder heute

Mit der Entwicklung und Einführung verschiedener innovativer Ionisations- und Ionen-Analyse-Techniken in den 1990er Jahren (v.a. Atmosphärendruck-Ionisation, Tandem-Massenspektrometrie) ist eine wesentlich Verbesserung von Robustheit und Handhabbarkeit der Massenspektrometrie erzielt worden, vor allem aber sind praktisch alle biologisch relevanten Stoffe (unabhängig von der Molekülmasse) der massenspektrometrischen Analytik zugänglich geworden.

Die Koppelung einer flüssigkeits-chromatografischen Probenfraktionierung mit der höchst spezifischen, moleküstruktur-spezifischen Ionenanalysetechnik der Tandem-Massenspektrometrie (LC-MS/MS) stellt für die Labormedizin heute ein nahezu universelles Messinstrument für niedermolekulare Substanzen dar.

Aufgrund der schonenden Ionisationstechnik sind diese Verfahren auch für Proteine und DNA-Amplifikate anwendbar, doch liegt aus verschiedenen Gründen die Domäne der LC-MS/MS in der Labormedizin derzeit klar im Bereich der Quantifizierung endogener und exogener, niedermolekularer Biomarker-Moleküle, während die Immunoassay-Technologie vermutlich noch langfristig Methode der Wahl für die Quantifizierung von Proteinen bleiben wird.

Innerhalb der nun gut zehn Jahre der Verfügbarkeit routinetauglicher LC-MS/MS-Methoden in medizinischen Labors hat die Zahl der entsprechend ausgestatteten Labors kontinuierlich zugenommen. Hauptanwendungsfelder in der Labormedizin sind gegenwärtig die Quantifizierung von Arzneistoffen (Therapeutischen Drug Monitorings), das Neugeborenen-Screening auf angeborene Stoffwechselstörungen, sowie zunehmend auch die Quantifizierung von Hormonen wie 25-OH Vitamin D, Metanephrinen und Testosteron. Die verfügbaren Gerätesysteme und Methoden weisen inzwischen ein recht hohes Maß an Bedienerfreundlichkeit und Robustheit auf, das sich allerdings noch deutlich von dem heutiger Immunoassay-Analysensysteme unterscheidet. Die Implementierung der LC-MS/MS-Technologie erfordert daher momentan noch ein relativ hohes Maß an Engagement der Labormitarbeiter.

LC-MS/MS - Potentiale für die Labormedizin

Besonders wichtige Potentiale der LC-MS/MS für die Labormedizin umfassen:

  • sehr hohe analytische Spezifität und Zuverlässigkeit gerade bei niedermolekularen Analyten, die den Einsatz der Sandwich-Immunoassay-Technologie nicht erlauben (Beispiel 25-OH Vitamin D3/D2);
  • Möglichkeit der hochgradig parallelisierten Analytik (Beispiel Neugeborenen-Screening und toxikologisches Target-Screening):
  • flexible Methodenentwicklung; Beschränkung auf relativ generische Substanzen und Materialien (Lösungsmittel, Chromatografie-Säulen) sowie auf Reinsubstanzen der Zielanalyte zur Methodenentwicklung, die damit sehr viel schneller und kostenkünstiger erfolgen kann als bei der Immunoassay-Technologie, die die Herstellung von Testantikörpern erfordert;
  • eröffnet innovative Analyten, die mit bisherigen Standard-Techniken prinzipiell nicht zugänglich sind (Beispiel Methylmalonsäure).

Zukunftsperspektiven der klinischen Massenspektrometrie

Die LC-MS/MS kann inzwischen als die leistungsfähigste Technologie für die Quantifizierung kleiner Moleküle gelten und hat ein hohes Maß an Robustheit im Routineeinsatz bewiesen. Entsprechend kann erwartet werden, dass diese Technologie in den kommenden Jahren breiten Eingang in die Labormedizin - über relativ spezialisierte Labors hinaus - finden wird.

Besonders relevante Anwendungsfelder sind dabei:

  • Therapeutisches Drug Monitoring (TDM): Die Individualisierung von Therapien stellt eine übergreifende Zielrichtung der heutigen Medizin dar; dabei dürfte auf Dauer der metabolische Phänotyp von größerer Relevanz sein als der jeweilige Genotyp. Entsprechend besteht großer Bedarf an der Einführung einer Vielzahl neuer TDM-Methoden;
  • Hoch akkurate quantitative Analysen auf Referenzmethodenniveau in der endokrinologischen Labordiagnostik mit methodenunabhängigen Richtwerten und lückenloser Traceability;
  • multiparametrische Methoden zur Charakterisierung des Musters nieder¬molekularer Substanzen, „metabolomische Diagnostik";
  • Funktionstests mit Fremdsubstanzen (z.B. Iohexol-Clearance in der nephrologischen Diagnostik).

Die klinische Etablierung dringend benötigter, neuer, niedermolekularer Biomarker wird mit sehr großer Wahrscheinlichkeit ganz überwiegend von der LC-MS/MS-Technologie als analytischer Plattform getragen werden. Dabei ist zu erwarten, dass so wesentliche „unmet needs" der heutigen diagnostischen Medizin erfolgreich und zum Nutzen der Patienten adressiert werden können.

In den vergangenen Jahren wurden wesentliche Fortschritte in der Automation massenspektrometrischer Methoden erzielt. Es erscheint inzwischen als technisch gut erreichbares Ziel, LC-MS/MS-Systeme als Kern-Einheit mit einer Peripherie auszustatten, die im Betrieb ein identisches Maß an Bedienerfreundlichkeit realisiert, wie das für heutige klinische Chemie-Analyzer gilt; damit kann die LC-MS/MS-Technologie in einem Random-access-Betrieb potentiell voll in den Workflow klinischer Labors integriert werden. So hat sie das Potential, komplementär zu den gegenwärtigen Standardtechnologien Fotometrie und Immunoassay eine weitere Hauptsäule der Labormedizin zu werden.

Im Bereich der mikrobiologischen Diagnostik werden massenspektrometrische Methoden derzeit nicht zur Quantifizierung bzw. Primärdetektion verwendet, jedoch in großem Umfang zur Sekundärdiagnostik in der Typisierung von Kulturen. In dieser Anwendung hat sich die Technik der Massenspektrometrie durch das Engagement der Diagnostikaindustrie in sehr kurzer Zeit zu einer akzeptierten Standardtechnik der Mikrobiologie entwickelt. Es kann prognostiziert werden, dass - aufgrund der essenziellen Innovationshöhe - eine ähnliche Entwicklung der LC-MS/MS im quantifizierenden klinisch-chemischen Sektor der Labormedizin zu beobachten sein wird: Nach den ersten Jahren der LC-MS/MS-Anwendung im klinischen Labor, die weitgehend von individuellen Speziallabors besonders im Bereich der Universitäten getragen wurde, greifen derzeit zunehmend Instrumentenhersteller und Diagnostika-Industrie die großen Potentiale dieser Technik für substanzielle Innovationen in der Labormedizin auf.

 

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