MasSpec ручка или ручка Система precìso MasSpec , является масс - спектрометрии (МС) на основе обнаружения рака и диагностики системы , которые могут быть использованы для экс виво [1] и в естественных условиях [2]анализ образца ткани. Система собирает биологические молекулы с поверхности образца ткани с помощью механизма экстракции твердое вещество-жидкость и транспортирует молекулы в масс-спектрометр для анализа. Затем состав извлеченных молекул можно использовать для прогнозирования того, содержит ли анализируемый образец ткани раковые клетки, с помощью алгоритмов машинного обучения и статистических моделей. На ранних стадиях клинических исследований система MasSpec Pen смогла отличить различные раковые ткани, включая ткани опухоли щитовидной железы, груди, легких и яичников, от их нормальных аналогов с общей точностью 96,3%. [1]Последующее исследование, иллюстрирующее использование устройства для обнаружения серозной карциномы яичников в биоптатах ткани ex vivo, позволило различить образцы нормальных и злокачественных яичников с клинической чувствительностью и специфичностью 94,0% и 94,4% соответственно. [3]
Развитие и текущее использование
Ливия С. Эберлин , доктор философии, доцент кафедры химии Техасского университета в Остине , впервые сообщила об изобретении ручки MasSpec в 2017 году. В ее лаборатории устройство использовалось для анализа биопсии тканей человека, в том числе нормальные и злокачественные образцы молочной железы, легких, яичников и щитовидной железы. [1] [3] MasSpec Pen в настоящее время оценивается для использования при биопсиях только что вырезанных тканей и для интраоперационного использования во время онкологических операций. [4]
Ручка MasSpec Pen была лицензирована Genio Technologies, Inc., дочерней компании MS Pen Technologies, Inc. [5]
Принцип действия
Масс-спектрометрия с ионизацией окружающей среды для диагностики заболеваний
Технология MasSpec Pen основана на принципах ионизации окружающей среды , при которой ионы генерируются непосредственно из образца без необходимости тщательной подготовки образца или хроматографического разделения. [6] [7] MasSpec Pen можно также отнести к категории твердо-жидкостной экстракции на основе метода ионизации окружающей среды, описываемого как методы, в которых используется система растворителей для мягкого извлечения молекул с поверхности образца, которые впоследствии анализируются с помощью масс-спектрометра. [8] Десорбционная ионизация электрораспылением (DESI) была первым жидкостным методом ионизации с ионизацией в окружающей среде. [6] DESI использовал распыление заряженных капель растворителя для бомбардировки поверхности образца для десорбции и ионизации молекул с поверхности образца, которые затем направляются и анализируются с помощью масс-спектрометра. DESI-MS и другие методы ионизации с ионизацией в окружающей среде на основе растворителей широко используются для анализа небольших молекул, в первую очередь метаболитов и липидов, непосредственно из образцов биологических тканей для определения их молекулярного состава и использования масс-спектральных данных, полученных в диагностических целях. [9] [10] [11] [12] Эти методы использовались для различения нормальных и злокачественных областей образцов тканей по многим показаниям солидных опухолей, включая молочную железу, [13] [14] мозг, [15] [16 ] ] [17] простата, [18] [19] яичники, [20] [21] и колоректальный, [22] среди других. [23] [24] [25] Методы многомерного статистического анализа часто используются для создания статистических моделей на основе масс-спектральных данных, полученных в результате прямого анализа образцов тканей, чтобы различать здоровые и больные ткани.
Механизм анализа MasSpec Pen
MasSpec Pen, первоначально описанный в 2017 году, представляет собой метод ионизации окружающей среды на основе растворителя, но отличается от своих предшественников портативным характером устройства, что позволяет анализировать образцы, удаленные от масс-спектрометра, независимо от геометрии. [1] В MasSpec Pen использовался зонд, которым можно манипулировать вручную, чтобы направлять анализ. Для использования системы кончик «ручки» соприкасается с поверхностью, на которой будет производиться отбор пробы, и пользователь запускает процедуру отбора пробы, нажимая встроенную ножную педаль. Это дает сигнал шприцевому насосу для подачи небольшой аликвоты растворителя через полимерную трубку в резервуар на кончике «ручки», который остается в контакте с образцом. Затем аналиты экстрагируются из образца в каплю растворителя с помощью механизма твердожидкостной экстракции . После 3-секундного периода экстракции капля всасывается в масс-спектрометр, используя вакуум масс-спектрометра в качестве источника вакуума. Попав внутрь масс-спектрометра, аналиты в капле растворителя десольватируются и ионизируются с помощью механизма ионизации на входе . Затем ионизированные молекулы анализируются анализатором масс-спектрометра, и в результате создается масс-спектр.
Диагностика рака с помощью ручки MasSpec Pen
Ручка MasSpec Pen была разработана для помощи в обнаружении положительных хирургических полей во время операций по удалению солидных опухолей, чтобы помочь в полном удалении хирургических вмешательств при раке. Первоначально устройство использовалось для анализа 253 биопсий тканей человека, включая нормальные и раковые ткани груди, легких, яичников и щитовидной железы. [1] Масс-спектры, полученные для каждого образца, содержали метаболиты, липиды и некоторые белки, которые представляли молекулярный состав анализируемой ткани. Собранные данные для каждого типа ткани затем использовались для разработки статистических моделей, которые могли различать нормальные и раковые образцы каждого типа ткани. Перекрестная проверка «исключить одного пациента» использовалась для оценки точности моделей для различения нормальных и раковых тканей на основе их молекулярных профилей. Метод позволял диагностировать ткани молочной железы с точностью 95,6%, легких с точностью 96,8% и яичников с точностью 94,7%. Статистические модели также позволили отличить нормальную щитовидную железу от папиллярных карцином щитовидной железы с точностью 97,8% и от фолликулярных аденом щитовидной железы с точностью 94,7%. Отчет также продемонстрировал способность технологии MasSpec Pen обнаруживать рак в областях смешанной ткани, содержащей как нормальные, так и раковые клетки из образца рака яичников. Наконец, авторы продемонстрировали использование этого метода для анализа опухолевых тканей in vivo на анестезированной мышиной модели.
Эффективность MasSpec Pen для диагностики рака яичников была дополнительно оценена в отчете, опубликованном в 2019 году. [3] Авторы проанализировали 160 образцов ткани яичников человека, включая 78 нормальных яичников и 82 серозных карциномы, с помощью MasSpec Pen и разработали классификационные модели для различения между нормальными и раковыми образцами. Модель смогла различить нормальные и злокачественные образцы яичников с общей точностью 98,3%, 100,0% и 92,3% на обучающих, проверочных и тестовых наборах образцов. Кроме того, в отчете оценивалась способность системы MasSpec Pen отличать рак яичников от ткани маточной трубы и брюшины - двух наиболее распространенных мест метастазирования рака яичников. Достигнута точность 87,9% и 92,6% для распознавания рака по тканям маточной трубы и брюшины, соответственно.
Рекомендации
- ^ а б в г д Чжан Дж., Ректор Дж., Лин Дж. К., Янг Дж. Х., Санс М., Катта Н. и др. (Сентябрь 2017 г.). «Неразрушающий анализ тканей для диагностики рака ex vivo и in vivo с использованием портативной системы масс-спектрометрии» . Трансляционная медицина науки . 9 (406): eaan3968. DOI : 10.1126 / scitranslmed.aan3968 . PMID 28878011 .
- ^ Китинг М.Ф., Чжан Дж., Фейдер С.Л., Ритейло С., Рид Р., Антарис А. и др. (Сентябрь 2020 г.). «Интеграция MasSpec перо к да Винчи хирургическая система для In Vivo Tissue анализа во время Роботизированная Assisted свиные хирургии». Аналитическая химия . 92 (17): 11535–11542. DOI : 10.1021 / acs.analchem.0c02037 . PMID 32786489 .
- ^ а б в Sans M, Zhang J, Lin JQ, Feider CL, Giese N, Breen MT и др. (Май 2019 г.). «Характеристики ручки MasSpec для быстрой диагностики рака яичников» . Клиническая химия . 65 (5): 674–683. DOI : 10,1373 / clinchem.2018.299289 . PMID 30770374 .
- ^ Zhang J, Sans M, DeHoog RJ, Garza KY, King ME, Feider CL и др. (16 декабря 2020 г.). «Прямой молекулярный анализ тканей in vivo и свежесрезанных тканей в хирургических операциях на людях с использованием технологии MasSpec Pen» . medRxiv . DOI : 10.1101 / 2020.12.14.20248101 .
- ^ Seagraves S. "i2E Management Co., Inc. инвестирует 1,25 миллиона долларов в базирующуюся в Талсе компанию MS Pen Technologies, Inc." . i2E .
- ^ а б Cooks RG, Ouyang Z, Takats Z, Wiseman JM (март 2006 г.). «Технологии обнаружения. Окружающая масс-спектрометрия». Наука . 311 (5767): 1566–70. DOI : 10.1126 / science.1119426 . PMID 16543450 .
- ^ Домин М., Коди Р., ред. (2014). Ambient Ионизация Масс - спектрометрия: . Новые разработки в масс-спектрометрии. Кембридж: Королевское химическое общество. DOI : 10.1039 / 9781782628026 . ISBN 978-1-84973-926-9.
- ^ Ласкин Дж., Ланекофф I (январь 2016 г.). «Окружающая масс-спектрометрия с использованием методов прямой жидкостной экстракции» . Аналитическая химия . 88 (1): 52–73. DOI : 10.1021 / acs.analchem.5b04188 . PMC 5767520 . PMID 26566087 .
- ^ Эберлин Л.С., Феррейра С.Р., Дилл А.Л., Ифа Д.Р., Повар Р.Г. (ноябрь 2011 г.). «Десорбционная масс-спектрометрия с ионизацией электрораспылением для характеристики липидов и визуализации биологических тканей» . Biochimica et Biophysica Acta . 1811 (11): 946–60. DOI : 10.1016 / j.bbalip.2011.05.006 . PMC 3205348 . PMID 21645635 .
- ^ Кабрал ЕС, Ифа Д.Р. (2015). «DESI визуализация малых молекул в биологических тканях». Методы молекулярной биологии . Клифтон, штат Нью-Джерси, 1203 : 63–77. DOI : 10.1007 / 978-1-4939-1357-2_7 . PMID 25361667 .
- ^ Ифа Д.Р., Эберлин Л.С. (январь 2016 г.). «Масс-спектрометрия с ионизацией окружающей среды для диагностики рака и оценки хирургической границы» . Клиническая химия . 62 (1): 111–23. DOI : 10,1373 / clinchem.2014.237172 . PMC 5315420 . PMID 26555455 .
- ^ Ли Н, Не Х, Цзян Л., Жуань Г, Ду Ф, Лю Х. (август 2020 г.). «Последние достижения в области визуализации масс-спектрометрии с ионизацией окружающей среды в клинических исследованиях». Журнал науки о разделении . 43 (15): 3146–3163. DOI : 10.1002 / jssc.202000273 . PMID 32573988 .
- ^ Porcari AM, Zhang J, Garza KY, Rodrigues-Peres RM, Lin JQ, Young JH и др. (Октябрь 2018 г.). «Многоцентровое исследование с использованием изображений десорбции-электроспрея-ионизации-масс-спектрометрии для диагностики рака груди» . Аналитическая химия . 90 (19): 11324–11332. DOI : 10.1021 / acs.analchem.8b01961 . PMC 7433752 . PMID 30170496 .
- ^ Каллигарис Д., Карагациану Д., Лю Х, Нортон И., Томпсон С.Дж., Ричардсон А.Л. и др. (Октябрь 2014 г.). «Применение масс-спектрометрии с десорбционной электрораспылением и ионизацией в анализе границ рака молочной железы» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 111 (42): 15184–9. DOI : 10.1073 / pnas.1408129111 . PMC 4210338 . PMID 25246570 .
- ^ Эберлин Л.С., Нортон И., Оррингер Д., Данн И.Ф., Лю X, Иде JL и др. (Январь 2013). «Амбиентная масс-спектрометрия для интраоперационной молекулярной диагностики опухолей головного мозга человека» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 110 (5): 1611–6. DOI : 10.1073 / pnas.1215687110 . PMC 3562800 . PMID 23300285 .
- ^ Пирро В., Джармуш А.К., Феррейра С.Р., Повара Р.Г. (2017). Вуд П. (ред.). «Окружающий липидомный анализ тканей мозга с использованием масс-спектрометрии с десорбционной ионизацией электрораспылением (DESI)». Липидомика . Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: Springer New York. 125 : 187–210. DOI : 10.1007 / 978-1-4939-6946-3_14 . ISBN 978-1-4939-6944-9.
- ^ Agar NY, Golby AJ, Ligon KL, Norton I, Mohan V, Wiseman JM и др. (Февраль 2011 г.). «Разработка стереотаксической масс-спектрометрии для хирургии опухолей головного мозга» . Нейрохирургия . 68 (2): 280–89, обсуждение 290. doi : 10.1227 / neu.0b013e3181ff9cbb . PMC 3678259 . PMID 21135749 .
- ^ Кериан К.С., Джармуш А.К., Пирро В., Кох М.О., Мастерсон Т.А., Ченг Л., Кук Р.Г. (февраль 2015 г.). «Дифференциация рака простаты от нормальной ткани в образцах радикальной простатэктомии с помощью десорбционной ионизации электроспреем и масс-спектрометрии с ионизацией касанием» . Аналитик . 140 (4): 1090–8. DOI : 10.1039 / C4AN02039A . PMC 4314440 . PMID 25521825 .
- ^ Банерджи С., Заре Р.Н., Тибширани Р.Дж., Кундер К.А., Нолли Р., Фан Р. и др. (Март 2017 г.). «Диагностика рака предстательной железы методом масс-спектрометрической визуализации с десорбцией и ионизацией электрораспылением малых метаболитов и липидов» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 114 (13): 3334–3339. DOI : 10.1073 / pnas.1700677114 . PMC 5380053 . PMID 28292895 .
- ^ Санс М., Гарпур К., Тибширани Р., Чжан Дж., Лян Л., Лю Дж. И др. (Июнь 2017 г.). «Метаболические маркеры и статистическое прогнозирование агрессивности серозного рака яичников с помощью масс-спектрометрии с ионизацией окружающей среды» . Исследования рака . 77 (11): 2903–2913. DOI : 10.1158 / 0008-5472.CAN-16-3044 . PMC 5750373 . PMID 28416487 .
- ^ Дориа М.Л., Маккензи Дж.С., Мроз А., Фелпс Д.Л., Спеллер А., Розини Ф. и др. (Декабрь 2016 г.). «Диагностика эпителиальной карциномы яичников методом масс-спектрометрии с десорбционной электрораспылением и ионизацией» . Научные отчеты . 6 (1): 39219. DOI : 10.1038 / srep39219 . PMC 5156945 . PMID 27976698 .
- ^ Гербиг С., Гольф О, Балог Дж., Денес Дж., Бараньяи З., Заранд А. и др. (Июнь 2012 г.). «Анализ ткани колоректальной аденокарциномы методом масс-спектрометрической визуализации с десорбцией и ионизацией электрораспылением». Аналитическая и биоаналитическая химия . 403 (8): 2315–25. DOI : 10.1007 / s00216-012-5841-х . PMID 22447214 .
- ^ ДеХуг Р.Дж., Чжан Дж., Алоре Э., Лин Дж.К., Ю В., Вуди С. и др. (Октябрь 2019 г.). «Предоперационная метаболическая классификация узлов щитовидной железы с использованием масс-спектрометрической визуализации тонкоигольной аспирационной биопсии» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 116 (43): 21401–21408. DOI : 10.1073 / pnas.1911333116 . PMC 6815148 . PMID 31591199 .
- ^ Эберлин Л.С., Маргулис К., Планелл-Мендез И., Заре Р.Н., Тибширани Р., Лонгакре Т.А. и др. (Август 2016 г.). «Поля хирургической резекции рака поджелудочной железы: молекулярная оценка с помощью масс-спектрометрии» . PLoS Medicine . 13 (8): e1002108. DOI : 10.1371 / journal.pmed.1002108 . PMC 5019340 . PMID 27575375 .
- ^ Эберлин Л.С., Тибширани Р.Дж., Чжан Дж., Лонгакр Т.А., Берри Г.Дж., Бингхэм Д.Б. и др. (Февраль 2014 года). «Молекулярная оценка краев хирургической резекции рака желудка с помощью масс-спектрометрической визуализации» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 111 (7): 2436–41. DOI : 10.1073 / pnas.1400274111 . PMC 3932851 . PMID 24550265 .