影像質譜儀：連接臨床與分子醫學的一個創新影像技術影像質譜儀：連接臨床與分子醫學的一個創新影像技術
韓至強
中國醫藥大學
在過去十年中，蛋白質體學技術和方法發展的非常迅速，質譜儀應用功能也愈來愈廣泛，且可對生物標記(Biomarkers)作系統性的尋找，其中一種具有突破性的技術稱為影像質譜儀 (Imaging Mass Spectrometry)。質譜分子影像的觀念最早是在1997年由Richard M. Caprioli 和他的工作團隊所提出[1]。利用質譜儀所產生的分子影像技術，可以在不需要任何標記、抗體或是對蛋白質分子有先前的了解下，直接對腫瘤組織做分子掃瞄，產生質譜影像，進一步找出與腫瘤發生有關的蛋白質分子。除此之外，質譜影像技術可以在不破壞細胞的完整結構下，直接從冷凍組織切片上獲得蛋白質相關的生物資訊。相對的，在傳統蛋白質體的檢體配製技術上，需藉由打破細胞組織來取得蛋白質分子，因此會失去蛋白質分子在組織上分佈的重要訊息。目前質譜分子影像技術除了運用到冷凍組織切片外，單一細胞及雷射擷取顯微分離技術(Laser Capture Microdissection)處理過的組織也可利用此技術作分析。由於可快速完整評估組織中的蛋白質分子、藥物和代謝產物，影像質譜儀已成為臨床蛋白質體學的一個新領域。簡單的說，質譜儀分子影像技術有下面幾個主要的步驟(Figure 1): (1) cryostat section; (2) matrix application; (3) ionization by MALDI-TOF mass spectrometry; and (4) data processing and statistical analysis.
質譜儀分子影像技術已被運用在各種疾病和癌症研究上，包括人類腦瘤、胃癌、肺癌、卵巢癌及腎癌等。本校自從在前研發長李英雄教授的推動下於2006年12月建立蛋白質體核心實驗室以來，我們已利用影像質譜儀的技術對肝癌、多發性肌炎、帕金森氏症和C 型肝炎病毒等相關主題進行研究。值得一提的是，我們中國醫藥大學是全球首位利用質譜儀分子影像技術研究肝癌，其研究結果已在2010年的Clin Chim Acta(CCA) 上發表[2]。在這項肝癌的研究中，儘管可用於此研究的肝癌患者數量有限，可是從非腫瘤區域到腫瘤區域的交界處我們觀察到一些蛋白質(肽)的質譜信號強度呈現出逐步漸進的改變(Figure 2)。 這種隨著對腫瘤區域接近的距離程度產生蛋白質(肽)信號強度遞增或遞減的現象將可詳細提供有關疾病的發展以及作為未來發展診斷的方式和預後的監測。此外我們收集所有肝癌患者的非腫瘤與腫瘤組織上蛋白質(肽)的質譜信號，再利用經由ClinProtools 2.1軟體作數據分析和排序算法(Sorting Algorithms)，結果產生一組以十四個具有獨特質譜信號的蛋白質(肽)為主的分類模型(Classification Model)，此模型可用來預測以病理組織結果作為判斷標準的非腫瘤和腫瘤間的交界區域。分類的結果顯示，非腫瘤區比腫瘤區在病理結果和蛋白質(肽)的質譜信號強度上呈現出更多的不一致。 這表示對非腫瘤區的病理學評估須要一個更精確的分類判斷法。值得一提的是，分類模型所產生的這些獨特蛋白質(肽)中，三個肽離子(m/z 11072, 10840 and 12330)在肝腫瘤區域增強的質譜信號，也被發現在不同的癌症上有明顯增強的趨勢，包括腎癌(m/z 11072)[3]，肺癌(m/z 10840)[4]和腦癌(m/z 12330)[5]。 這些肽離子(m/z 11072, 10840 and 12330)被鑒定出可能分別來自於calpactin I, calgranulin A和macrophage migration inhibitory factor(MIF)等與癌症發展有關的蛋白質。
目前，對肝腫瘤手術切除前的估評主要還是依靠組織形態的病理檢查結果。但是依據病理檢查的結果，手術後肝癌病人腫瘤復發率仍然很高。這表示當前的組織病理評估還是一個不夠精確的分類判斷法。因此，以生物分子水平來評估肝癌腫瘤邊緣的非腫瘤區域絕對是更合適的分類方法。如果能從一大群肝癌患者中進一步的特性化出以及鑒定出肝癌組織細胞內蛋白質分子的表現與分佈的不同，將可找出與肝癌相關的生物標記，作為未來診斷方式和藥物治療的效果評估。
參考文獻
[1] Caprioli RM, Farmer TB, Gile J. Molecular imaging of biological samples: localization of peptides and proteins using MALDI-TOF MS. Anal. Chem 1997; 69:4751-4760.
[2] Han EC, Lee YS, Liao WS, Liu YC, Liao HY, Jeng LB. Direct tissue analysis by MALDI-TOF mass spectrometry in human hepatocellular carcinoma. Clin Chim Acta 2011; 412:230-239. Epub 2010 Sep 29.
[3] Oppenheimer SR, Mi D, Sanders ME, Caprioli RM. Molecular analysis of tumor margins by MALDI mass spectrometry in renal carcinoma. J Proteome Res 2010; 9:2182-2190.
[4] Campa MJ, Wang MZ, Howard B, Fitzgerald MC, Patz EF Jr. Protein expression profiling identifies macrophage migration inhibitory factor and cyclophilin a as potential molecular targets in non-small cell lung cancer. Cancer Res 2003; 63:1652-1656.
[5] Chaurand P, Sanders ME, Jensen RA, Caprioli RM. Proteomics in diagnostic pathology: Profiling and imaging proteins directly in tissue sections. Am J Pathol 2004; 165:1057–1068.
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