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方法文章

使用质谱参考测量程序对脑脊液中Aβ1-42进行绝对定量

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DOI：

10.3791/55386

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2017年3月21日

 ,  ,  , 
1Institute of Neuroscience and Physiology, Department of Psychiatry and Neurochemistry, The Sahlgrenska Academy at University of Gothenburg, Sahlgrenska University Hospital, 2Clinical Neurochemistry Laboratory, Sahlgrenska University Hospital, 3UCL Institute of Neurology, Queen Square

本文内容

摘要

本文描述了一种基于固相萃取和液相色谱串联质谱法对人体脑脊液中Aβ1-42进行绝对定量的参考测量方法。

摘要

阿尔茨海默病（AD）是老年人中最常见的神经退行性疾病，占所有痴呆病例的60%-80%。目前，AD的诊断主要基于认知测试和精神状态检查，但脑脊液（CSF）中的淀粉样蛋白β肽（Aβ）在临床试验和临床实践中正被越来越多地使用。与大多数蛋白质和肽类生物标志物一样，其定量通常采用基于抗体的技术，如酶联免疫吸附测定（ELISA）。然而，这些检测方法在不同实验室之间以及同一实验室内部的变异性限制了其在临床常规诊断中的应用。

基于固相萃取（SPE）和液相色谱（LC）-串联质谱法（MS/MS），建立了一种不依赖抗体的参考测量程序（RMP），该方法采用稳定同位素标记的Aβ肽段作为内标，实现绝对定量。检测使用高分辨四极杆-轨道阱杂交质谱仪。该方法可对脑脊液中Aβ1-42在150–4,000 pg/mL范围内进行定量。

引言

阿尔茨海默病（AD）是最常见的痴呆类型，全球约有3500万人受其影响1。目前广泛认为，该疾病的神经病理学特征是AD发病机制的核心，包括细胞内由过度磷酸化的tau蛋白组成的神经纤维缠结2，以及由聚集的β-淀粉样蛋白（Aβ）肽构成的细胞外斑块3。与此一致，近年来生物标志物对斑块病理的in vivo评估已被纳入AD的研究诊断标准4。对于脑脊液（CSF）中Aβ1-42的检测，已有多种免疫测定方法可供使用，并已在许多临床实验室中应用5。AD患者脑脊液中Aβ1-42的浓度比认知正常的老年人低约50%，这反映了该肽在脑内形成斑块沉积6,7。

这些生物标志物主要通过免疫分析法（即基于抗体的技术）进行检测，但这些检测方法可能受到基质效应的影响8。在不同技术平台上使用免疫分析法，以及缺乏检测方法的标准化9,10，使得引入全球统一的临界浓度变得困难11,12。一种经过分析验证的参考测量程序（RMP）将有助于对不同检测平台进行统一校准，理想情况下可实现各分析平台间更好的可比性，并更有效地控制导致总体测量变异的因素。

采用所建立的液相色谱-串联质谱（LC-MS/MS）方法对 Aβ1-42 进行绝对定量，克服了基于抗体技术的多种问题。该方法已被临床实验室溯源联合委员会（JCTLM 数据库识别编号 C11RMP9）列为参考测量方法（RMP），将用于确定认证参考物质（CRM）中 Aβ1-42 的绝对浓度，以实现不同技术及分析平台间脑脊液 Aβ1-42 测量结果的标准化。所述操作流程对于医学其他领域内肽类和蛋白质候选参考方法的开发具有借鉴意义。

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方案

注意：本方案需要每种 Aβ 肽至少 50 µL 的分装样品作为起始材料，浓度为 50 µg/mL。Aβ 肽应溶解于含 20% 乙腈（ACN）和 4% 浓氨水的去离子水（v/v）溶液中，并于 -80 °C 保存。

注意：安全信息请参见表1。

1. 溶液的配制

  1. 通过将20 mL乙腈（ACN）和4 mL浓氨水（~25%）溶于去离子水中，配制100 mL含20%乙腈和4%浓氨水的溶液（v/v）。用去离子水定容至100 mL。每日新鲜配制。
  2. 将26.08 g盐酸胍溶于去离子水中，定容至50 mL，配制50 mL的5 M盐酸胍溶液。于20 °C保存，每月新鲜配制一次。
  3. 通过将9.4 mL浓磷酸（~85%）溶于去离子水中，配制200 mL含4%磷酸的溶液（v/v）。用去离子水定容至200 mL。置于冰箱中保存，每周新鲜配制。
  4. 通过将37.5 mL乙腈（ACN）和5 mL浓氨水（~25%）溶于去离子水中，配制50 mL含75%乙腈和10%浓氨水的溶液（v/v）。用去离子水定容至50 mL。每日新鲜配制。
  5. 解冻至少2.5 mL人脑脊液（CSF）用于校准品，该脑脊液来源于常规临床检测中匿名的剩余样本。
  6. 在去离子水中配制人工脑脊液，其中包含150 mM Na、3.0 mM K、1.4 mM Ca、0.8 mM Mg、1.0 mM P和155 mM Cl，并加入牛血清白蛋白至终浓度为4 mg/mL。每次分析仅需1 mL，但建议配制较大体积，分装后储存以供后续使用。

2. 校准品的制备

  1. 在0.5 mL微量离心管中，加入40 µL浓度为50 µg/mL的15N-Aβ1-42肽溶液至0.46 mL含20%乙腈和4%浓氨水的溶液中，配制0.5 mL浓度为4 µg/mL的15N-Aβ1-42肽溶液。涡旋混匀1分钟。
  2. 在2 mL微量离心管中，将50 µL浓度为4 µg/mL的15N-Aβ1-42肽溶液加入1.95 mL含20%乙腈和4%浓氨水的溶液中，配制2 mL浓度为100 ng/mL的15N-Aβ1-42肽溶液。涡旋混匀1分钟。
  3. 按照表2中所示各溶液的体积，配制六种校准品溶液（A–F）。使用0.5 mL、1.5 mL和2 mL微量离心管。涡旋混匀1分钟。
  4. 根据表3，在0.5 mL微量离心管中加入相应的校准溶液和人脑脊液，制备最终校准品（每种做复孔）。涡旋混匀1分钟。

3. 内标物的制备

  1. 制备 2 mL 浓度为 0.8 µg/mL 的溶液 13C-Aβ1-42 肽，通过加入32 µL的50 µg/mL 13CAβ142 加入1.968 mL含20%乙腈和4%浓氨水的溶液至2 mL微量离心管中，涡旋混匀1分钟。
  2. 制备5 mL浓度为16 ng/mL的溶液 13C-Aβ1-42 在5 mL微量离心管中，加入0.1 mL浓度为0.8 µg/mL的多肽溶液至4.9 mL含20%乙腈和4%浓氨水的溶液中。涡旋振荡混合1分钟。

4. 响应因子样品的制备

注意：进行响应因子（RF）测定是为了确定用于校准的标记肽（15N-Aβ1-42）的浓度。这要求天然 Aβ1-42 肽的浓度已通过氨基酸分析（AAA）测定。因此，天然 Aβ1-42 肽分装样品的体积和浓度需满足氨基酸分析（AAA）的要求。

  1. 在0.5 mL离心管中，将40 µL浓度为50 µg/mL的天然Aβ1-42加入0.46 mL含20%乙腈和4%浓氨水的溶液中，配制0.5 mL浓度为4 µg/mL的天然（未标记）Aβ1-42溶液。涡旋振荡混合1分钟。
  2. 在2 mL离心管中，将20 µL浓度为4 µg/mL的天然Aβ1-42和20 µL浓度为4 µg/mL的15N-Aβ1-42加入1.96 mL含20%乙腈和4%浓氨水的溶液中，配制2 mL浓度为40 ng/mL的天然与15N-Aβ1-42混合溶液。涡旋振荡混合1分钟。
  3. 在0.5 mL离心管中，将20 µL浓度为40 ng/mL的混合液加入0.38 mL人工脑脊液中。制备两份平行样品，并涡旋振荡混合1分钟。

5. 样品制备

注意：将待测样品在滚轴上于室温下解冻。

  1. 根据以下步骤，将每种校准品、响应因子以及未知样品（包括质量控制 [QC] 样品，如使用）各 0.18 mL 加入 1 mL 蛋白质 96 深孔板中 图1 （假设使用整块酶标板）。确保将样品加入孔的底部或接近底部的位置。
  2. 向每个孔中加入 20 µL 内标即， 校准品、响应因子、质控品和未知样品）；将液滴释放到接近样品表面的孔壁一侧时，切勿将移液器吸头浸入液体中。
  3. 每孔加入 0.2 mL 5 M 盐酸胍。
  4. 将样本板置于微孔板振荡器上，以1,100 rpm振摇混合45分钟。最佳振荡频率可能因仪器不同而有所差异。请根据实际情况调整混合器的频率和振幅，确保溶液充分混匀，且孔壁无内标液或脑脊液液滴残留未混匀。
  5. 向每个孔中加入 0.2 mL 4% 磷酸溶液，短暂涡旋混匀。

6. 固相萃取

注意：在所有洗涤、上样和洗脱步骤中，加入溶液后应先施加尽可能低的真空度，并根据需要逐渐增加，以完成溶液的上样或洗脱。每次上样和洗脱步骤之间应关闭真空。

  1. 在提取板真空 manifold 腔内，于混合模式阳离子交换 96 孔固相萃取（SPE）板下方放置一个废液储液盘。
  2. 通过向每个孔中加入 0.2 mL 甲醇来活化 SPE 填料。
  3. 通过向每个孔中加入 0.2 mL 4% 磷酸溶液来平衡填料。
  4. 将深孔板中的所有样品（每孔约 0.62 mL）转移至 SPE 板中。转移样品时使用八通道移液器；由于样品中含有内标，可校正体积差异，因此无需完全转移或保持各孔样品体积相等。
  5. 待样品完全通过填料后，向每个孔中加入 0.2 mL 4% 磷酸溶液洗涤填料。
  6. 待洗涤液完全流出后，将废液储液盘更换为收集板或收集管。
  7. 通过两次加入 50 µL 75% 乙腈/10% 浓氨水溶液将样品从填料中洗脱，注意该溶液通过填料时需要非常低的真空度。每次加液之间请记得关闭真空。
    1. 可选：密封收集板或收集管，并在 -80 °C 下冷冻保存。在进行步骤 6.8.2 之前，需先移除密封。
    2. 使用真空离心浓缩法干燥洗脱液（不加热）；干燥时间可能从一小时到数小时不等，具体取决于所用真空离心机的性能。
    3. 密封容器并在 -80 °C 下冷冻保存。

7. 液相色谱

  1. 配制流动相A（5%乙腈和0.3%浓氨水溶于去离子水中 [v/v]）、流动相B（4%去离子水和0.1%浓氨水溶于乙腈中 [v/v]）以及进样针清洗液（50%乙腈和4%浓氨水溶于去离子水中 [v/v]）。
    1. 配制500 mL流动相A时，向去离子水中加入25 mL乙腈和1.5 mL浓氨水，再用去离子水定容至500 mL。
    2. 配制500 mL流动相B时，向乙腈中加入500 µL浓氨水和25 mL去离子水，再用乙腈定容至500 mL。
    3. 配制250 mL进样针清洗液时，向去离子水中加入120 mL乙腈和10 mL浓氨水，再用去离子水定容至250 mL。
    4. 使用液相色谱系统前，将流动相A、流动相B及进样针清洗液的瓶盖打开，置于超声波水浴中脱气20分钟。
  2. 将每个样品用25 µL含20%乙腈和4%浓氨水的溶液溶解，置于摇床上振荡20分钟。离心后将样品放入自动进样器中（保持在7 °C）。
  3. 取20 µL样品注入维持在50 °C的1 × 250 mm2 聚苯乙烯-二乙烯基苯（反相）整体柱中。
    1. 采用流速为0.3 mL/min的液相梯度洗脱程序，如表4所示。使用分流阀将前2分钟和最后5分钟的流出液（柱后）排入废液，以减少质谱仪的污染。

8. 质谱分析

注意：这些参数用于配备加热电喷雾离子源的四极杆-轨道阱杂交质谱仪。

  1. 根据表5设置离子源参数。
  2. 将质谱仪设置为在四极杆质量分析器中隔离天然Aβ1-42 （质荷比[m/z]为1,129.48）、15N-Aβ1-42（质荷比m/z为1,143.00）和13C-Aβ1-42（质荷比m/z为1,179.50）的4+电荷态，隔离宽度为2.5 m/z。
  3. 在碰撞池中以17.0的归一化碰撞能量（NCE）对隔离的肽段进行碎裂。该参数可能需要针对每台仪器进行优化，即使是相同类型的仪器（特别是使用其他类型仪器如三重四极杆质谱仪时）。
  4. 以17,500的分辨率记录碎片谱图，自动增益控制目标值设为2 × 105电荷，最大注入时间设为250 ms。

9. 数据处理

  1. 利用表6中产物离子（质量容差为±250毫质量单位[mmu]）的总和，计算每种肽的色谱峰面积。注意，离子类型和数量仅针对天然Aβ1-42产物离子列出，因为它们与15N-Aβ1-42和13C-Aβ1-42的产物离子相同。
  2. 通过将15N-Aβ1-42的曲线下面积（色谱峰）除以天然Aβ1-42的曲线下面积，计算两个响应因子样品的平均响应因子。
  3. 将步骤9.2中计算得到的响应因子乘以用于校准的15N-Aβ1-42浓度，以调整其浓度。
  4. 通过将两组校准品中15N-Aβ1-42与13C-Aβ1-42 的峰面积比值对浓度作图，构建校准曲线。
  5. 使用线性回归法计算校准曲线的斜率和截距。
  6. 计算未知样品中天然Aβ1-42与内标物（13C-Aβ1-42）的峰面积比值。
  7. 利用步骤9.5中获得的斜率和截距，根据校准曲线外推未知样品的浓度。

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结果

如图1所示的板布局用于全板样本。如果待分析的未知样本数量较少，则第二个校准品、RF和质控品组应放置在前半部分未知样本之后。

如图所示 图2校准品的检测值接近回归线，且标准差较小。该方法的定量下限为150 pg/mL，定量上限为4,000 pg/mL。校准曲线的残差标准差应尽可能低。若校准曲线呈非线性，应根据严重程度决定是否弃用该次检测，偏差很可能源于移液操作不当和/或校准品稀释过程中的误差。重复样本的变异系数（CV）应低于20%，最好低于10%。

天然的 15N- 和 13C-Aβ1-42 从液相色谱柱中同时洗脱（由于它们仅在同位素水平上存在差异），呈现接近对称的峰形，且无明显拖尾现象（

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讨论

对于所述方法，我们采用了替代分析物法13,14,15,16，而非使用替代基质，从而实现在人脑脊液（CSF）中进行校准。替代分析物法涉及两种不同的同位素标记标准品：一种（15NAβ142）用于在人脑脊液中建立校准曲线，另一种（13CAβ142）作为内标。未知的内源性Aβ142浓度则通过计算得到的内源性Aβ142/13CAβ142比值，从基于15NAβ142/13CAβ142比值构建的校准曲线中推算得出。由于无法获得不含分析物的脑脊液，且在方法开发过程中使用天然Aβ142在替代基质中时观察到Aβ1...

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披露

JP 和 EP 报告无利益冲突。HZ 曾担任罗氏诊断、礼来公司和 Pharmasum Therapeutics 的顾问委员会成员。KB 曾担任 Fujirebio Europe、IBL International 和罗氏诊断的顾问或顾问委员会成员。HZ 和 KB 是哥德堡大学旗下 GU Venture 平台公司——哥德堡脑生物标志物解决方案公司（Brain Biomarker Solutions in Gothenburg AB）的联合创始人。

致谢

本工作由国际临床化学联合会脑脊液蛋白质工作组代表完成，该工作组成员如下：Kaj Blennow（主席）和 Henrik Zetterberg，瑞典哥德堡大学；Les Shaw 和 Magdalena Korecka，美国宾夕法尼亚州费城大学；Ingrid Zegers，比利时盖尔的参考材料与测量研究所；Piotr Lewczuk，德国埃尔兰根大学医院；Rand Jenkins，美国弗吉尼亚州里士满PPD生物分析实验室；Randall Bateman，美国密苏里州华盛顿大学；H Vanderstichele，比利时根特Innogenetics NV公司。本工作也是全球生物标志物标准化联盟脑脊液参考方法工作组的一部分，该工作组由阿尔茨海默病协会医学与科学关系高级总监 Maria C. Carrillo 博士领导。本研究得到了瑞典研究理事会（资助编号 #14002、#521-2011-4709 和 #2013-2546）；克努特和爱丽丝·瓦伦堡基金会；Demensförbundet；以及 Emil 和 Wera Cornell 基金会、Aina Wallström 和 Mary-Ann Sjöblom 基金会、Gun 和 Bertil Stohne 基金会、Magnus Bergvall 基金会和 Gamla Tjänarinnor 基金会的支持。

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
Eppendorf Protein LoBind 微量离心管，0.5 mLEppendorf022431081
Eppendorf Protein LoBind 微量离心管，1.5 mLEppendorf022431081
Eppendorf Protein LoBind 微量离心管，2 mLEppendorf022431102
Eppendorf Protein LoBind 微量离心管，5 mLEppendorf0030 108.310
Eppendorf Protein LoBind 96 孔深孔板Eppendorf951032905
Micronic 0.75 mL 聚丙烯管，V 型底MicronicMPW32071BC3用于收集SPE洗脱液的试管，但也可使用其他收集装置，例如96孔板。
Micronic 分体式 TPE 96 孔管盖板MicronicMP53026Micronic管盖
Micronic Loborack-96 白色高盖条形码管架MicronicMPW51015BC3Micronic管架
Biohit Optifit 吸头 1.2 mL赛多利斯791210用于触及LoBind深孔板（96孔）的底部。其他窄口吸头也可能适用。
Waters Oasis MCX 96孔板 µ洗脱板Waters186001830BA 
Waters 板式多孔板储液槽托盘沃特斯WAT058942
Waters Oasis 96孔板萃取板歧管沃特斯186001831
氢氧化铵溶液，超纯 p.a.，符合 ISO 试剂标准，符合 Ph. Eur. 试剂标准，约 25% NH3 基础Sigma-Aldrich30501-1L-D
乙腈，远紫外HPLC梯度级，2.5 LFisher ScientificA/0627/17X
85% 正磷酸，ACS，ISO，Reag. Ph Eur默克密理博1005731000
盐酸胍，500 g赛默飞世尔科技24110
赛默飞世尔科技 Q-exactive 混合四极杆轨道阱质谱仪赛默飞世尔科技IQLAAEGAAPFALGMAZR配备 Dionex Ultimate 3000 液相色谱系统 &和自动进样器。
Dionex ProSwift RP-4H 整体柱（1.0 × 250 mm）Dionex066640
牛血清白蛋白，冻干粉，适用于分子生物学，非乙酰化Sigma-AldrichB6917
β-淀粉样蛋白（1-42），超纯，三氟乙酸rPeptideA-1002-2
15N 标记的β-淀粉样蛋白（1-42），均匀标记rPeptideA-1102-2
13C 均一标记的β-淀粉样蛋白（1-42）rPeptideA-1106-2
微孔板振荡器，TiMix 2Edmund Bühler6110 000

参考文献

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