前 言
液相色谱-质谱联用技术(liquid chromatography-mass spectrometry,LC-MS)作为生物样品分析中的关键技术,能够准确测定生物基质中待测物的浓度。然而,由于生物基质通常含有蛋白质、脂质和盐等多种组分,成分相对复杂,处理和分析过程中常出现待测物损失和信号波动。这些问题可能来自[1,2]:
➠ 样品前处理:在稀释、提取、浓缩和复溶等步骤中,待测物可能会因为转移不完全或吸附而损失。
➠ 色谱分离:非目标物质可能会与目标待测物竞争色谱柱上的吸附位点,导致峰形的改变。
➠ 质谱检测:共洗脱的物质与待测物竞争电离,可能会抑制或增强其离子化效率,也就是所谓的基质效应。
为了校正这一损失和信号波动,可在同一分析批次所有样品中加入等量内标(internal standard, IS),利用待测物和内标的响应比进行定量计算,以显著提高分析结果的准确度、精密度和方法可靠性。本文将讨论内标在LC-MS使用中的重要考量因素,包括内标选择、添加时机、浓度设置及异常评估等。
图1. 生物样品的前处理及LC-MS分析
内标选择
在LC-MS分析中,内标通常有两种类型,稳定同位素标记内标(stable isotope labeled internal standard, SIL-IS)和结构类似物内标(structural analogue internal standard)。
稳定同位素标记内标(SIL-IS)是指待测物中的1个或几个原子被各自的稳定同位素如2H、13C、15N或17O等取代的化合物。SIL-IS与待测物具有几乎完全相同的分子结构及理化性质[3],这种相似性确保了它们在样品制备时提取回收率一致,且在色谱分离时几乎同时洗脱,即便样品中其他组分影响待测物的质谱电离,该影响对SIL-IS也是一致的。这些优异的跟踪性能,使SIL-IS在LC-MS中得到广泛应用。
使用SIL-IS时需注意以下几点:
为最大限度减少质谱串扰(cross-talk)的发生,SIL-IS最好比待测物高出4~5个质量单位。
2H标记的内标易发生氘-氢交换[4],且随着氘数量的增加,其保留时间与待测物略有不同,从而引起两者基质效应的差异[5],因此优选13C、15N或17O标记的内标。
需关注内标纯度以避免对待测物造成干扰。
结构类似物内标可有效降低样品制备和仪器分析等过程中产生的实验误差,它们与待测物具有相似的分子结构和理化性质,特别是影响色谱和质谱行为的疏水性(logD)和电离特性(pKa)。一般来说,优选与待测物具有相同关键基团和官能团(如-COOH、-SO2、-NH2、卤素和杂原子等)的化合物作为内标,有助于降低内标与待测物之间电离效率和提取回收率的差异[6]。
内标添加时机
样品前处理和分析过程中有3个阶段均可加入内标:样品提取之前、提取之后且色谱分离之前以及色谱分离之后[7]。具体的加入时机需要考虑化合物类型、提取方式等。
1
样品提取之前:采用液液萃取(LLE)或固相萃取(SPE)等方式处理样品时,通常在加入缓冲液和有机溶剂前加入内标。
2
提取之后且色谱分离之前:有时可能难以在样品提取前加入内标,比如脂质体的检测,一般需要同时检测游离型和负载型,内标溶剂的过早引入可能会导致负载型向游离型转化,所以通常选择在SPE分离后加入。
3
色谱分离之后:在多组分同时检测的情况下,如果样品前处理复杂,需经过多步提取、纯化和浓缩,内标可能因为不同处理步骤而导致回收率不一致。此外,当内标在制备分离过程中存在稳定性问题时,可在色谱分离后采用柱后灌流方式,只引入一种通用内标。这不仅简化了分析过程,还能确保内标与待测物在相同条件下进行检测。
对于简单的样品前处理方式如蛋白沉淀等,内标的加入时机较为灵活,可直接在蛋白沉淀剂中加入。对于复杂的样品前处理条件,内标应尽早加入,以更早显现其跟踪作用。如特征肽段法定量抗体偶联药物(ADC)时,样品处理往往包含多个步骤:免疫捕获、变性、还原、烷基化、酶解及纯化等,内标通常在第一步免疫捕获前就加入,以最大程度模拟待测物在整个过程中的行为。
内标浓度
合适的内标浓度对数据结果的准确度有着至关重要的作用。仅在所有样品中加入等量内标不足以保证分析结果的准确性。正如图2加入不同浓度内标后的校准曲线关系图所示,当待测物对内标有干扰时,内标浓度越低,校准曲线的高浓度点对内标的影响越显著,这会导致待测物与内标的响应比降低,从而使校准曲线呈现非线性关系。目前内标的浓度设置尚无统一标准,实际使用中需综合考虑多种因素,比如内标和待测物之间的交叉干扰、质谱灵敏度和基质效应等。
图2. 加入不同浓度内标后校准曲线的线性关系图[9]
01
内标和待测物之间的交叉干扰
通常的接受标准是内标对待测物的信号贡献不超过定量下限(LLOQ)响应的20%,待测物对内标的信号贡献不超过内标响应的5%,这和法规指南(ICH M10 Guideline)对方法的选择性或特异性要求是一致的[10]。基于这些标准和交叉贡献的信号大小,可推算出最低内标浓度CIS-min和最高内标浓度CIS-max(见表1):
表1.内标浓度的推算公式
CIS-min=m×ULOQ/5
CIS-max=20×LLOQ/n
ULOQ表示定量上限;
m表示待测物对内标干扰贡献的百分比;
n表示内标对待测物的干扰贡献的百分比。
02
质谱检测灵敏度
内标灵敏度较高时,其浓度可降低,反之推荐使用更高浓度的内标以保证足够的信噪比(S/N)。另外内标和待测物的响应差异不宜过大,否则可能会影响线性回归结果的可靠性。
03
离子抑制或增强的基质效应
如有基质效应,最好使用稳定同位素标记内标,内标和待测物的色谱峰重叠程度越大,基质效应的影响越能更好地被抵消。由于待测物的浓度是变化的,而加入的内标浓度是恒定的,通常匹配在ULOQ浓度的1/3到1/2区间,因为这一部分预计涵盖大多数药物和代谢物的平均最高浓度Cmax,故此推荐内标浓度的信号响应约为待测物ULOQ的1/3或1/2处[11]。
04
内标的溶解度和SPE板材承载能力
内标浓度不宜过高,以免引起溶解度问题,或超过SPE板材的承载能力,导致待测物和内标不能有效被保留,从而降低回收率。
除此之外,内标浓度的设定还需要根据所测化合物的性质考虑更多的复杂情况,如新分子实体中的多肽类化合物,分析过程中经常会遇到吸附性问题,导致提取回收率低、残留较大。在设定相应的内标浓度时,同样需要考虑因其性质类似而与样品处理过程中的容器表面或LC-MS系统中可能的吸附位点相结合,这时高浓度内标的使用则能够有效减少或阻止待测物被吸附。
内标响应异常评估
使用内标可以很好地跟踪待测物在实验过程中的变化行为,实验过程中的异常也会反映在内标响应上,我们可借此了解到实验过程的真实情况。内标响应变异太大,可能会影响定量结果的准确度,法规上对“内标异常”并没有具体规定,通常是将未知样品的内标响应和校准曲线(calibration standard, CS)、质控样品(quality control, QC)的平均内标响应进行比较,超出预先设置的接受范围往往认为是内标异常。异常情况通常有两种:
1
个别样品的内标响应异常,可能是由于内标在添加、提取或进样过程中的偶然性变化引起,比如未添加或重复添加(见图3)。此时内标异常的样品数据准确性往往会受影响,这种情况多数由人为原因导致,可通过目视检查处理后每个样品孔的体积是否一致等来避免。
图3. 个别样品的内标响应异常[12]
2
系统性内标响应异常,可能是由于系统原因引起,如进样器、液相、质谱仪等导致,可通过检查仪器设备,观察色谱行为如保留时间变化、信号干扰或色谱峰异常等来判断。比如在进样过程中,进样针需先穿过样品板膜或瓶盖吸取样品,若存在碎片可能会堵塞进样针,这种情况内标变化没有明显的规律,一般受影响的样品及内标响应均会降低(见图4),但定量的准确性一般没有问题,除非进样量非常少,导致响应达不到信噪比(S/N)的要求。
图4. 进样器问题导致的内标响应异常[12]
内标异常对数据准确度是否有影响, 多数情况下不能用简单的“是”或“不是”来回答。一旦发生异常,应调查其根本原因,并对受影响的样品数据进行评估,判断是否可被接受或需重新分析、重新制备等。
案例分享
案例1
在开展细胞色素P450酶(CYP)抑制实验时,由于底物、代谢产物、标准抑制剂及各种类型候选化合物的存在,需要耗费大量时间进行色谱分离,以减少对目标代谢产物检测准确性的影响。对于常见的7种CYP酶亚型(CYP1A2、CYP2C8、CYP2D6、CYP2B6、CYP2C19、CYP3A、CYP2C9),我们评估并筛选出7个对应的SIL-IS(见图5),可有效追踪目标代谢产物的变化,且无需额外液相分离。
图5. 7种亚型酶产物对应SIL-IS的LC-MS色谱图
案例2
在ADME筛选阶段,考虑到化合物数量庞大且种类繁多,自动化操作程度高等特点,我们开发了多种通用型内标(见图6),能够确保从弱极性到强极性、酸性到碱性等待测物在不同样品前处理和分析条件下的检测准确性。
图6. 部分通用型内标的典型LC-MS色谱图
结 语
内标通过校正样品提取过程中的损失和分析信号的波动,确保了方法的可靠性和分析结果的准确性,在LC-MS分析中发挥着重要的作用。药明康德DMPK面对每年百万量级的样品及复杂多样的分子类型,在采用内标法定量生物基质中的药物浓度方面积累了丰富的经验,覆盖的分子类型包括但不限于小分子、生物标志物(Biomarker)、多肽(Peptide)、寡核苷酸(Oligo)及抗体偶联药物(ADC)等。内标选择时既可采用SIL-IS和结构类似物内标,基于早期药物研发样品通量高、研发周期短的特点,我们还可选用通用型内标的方案来跟踪和校正待测物在样品前处理和分析过程中的偏差。灵活的内标方案可显著提升样品处理和分析的效率,缩短研发周期,从而助力药物的早期研发。
参考文献:
[1] Wenkui Li, Jie Zhang, Francis L.S.TSE. Handbook of LC-MS bioanalysis: best practices, experimental protocols, and regulations, 2013.
[2] Wieling Jaap. LC-MS-MS Experiences with internal standards. Chromatographia Supplement. 55(2002) S107-S113.
[3] Wilfried M.A. Niessen, Paolo Manini, Roberto Andreoli. Matrix effects in quantitative pesticide analysis using liquid chromatography mass spectrometry. Mass Spectrometry Reviews. 25 (2006) 881-899.
[4] Thomas Berg, Dag Helge Strand. 13C labelled internal standards-A solution to minimize ion suppression effects in liquid chromatography–tandem mass spectrometry analysis of drugs in biological samples. Journal of Chromatography A. 1218(2011) 9366-9374.
[5] Sherry Wang, Matthew Cyronak, Eric Yang. Does a stable isotopically labeled internal standard always correct analyte response? A matrix effect study on a LC/MS/MS method for the determination of carvedilol enantiomers in human plasma. Journal of Pharmaceutical and Biomedical Analysis, 43 (2007) 701-707.
[6] Ellen Stokvis, Hilde Rosing and Jos H, Beijnen. Stable isotopically labeled internal standards in quantitative bioanalysis using liquid chromatography mass spectrometry: necessity or not? Rapid Communications In Mass Spectrometry. 19 (2005) 401-407.
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[10] International Council for Harmonisation (ICH) M10: Bioanalytical method validation and study sample analysis, 2022.
[11] Hongwei Liang, Rodger L. Foltz, Min Meng, Patrick K. Bennett. Ionization enhancement in atmospheric pressure chemical ionization and suppression in electrospray ionization between target drugs and stable-isotope labeled internal standards in quantitative liquid chromatography tandem mass spectrometry. Rapid Communications In Mass Spectrometry. 17(2003) 2815-2821.
[12] Aimin Tan, Saleh Hussain, Adrien Musuku, Robert Massé. Internal standard response variations during incurred sample analysis by LC–MS/MS: Case by case troubleshooting. Journal of Chromatography B, 877 (2009) 3201-3209.
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作者:李敏霞,文欣欣,朱春利,李小童,邢丽丽
编辑:富罗娜·克里木,钱卉娟
设计:倪德伟,张莹莹
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