Applications of Tandem Mass Spectrometry (MS/MS) in Protein Analysis for Biomedical Research

1. Giới thiệu

Proteomics – nghiên cứu toàn bộ bộ protein của một hệ sinh học – đã đóng vai trò quan trọng trong cả nghiên cứu cơ bản và lâm sàng. Các phương pháp phân tích proteomics đã được ứng dụng rộng rãi trong những thập kỷ qua để phát hiện sớm bệnh lý, phân biệt các giai đoạn bệnh và đưa ra chẩn đoán chính xác, hỗ trợ quyết định y khoa nhanh chóng nhằm giảm tỷ lệ tử vong ở nhiều loại bệnh khác nhau.

Khối phổ (MS) là một kỹ thuật phân tích hiện đại, được sử dụng để nhận diện các hợp chất chưa biết và định lượng các hợp chất đã biết. MS cung cấp thông tin về cấu trúc phân tử, khối lượng nguyên tử của toàn bộ phân tử, các mảnh phân tử và nguyên tử, giúp xác định và phân tích chính xác các đại phân tử sinh học, từ các tương tác và biến đổi của chúng đến chức năng sinh học trong điều kiện bình thường và bệnh lý.

Trong nghiên cứu y sinh, khối phổ y sinh (biomedical MS) gần như đồng nghĩa với proteomics và phát hiện dấu ấn sinh học (biomarkers). Mở ra nhiều cơ hội ứng dụng rộng lớn trong chẩn đoán tại chỗ (point-of-care diagnostics), phát hiện dấu ấn sinh học, xác minh và xác thực chúng trong nghiên cứu y sinh, y học lâm sàng và y học cá nhân hóa.

Bên cạnh những ứng dụng cổ điển trong phát hiện, xác minh và xác thực dấu ấn sinh học, MS/MS ngày nay còn được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực y sinh khác như:

• Xác định vi sinh vật (microbial identification) – giúp nhận diện nhanh chóng và chính xác các vi sinh vật gây bệnh.
• Sàng lọc trẻ sơ sinh – phát hiện sớm các bệnh lý di truyền hoặc chuyển hóa.
• Định lượng thuốc điều trị – giúp theo dõi hiệu quả của thuốc trong điều trị bệnh.
• Xác định biến đổi protein trong y học cá nhân hóa – giúp hiểu rõ hơn về biến đổi protein ở cấp độ bệnh nhân để điều trị chính xác hơn.

Những tiến bộ gần đây trong độ nhạy và độ phân giải của khối phổ đã cho phép xác định các dạng protein ung thư (tumor-specific proteoforms) mới, bao gồm cả các biến đổi hậu dịch mã (PTMs) và các biến thể có nguồn gốc từ bất thường di truyền hoặc biểu sinh.

Phương pháp MS/MS có khả năng phân tích các hỗn hợp protein phức tạp, xác định các biến thể protein (isoforms) và PTMs với lượng mẫu cực nhỏ (chỉ cần microgram – µg). Một phân tích MS đơn giản có thể xác định khối lượng phân tử của protein hoặc peptide, trong khi khối phổ hai lần (MS/MS) giúp phân tách các peptide thành các đoạn nhỏ hơn để giải trình tự peptide và xác định dấu ấn sinh học quan trọng.

Kỹ thuật sắc ký lỏng ghép nối với khối phổ hai lần (LC-MS/MS) kết hợp giữa khả năng phân tách cao của sắc ký lỏng hiệu năng cao (HPLC) với sức mạnh phân tích của MS, cho phép định danh và định lượng các phân tử nhỏ (peptides) một cách nhanh chóng, có độ nhạy và độ chính xác cao.

2. Thiết kế thí nghiệm MS/MS trong Proteomics

Giống như bất kỳ thí nghiệm proteomics nào khác, quy trình MS/MS proteomics đòi hỏi một chuỗi các bước xử lý, bao gồm:

1. Xử lý mẫu (thu thập, bảo quản, theo dõi).
2. Chuẩn bị mẫu (tiền xử lý, chiết tách/phân tách protein, tiêu hóa protein thành peptide, tinh sạch và phân đoạn peptide).
3. Thu nhận dữ liệu (sử dụng MS/MS để phân tích mẫu, so sánh dữ liệu với cơ sở dữ liệu).
4. Phân tích dữ liệu (xác định protein, so khớp với cơ sở dữ liệu, tìm kiếm dấu ấn sinh học).

Kết quả cuối cùng của quy trình là nhận diện protein, cho phép xác định thành phần và cấu trúc protein cũng như phát hiện các biến đổi hậu dịch mã (PTMs).

2.1. Chuẩn bị mẫu

Quy trình xử lý, thu thập, bảo quản và chuẩn bị mẫu là bước quan trọng trong nghiên cứu proteomics, ảnh hưởng lớn đến độ chính xác của LC-MS/MS trong y sinh, pháp y và phân tích vi sinh.

Nguồn mẫu phân tích trong LC-MS/MS

• Dịch cơ thể: Máu (huyết tương/huyết thanh), nước tiểu, sữa, nước bọt, mồ hôi, dịch mật, dịch nướu, dịch khớp, dịch màng nước mắt, dịch ối, dịch cổ tử cung, phân, khí thở ngưng tụ, dịch nang trứng, thủy dịch mắt, dịch não tủy (CSF), dịch ngoại bào từ tế bào nuôi cấy.
• Mẫu khô: Dịch núm vú khô trên thẻ Guthrie, vết máu khô (DBS).
• Mẫu pháp y: Tóc, xương, dịch cơ thể, móng tay, cơ, não, dấu vân tay.
• Tổ chức mô rắn: Cần xử lý thành dạng lỏng trước khi phân tích bằng đồng nhất hóa, vi phân tích, siêu lọc, chiết pha rắn vi mô (SPME).
• Mẫu vi sinh: LC-MS/MS xác định vi khuẩn, vi sinh vật đơn bào và protein ở cấp độ tế bào đơn.

Quy trình chuẩn bị mẫu

• Rửa tế bào bằng PBS để loại bỏ tạp chất trước khi thu hoạch.
• Ly giải tế bào: Dùng hóa chất ly giải (urea, SDS, Triton X-100) hoặc siêu âm để phá vỡ tế bào và giải phóng protein.
• Loại bỏ tạp chất:
  • Tủa protein: Sử dụng dung môi hữu cơ như ethanol, acetone, acetonitrile (ACN), TCA hoặc methanol/chloroform (hiệu quả nhất cho phân tích protein nước tiểu).
  • Chiết lỏng-lỏng (LLE), chiết pha rắn (SPE), hóa hấp phụ (ACP) để loại bỏ phospholipid và tạp chất.
• Làm giàu protein ít biểu hiện:
  • Loại bỏ albumin và kháng thể trong huyết tương/CSF bằng thuốc nhuộm hoặc kháng thể.

Kỹ thuật xử lý mẫu nâng cao

• Vi pha loãng, làm sạch, và làm giàu mẫu tự động trong phân tích LC-MS/MS vi liều (microdosing) và DBS.
• Định lượng protein trong mẫu trước phân tích MS/MS để tăng độ chính xác.
• Điện di gel polyacrylamide (PAGE):
  • 1D-PAGE (SDS-PAGE): Phân tách protein dựa trên khối lượng phân tử.
  • 2D-PAGE: Phân tách protein theo điểm đẳng điện (pI) và khối lượng phân tử.
• Phân đoạn protein dựa trên: Khối lượng, điện tích, độ kỵ nước.

Có 3 phương pháp proteomics sử dụng LC-MS/MS:

• Bottom-up proteomics (tiêu hóa protein thành peptide trước MS):
  • Xác định peptide, protein và PTMs nhưng không cung cấp nhiều thông tin về cấu trúc protein.
• Top-down proteomics (phân tích protein nguyên vẹn không tiêu hóa):
  • Cung cấp thông tin chi tiết về cấu trúc và PTMs, nhưng phức tạp khi có PTMs bất ngờ.
• Middle-down proteomics (tiêu hóa protein một phần, dùng peptide 3-12 kDa):
  • Kết hợp ưu điểm của cả hai phương pháp trên, đặc biệt hữu ích trong nghiên cứu PTMs đồng tồn tại.

Kỹ thuật tiêu hóa protein trước MS/MS

• Cắt mạch protein bằng enzyme phổ biến:
  • Trypsin (cắt sau Lysine, Arginine) – phổ biến nhất.
  • Chymotrypsin (cắt sau amino acid thơm: Phe, Tyr, Trp).
  • LysC, AspN, GluC (cắt tại amino acid acid).
  • Proteinase K (cắt các vòng lặp bề mặt protein màng).
• Cắt mạch hóa học: CNBr/formic acid.
• Phương pháp tiêu hóa protein:
  • In-gel digestion (IGD): Tiêu hóa protein sau khi tách bằng điện di gel (1D hoặc 2D-PAGE).
  • In-solution digestion (ISD): Kiểm soát tốt hơn, phù hợp với mẫu phức tạp.
  • On-bead digestion: Tiêu hóa protein ngay trên hạt từ để giảm hao hụt mẫu.

Phạm vi khối lượng peptide tối ưu cho MS/MS: Peptide có khối lượng 800-2000 Da là phù hợp nhất để giải trình tự bằng LC-MS/MS.

2.2. Phân tích mẫu (Phân đoạn, ion hóa và phân tích) và thu thập dữ liệu

2.2.1. Phân đoạn dựa trên HPLC/UPLC Phân tích MS trước

Sau khi chuẩn bị mẫu, protein được phân tách, ion hóa, phân tích bằng LC-MS/MS, và dữ liệu được thu thập để xác định peptide/protein.

Phân tách protein trước LC-MS/MS

• HPLC/UPLC:
  • Sắc ký trao đổi ion (IEX) – phân tách dựa trên điện tích.
  • Sắc ký pha đảo (RP-HPLC) – phân tách dựa trên độ kỵ nước.
  • 2D-HPLC kết hợp IEX và RP-HPLC để tăng hiệu suất.
• LC-MS/MS trực tuyến (ESI) hoặc gián tiếp (MALDI) giúp phát hiện và định lượng protein.

Phân tích LC-MS/MS và xác định protein

• LC-MS/MS tách peptide, sau đó phân mảnh bằng:
  • CID/CAD – va chạm ion.
  • EID/ETD – ion hóa điện tử hoặc truyền điện tử.
• Hệ phổ MS/MS ghi lại hàng nghìn quang phổ để so sánh với cơ sở dữ liệu protein.

Tối ưu hóa hiệu suất LC-MS/MS

• HPLC gradient dài hơn (120–360 phút) và tốc độ dòng chảy chậm hơn (nanoflow) → xác định nhiều protein hơn.
• 2D-LC-MS/MS trong nghiên cứu toàn bộ proteome, nhưng nano-LC-MS/MS có thể nhận diện 7000–9000 protein trong một lần chạy.
• MALDI-MSI tạo hình ảnh ion từ mô trước khi hóa lỏng và phân tích bằng LC-MS/MS, tăng số lượng peptide được phát hiện.

Hạn chế trong nghiên cứu proteomics quy mô lớn

• Số protein được xác định không phản ánh mức độ bao phủ trình tự protein.
• Phân tích PTMs yêu cầu bao phủ toàn bộ protein, nhưng hầu hết nghiên cứu proteomics chỉ nhận diện một phần trình tự.

2.2.2. Phân tích dữ liệu và nhận diện protein

Sau khi chuẩn bị mẫu, peptide được ion hóa bằng phương pháp ion hóa mềm như MALDI-MS hoặc ESI-MS, giúp phân tích protein có kích thước lớn và mở rộng ứng dụng của LC-MS/MS trong y sinh học.

MALDI-MS (Matrix-Assisted Laser Desorption/Ionization)

• Ứng dụng rộng rãi trong nghiên cứu và chẩn đoán lâm sàng, bao gồm ung thư, bệnh thần kinh, vi khuẩn kỵ khí, độc chất học, dược phẩm, thực phẩm, pháp y, và bảo tồn di sản.
• Cơ chế hoạt động:
  1. Peptide được tiêu hóa bằng trypsin.
  2. Hòa trộn với ma trận hữu cơ (HCCA, DHB) và kết tinh trên tấm MALDI.
  3. Chiếu laser, giải phóng ion đơn điện tích để phân tích bằng các hệ khối phổ như TOF-MS, quadrupole, ion trap.
• MALDI-TOF-MS có thể kết hợp với MS/MS để phân tích sâu hơn bằng CID (collision-induced dissociation).

ESI-MS (Electrospray Ionization)

• Ứng dụng phổ biến trong phòng thí nghiệm lâm sàng, thường kết hợp với HPLC để tạo thành LC-ESI-MS/MS.
• Cơ chế hoạt động:
  1. Mẫu hòa tan được phun sương vào MS.
  2. Giọt dung dịch bốc hơi, tạo ion đa điện tích.
  3. Các ion được phân tích bằng MS để tạo ra quang phổ phức tạp.
• LC-ESI-MS/MS giúp phát hiện peptide chẩn đoán và điều trị từ huyết tương.

Hạn chế của Bottom-up Proteomics với MALDI-MS/ESI-MS

• Độ chính xác và độ đặc hiệu cao nhưng:
  • Không bao phủ toàn bộ protein.
  • Định lượng có thể bị sai lệch.
  • Khó phân tích proteoform đầy đủ.

2.2.3. Thu thập dữ liệu

Quá trình thu thập dữ liệu trong LC-MS/MS có thể thực hiện bằng hai phương pháp chính: MS/MS không nhắm mục tiêu (non-targeted) và MS/MS nhắm mục tiêu (targeted).

Phương pháp MS/MS không nhắm mục tiêu (Non-targeted MS/MS)

• Shotgun proteomics (DDA – Data-Dependent Acquisition):
  • Chọn lọc ion tiền chất có cường độ cao nhất để phân mảnh, nhưng có thể bỏ sót ion có cường độ thấp.
• DIA (Data-Independent Acquisition):
  • Phân mảnh tất cả ion tiền chất trong một dải m/z cố định, giúp phân tích mẫu mô và tế bào với độ nhạy cao và khả năng tái lập tốt hơn.
• LC-MS/MS kết hợp DDA giúp phát hiện peptide không xác định, sau đó có thể phát triển phương pháp targeted proteomics (SRM/MRM) dựa trên dữ liệu thu được.

Phương pháp MS/MS nhắm mục tiêu (Targeted MS/MS)

• SRM (Selected Reaction Monitoring) / MRM (Multiple Reaction Monitoring):
  • Chỉ phân tích một nhóm peptide đã biết trước, giúp định lượng chính xác trong nghiên cứu dấu ấn sinh học.
  • Sử dụng triple quadrupole (QqQ) hoặc hybrid quadrupole-linear ion trap (QTrap).
• PRM (Parallel Reaction Monitoring):
  • Phân tích tất cả ion sản phẩm của peptide mục tiêu bằng Orbitrap hoặc QTOF, giúp độ chính xác cao hơn so với MRM.

2.3. Phân tích dữ liệu

Các phương pháp phân tích peptide:

• • De novo sequencing: Giải trình tự peptide mà không cần cơ sở dữ liệu.
  • Peptide Mass Fingerprinting (PMF): So sánh khối lượng peptide với dữ liệu lý thuyết.
  • So khớp peptide với cơ sở dữ liệu bằng công cụ như Mascot, X!Tandem, Proteome Discoverer, MS-Fit, ProFound.
• Mỗi protein được xác định dựa trên nhiều peptide, giúp tăng độ tin cậy.

Xác minh và xác thực dữ liệu

• ELISA và Western blotting xác minh sự biểu hiện của protein đã xác định.
• Để giảm sai số, nghiên cứu thường yêu cầu ít nhất 2 peptide để xác nhận một protein.

Chiến lược tối ưu hóa nhận diện protein

• Mở rộng phạm vi sai số của ion tiền chất và ion phân mảnh để tăng số peptide được xác định.
• Xem xét các PTMs như biến đổi có thể xảy ra, tăng cường nhận diện protein.
• Cho phép trypsin bỏ sót một số vị trí cắt để mở rộng khả năng giải trình tự.
• Sử dụng phần mềm bổ sung như Scaffold để khai thác dữ liệu mà không tốn nhiều thời gian của nhà nghiên cứu.

Phân tích chuyên sâu để mô tả cấu trúc protein

• ESI-MS, ESI-MS/MS và LC/HPLC/UPLC-MS/MS được kết hợp khi cần nghiên cứu cấu trúc protein trong sinh học phân tử hoặc nghiên cứu ứng dụng.

3. Ứng dụng của Khối phổ Hai lần (MS/MS) trong Nghiên cứu Y sinh

3.1. Ứng dụng của Tandem MS-Based Proteomics trong Hệ thống sinh học

Khối phổ hai lần (MS/MS) được sử dụng trong nghiên cứu hệ sinh học để phân tích protein ở nhiều cấp độ khác nhau, từ môi trường vi sinh, mô, cơ quan, tế bào, cho đến mức độ phân tử.

Phân tích cộng đồng vi sinh vật (Microbiota Analysis)

• MS/MS giúp phân tích các hệ vi sinh trong đường ruột, da, miệng và âm đạo để hiểu rõ hơn về vai trò của microbiome đối với sức khỏe con người.
• Ví dụ, LC-MS/MS được sử dụng để xác định thành phần protein trong hệ vi sinh đường ruột, giúp hiểu rõ hơn về cơ chế tương tác giữa vi sinh vật và hệ miễn dịch.

Phân tích protein theo cấp độ cơ thể (Organ-Level Proteomics)

• MS/MS được sử dụng để phân tích protein trong các mô và cơ quan nhằm xác định các dấu ấn sinh học đặc trưng.
• Ví dụ:
  • Nghiên cứu proteomics của gan, tim, thận, não, mô mỡ giúp phát hiện protein liên quan đến bệnh gan nhiễm mỡ, suy tim, Alzheimer, tiểu đường.
  • LC-MS/MS phân tích nước mắt để phát hiện dấu ấn sinh học của bệnh khô mắt và loạn dưỡng giác mạc.

Proteomics cấp độ tế bào (Cellular and Subcellular Proteomics)

Sinh học hệ thống ở cấp độ tế bào sử dụng LC-MS/MS để phân tích sự biểu hiện, biến đổi hậu dịch mã (PTMs) và vị trí của protein trong các bào quan như màng tế bào, tế bào chất, nhân, ty thể, lưới nội chất, lysosome, peroxisome, khung xương tế bào và exosome.

• LC-MS/MS giúp xác định proteome hoàn chỉnh của các dòng tế bào đơn lẻ, như tế bào HeLa, tế bào thấu kính mắt, tế bào T của con người và tế bào phôi đơn lẻ.
• Phân tích ribosome bằng MS ba cấp (shotgun LC-MS/MS, top-down LC-MS/MS, native MS) giúp xác định protein ribosome và biến đổi hậu dịch mã của chúng trên nhiều loài.
• LC-MS/MS và MALDI-TOF-MS được sử dụng để phân tích protein tinh trùng, xác định các con đường phân tử bị lỗi trong vô sinh nam.
• LC-MS/MS giúp nhận diện protein trong dịch tiết của tế bào (secretome), quan trọng trong tương tác tế bào và phát triển phôi.
• Tế bào đuôi gai của con người được phân tích bằng LC-MS/MS kết hợp triple TOF để nghiên cứu miễn dịch.
• Proteomics của tế bào gốc trung mô từ mô mỡ đã được ứng dụng trong liệu pháp tế bào gan như một phương án thay thế ghép gan.

3.2. Ứng dụng của Tandem MS trong Biofluids Proteomics và Đánh giá hoạt động của Enzyme

Phân tích dịch cơ thể (biofluid) là một thách thức trong proteomics do lượng mẫu ít và sự chênh lệch lớn về nồng độ protein. Tuy nhiên, MS/MS đóng vai trò quan trọng trong việc phát hiện dấu ấn sinh học (biomarkers) trong nhiều loại dịch cơ thể, bao gồm:

• Nước bọt: LC-MS/MS xác định protein trong nước bọt của con người.
• Sữa mẹ: Phân tích bằng HPLC-Quadrupole-Orbitrap giúp nhận diện protein của con người và vi sinh vật.
• Nước tiểu: LC-MS/MS trên hệ thống Triple TOF- UPLC giúp xác định protein trong nước tiểu của người khỏe mạnh.
• Nọc ong: LC-MALDI-TOF/TOF phân tích proteome của nọc ong, giúp nghiên cứu độc tố, dị nguyên và phát triển dược phẩm tiềm năng.
• Dịch núm vú: nLC-ESI-QTOF giúp phát hiện dấu ấn sinh học sớm của ung thư vú.
• Dịch não tủy (CSF): Orbitrap LC-MS/MS mô tả proteome của CSF, hỗ trợ nghiên cứu các bệnh thần kinh.
• Dịch mật: nanoLC-MS/MS phát hiện dấu ấn sinh học cho ung thư gan, ung thư tụy.
• Dịch cổ tử cung (CVF): MS/MS kết hợp iTRAQ xác định protein liên quan đến sinh non không triệu chứng.
• Dịch khí thở: Phân tích TMT-MS/MS giúp xác định protein biểu hiện khác biệt ở bệnh nhân COPD.
• Dịch nang trứng: Tandem MS giúp nghiên cứu hội chứng buồng trứng đa nang (PCOS) ở phụ nữ thừa cân và bình thường.
• Máu sơ sinh (DBS): MS/MS kết hợp sắc ký lỏng giúp sàng lọc bệnh di truyền, như mucopolysaccharidosis và bệnh neuron ceroid lipofuscinosis.
• Enzyme tiêu hóa: LC-MS/MS xác định enzyme tiêu hóa của cây nắp ấm, hỗ trợ điều trị bệnh celiac.
• Nghiên cứu thực vật và côn trùng:
  • Xác định enzyme của thực vật ảnh hưởng đến hệ tiêu hóa của côn trùng ăn thực vật.
  • Phát hiện protein diệt côn trùng tiềm năng để kiểm soát sinh học.

3.3. Ứng dụng của Tandem MS trong khám phá dấu ấn sinh học

LC-MS/MS là công cụ quan trọng trong y học lâm sàng, đặc biệt trong việc xác định và định lượng dấu ấn sinh học không xâm lấn từ dịch cơ thể để chẩn đoán bệnh.

a. Dấu ấn sinh học trong ung thư

• Máu (huyết tương/huyết thanh): LC-MS/MS giúp phát hiện dấu ấn sinh học cho ung thư đại trực tràng, ung thư phổi không tế bào nhỏ, ung thư vú.
• Dịch núm vú (NAF): Phân tích LC-MS/MS xác định protein liên quan đến ung thư vú.
• Nước bọt: Xác định dấu ấn sinh học của ung thư miệng, ung thư dạ dày, ung thư biểu mô tế bào vảy ở chó.
• Nước tiểu: LC-MS/MS phát hiện protein liên quan đến ung thư vú, ung thư bàng quang.

b. Dấu ấn sinh học trong bệnh tim mạch, tiểu đường và viêm khớp

• Bệnh gan cấp tính do viêm gan B: LC-MS/MS xác định dấu ấn sinh học trong huyết tương.
• Bệnh tiểu đường thai kỳ (GDM): Phân tích nanoLC-MS/MS phát hiện dấu ấn sớm ở phụ nữ có nguy cơ cao.
• Bệnh tiểu đường type 2: Xác định protein trong máu có liên quan đến cơ chế bệnh sinh.
• Bệnh viêm khớp cột sống (Ankylosing Spondylitis): LC-MS/MS phát hiện protein biểu hiện khác biệt trong dịch khớp.

c. Dấu ấn sinh học trong bệnh về mắt và thần kinh

• Dịch nước mắt: LC-MS/MS phát hiện dấu ấn sinh học cho bệnh khô mắt và rối loạn tuyến Meibomian.
• Dịch thủy dịch mắt: LC-MS/MS tìm thấy fetuin-A là dấu ấn sinh học tiềm năng của bệnh đục thủy tinh thể do tiểu đường và hút thuốc.

d. Dấu ấn sinh học trong biến chứng thai kỳ và sơ sinh

• Dịch ối (AF): LC-MS/MS phát hiện protein liên quan đến chuyển dạ sinh non (PTL), vỡ ối sớm (PROM).
• Hệ protein giữa mẹ và thai nhi: Phân tích LC-MS/MS trên huyết tương mẹ giúp xác định các biến thể protein di chuyển qua nhau thai.
• Sàng lọc sơ sinh: MS/MS giúp phát hiện dấu ấn sinh học của bệnh lý võng mạc ở trẻ sinh non, viêm phổi tân sinh, nhiễm trùng huyết muộn, và viêm ruột hoại tử.

e. Ứng dụng trong dược học và điều trị cá nhân hóa

• LC-MS/MS phân tích enzyme chuyển hóa thuốc và protein vận chuyển thuốc giúp tối ưu hóa điều trị cá nhân hóa.

3.4. Ứng dụng của Tandem MS trong Oncoproteomics và các bệnh không liên quan đến ung thư

LC-MS/MS là công cụ quan trọng để xác định và định lượng protein trong dòng tế bào ung thư và khối u của con người, giúp nghiên cứu cơ chế ung thư, di căn và dấu ấn sinh học.

Ứng dụng trong nghiên cứu ung thư

• Ung thư vú:
  • LC-MS/MS giúp xác định protein liên quan đến sự hình thành khối u, di căn và dấu ấn sinh học liên quan đến môi trường thiếu oxy (hypoxia).
  • So sánh proteome của sữa mẹ giữa người bị ung thư vú và người khỏe mạnh để phát hiện protein thay đổi trong ung thư.
• Ung thư vòm họng:
  • Kỹ thuật SILAC kết hợp với SWATH-MS giúp xác minh dữ liệu proteomics trong ung thư vòm họng.
• Ung thư phổi không tế bào nhỏ (NSCLC):
  • LC-MS/MS xác định protein trong huyết thanh và nước tiểu của bệnh nhân ở các giai đoạn khác nhau.
• Ung thư cổ tử cung:
  • LC-MS/MS phát hiện protein dấu ấn sinh học trong huyết tương và nước tiểu.
  • MMRN1 và LRG1 tăng biểu hiện, trong khi S100A8, SERPINB3, CD44 giảm biểu hiện trong nước tiểu của bệnh nhân ung thư cổ tử cung.
• Ung thư tuyến yên:
  • 2DE-LC-MS/MS phân tích protein trong mô tuyến yên phức tạp.
• Phát hiện ung thư trong phẫu thuật:
  • MasSpec Pen kết hợp MS/MS giúp phát hiện nhanh dấu ấn sinh học từ lipid, protein và chuyển hóa, hỗ trợ chẩn đoán trong phẫu thuật.

Ứng dụng trong nghiên cứu bệnh lý liên quan

• Bệnh vẩy nến (psoriasis):
  • LC-MS/MS xác định sự thay đổi trong tín hiệu nội bào và chuyển hóa protein/RNA, giúp giải thích tốc độ tái tạo nhanh của tế bào biểu bì bị tổn thương.
• Bệnh tim mạch:
  • LC-MS/MS phát hiện protein liên quan đến thay đổi khung tế bào và chuyển hóa năng lượng ở mô tim của chuột bị tắc mạch vành nhỏ.

3.5. Ứng dụng của Tandem MS trong Neuroproteomics

LC-MS/MS là công cụ quan trọng trong phân tích proteome não bộ, giúp nghiên cứu cơ chế thần kinh, bệnh thoái hóa thần kinh và rối loạn tâm thần.

Ứng dụng trong nghiên cứu não bộ và thần kinh

• Phân tích proteome thần kinh:
  • DIA-MS/MS giúp nghiên cứu proteome của synapse và cơ chế dẻo dai thần kinh.
  • LC-ESI-MS/MS định lượng chất dẫn truyền thần kinh trong mô não chuột thí nghiệm.
  • LC-MS/MS phân tích neuropeptide trong tủy sống chuột để nghiên cứu đau mãn tính.
• Phát triển thuốc thần kinh:
  • LC-MS/MS hỗ trợ nghiên cứu chuyển hóa thuốc và dược động học trong hệ thần kinh trung ương (CNS).

Ứng dụng trong bệnh thoái hóa thần kinh

• Bệnh Alzheimer (AD):
  • LC-MS/MS đo nồng độ Amyloid-β (Aβ) và Apolipoprotein E (APOE) trong dịch não tủy và huyết tương.
  • Kết hợp native MS và LC-MS/MS để nghiên cứu phosphoryl hóa và kết tụ của tau protein – dấu hiệu quan trọng của AD.
• Bệnh Parkinson (PD), xơ cứng teo cơ một bên (ALS), dị tật ống thần kinh (NTDs):
  • LC-MS/MS không gắn nhãn (label-free) xác định dấu ấn sinh học trong dịch não tủy (CSF).

Ứng dụng trong rối loạn tâm thần và đau mãn tính

• Tự kỷ (ASD):
  • LC-MS/MS tìm thấy protein khác biệt trong nước tiểu và nước bọt, hỗ trợ phát hiện dấu ấn sinh học ASD.
• Rối loạn trầm cảm nặng (MDD) và tâm thần phân liệt (SCZ):
  • HPLC-MS/MS và MALDI-TOF MS, xác thực bằng ESI-QTOF MS, giúp phân biệt bệnh nhân MDD và SCZ dựa trên dấu ấn sinh học huyết tương.
• Bệnh thần kinh tiểu đường đau đớn (DPN):
  • LC-MS/MS kết hợp TMT-labeling giúp tìm dấu ấn sinh học trong tủy sống để nghiên cứu cơ chế giảm đau của châm cứu điện, tác dụng chống oxy hóa và hạ đường huyết.
• Đau đầu do lạm dụng thuốc và hội chứng miệng bỏng rát:
  • 2DE kết hợp LC-MS/MS phân tích protein huyết thanh để hiểu cơ chế sinh học của đau đầu mãn tính và hội chứng miệng bỏng rát.

3.6. Phát hiện và định lượng Biến đổi Hậu Dịch mã (PTMs) bằng phổ khối song song

MS/MS giúp xác định các biến đổi hậu dịch mã (PTMs) quan trọng như phosphoryl hóa, acetyl hóa, glycosyl hóa, ubiquitin hóa.

Phosphoryl hóa trong ung thư

• LC-MS/MS xác định vị trí phosphoryl hóa của protein kinase trong ung thư.

Glycosyl hóa trong bệnh tiểu đường

• Phân tích N-glycosyl hóa của protein màng trong tế bào beta tuyến tụy.
  1. Ứng dụng MS/MS để đánh giá chất lượng mẫu sinh học và tối ưu hóa phương pháp phân tích

Biến đổi hậu dịch mã (PTMs) đóng vai trò quan trọng trong điều hòa các quá trình tế bào bằng cách thay đổi cấu trúc, vị trí không gian-thời gian và chức năng phân tử của protein. MS/MS là công cụ quan trọng để xác định chính xác vị trí và loại PTMs trong protein, giúp hiểu rõ hơn về cơ chế bệnh học.

Ứng dụng của LC-MS/MS trong phân tích PTMs

• Xác định PTMs liên quan đến ung thư và bệnh lý khác:
  • LC-MS/MS phát hiện protein methyl hóa, phosphoryl hóa và acetyl hóa trong bệnh bạch cầu.
  • Protein màng N-glycosyl hóa được xác định là dấu ấn sinh học trong ung thư vú.
  • Protein S-nitrosyl hóa (SNO) của tế bào nội mô tĩnh mạch rốn người được phát hiện bằng MS/MS.
  • Vị trí ubiquitin hóa trong ung thư tuyến yên, ung thư buồng trứng SKOV3 và nấm men S. cerevisiae được phân tích để nghiên cứu phản ứng với stress oxy hóa.
• PTMs trong điều hòa tín hiệu tế bào:
  • Thiol PTMs được định lượng bằng LC-MS/MS, đóng vai trò quan trọng trong điều hòa phụ thuộc oxi hóa-khử, hoạt động enzyme, tự thực bào (autophagy), phản ứng protein chưa cuộn (UPR) và con đường ubiquitin hóa trong tế bào beta tuyến tụy dưới stress ER.
  • Phosphoryl hóa và acetyl hóa liên quan mạnh đến quá trình tân sinh trong ung thư vú và buồng trứng, được phân tích bằng UPLC-MS/MS độ phân giải cao.
  • Fucosyl hóa lõi protein ảnh hưởng đến gấp cuộn protein, ổn định, miễn dịch, kích hoạt thụ thể, có liên quan đến bệnh tự miễn, ung thư và xơ gan.

Khả năng xác định chính xác vị trí PTMs bằng MS/MS

• MS/MS có thể xác định vị trí phosphoryl hóa trên peptide, ngay cả khi có nhiều gốc tyrosine khả năng bị phosphoryl hóa.
• Ví dụ peptide có ba vị trí phosphoryl hóa tiềm năng (SYY), MS/MS vẫn có thể xác định chính xác vị trí bị phosphoryl hóa.
  1. Ứng dụng MS/MS để đánh giá chất lượng mẫu sinh học và tối ưu hóa phương pháp phân tích

Nghiên cứu proteome của các mô hình tế bào ung thư

• Ung thư tuyến tiền liệt (CaP): LC-MS/MS đặc trưng hóa proteome của dòng tế bào PHEC trong mô hình ung thư tuyến tiền liệt.
• Ung thư buồng trứng (EOC): 2D-LC-MS/MS kết hợp TMT phân tích proteome của các mô hình tế bào ung thư biểu mô buồng trứng.
• U nguyên bào thần kinh đệm (glioblastoma):
  • LC-MS/MS và MALDI-TOF xác định protein ty thể liên quan đến dòng tế bào glioblastoma T98G và U87MG.

Nghiên cứu kháng thuốc trong ung thư

• LC-MS/MS giúp xác định protein ABC transporter được biểu hiện quá mức trong dòng tế bào kháng thuốc, góp phần nghiên cứu cơ chế kháng thuốc của tế bào ung thư.

Phân tích dịch ngoại bào và dấu ấn sinh học

• Dịch ngoại bào của tế bào HeLa được phân tích bằng DIA-LC-MS/MS sau khi loại albumin, hỗ trợ nghiên cứu protein bài tiết trong phản ứng với TNF (yếu tố hoại tử khối u).
• 2D-LC-MS/MS trên hệ thống LQT-MS với nano-ESI cho thấy dịch ngoại bào của dòng tế bào ung thư vú chứa nhiều protein bài tiết tiềm năng có thể trở thành dấu ấn sinh học huyết thanh.

Nghiên cứu ung thư dạ dày và vi khuẩn Helicobacter pylori

• HPLC-MS/MS phân tích proteome của dòng tế bào ung thư dạ dày (AGS, SGC-7901) có biểu hiện HpaA – một protein bề mặt của H. pylori, giúp nghiên cứu cơ chế bám dính và phát triển thuốc chống bám dính.
  1. Ứng dụng của Tandem MS trong nghiên cứu In Vitro

MS/MS đóng vai trò quan trọng trong nhận diện vi khuẩn, virus và nghiên cứu tương tác vi-rút – vật chủ, giúp chẩn đoán nhanh các bệnh truyền nhiễm và hiểu rõ cơ chế gây bệnh.

Ứng dụng trong nhận diện vi khuẩn và xét nghiệm vi sinh

• Nhận diện vi khuẩn kỵ khí trong lâm sàng: MALDI-TOF-MS có độ chính xác cao trong nhận diện vi khuẩn kỵ khí.
• Chẩn đoán nhanh nhiễm khuẩn tiết niệu:
  • MALDI-TOF-MS kết hợp xét nghiệm kháng sinh giúp nhận diện nhanh vi khuẩn Gram âm đến mức độ loài, hỗ trợ điều trị kịp thời.
• Hạn chế của MALDI-TOF-MS trong nhiễm trùng máu:
  • LC-MS/MS có khả năng nhận diện hàng nghìn peptide, vượt trội hơn MALDI-TOF-MS trong xét nghiệm nhiễm trùng máu.

Ứng dụng LC-MS/MS trong nghiên cứu vi sinh vật

• LC-MS/MS phân tích proteome của vi khuẩn Helicobacter pylori, giúp đánh giá tính độc lực trong loét tá tràng, ung thư dạ dày và viêm dạ dày tự miễn.
• Phân tích metaproteomics LC-MS/MS giúp nghiên cứu enzym urease trong vi khuẩn phân giải ure ở dạ cỏ bò, hỗ trợ tăng trưởng và sản xuất sữa.

Ứng dụng trong nghiên cứu vi-rút và bệnh truyền nhiễm

• Nghiên cứu HIV-1: LC-MS/MS giúp vẽ bản đồ protein bào quan để hiểu rõ sự tương tác giữa HIV-1 và tế bào vật chủ.
• Nghiên cứu vi-rút gây u ở gia cầm:
  • iTRAQ-LC-MS/MS xác định protein tăng/giảm biểu hiện trong tế bào DF-1 nhiễm vi-rút gây khối u ở gia cầm, hỗ trợ nghiên cứu cơ chế gây bệnh.
• Chẩn đoán SARS-CoV-2:
  • LC-MS/MS xác định 6 dấu ấn peptide đặc hiệu cho SARS-CoV-2, có thể được dùng bổ sung cho xét nghiệm RT-qPCR.
  1. Ứng dụng của MS/MS trong Foodomics

Ứng dụng trong kiểm tra chất lượng sữa và các bệnh ở bò sữa

• LC-MS/MS phân tích proteome của sữa bò trong điều kiện bình thường và bệnh lý, như viêm vú do vi khuẩn coliform hoặc tụ cầu âm tính với coagulase.
• LC-ESI-MS/MS phát hiện peptide thuộc protein của thực khuẩn thể trong vi khuẩn Streptococcus spp. gây viêm vú.

Kiểm tra gian lận thực phẩm và xác thực nguồn gốc thực phẩm

• LC-MS/MS phát hiện gian lận trong thủy sản bằng cách xác định protein đặc trưng của hải sản.
• LC-MS/MS xác định và định lượng protein gây dị ứng trong hải sản có phản ứng IgE.
• RP-LC-QTOF-MS/MS phân tích peptide để phân biệt cá hồi nuôi tại Canada với cá hồi hoang dã.
• HPLC-MS/MS phát hiện protein casein và whey chưa khai báo trong sản phẩm thịt, ảnh hưởng đến người dị ứng sữa.
• MS/MS phân biệt protein từ thịt ngựa, bò và heo trong xúc xích nấu chín hoặc hun khói.

Ứng dụng trong phát hiện chất độc sinh học và dị ứng thực phẩm

• MALDI-MS và LC-ES-MS/MS được sử dụng để phát hiện độc tố ricin, một protein có tiềm năng sử dụng trong khủng bố sinh học.
• LC-MS/MS giúp xác định peptide gluten gây dị ứng và bệnh celiac trong ngũ cốc.

Ứng dụng trong thực phẩm chức năng và chế biến thực phẩm

• LC-MS/MS phân tích proteome của thực phẩm chức năng như chiết xuất thực vật, thực phẩm bổ sung, và dược liệu dinh dưỡng.
  • Chiết xuất từ lúa mì giúp ngăn ngừa nhồi máu cơ tim.
  • Chiết xuất từ trà có tác dụng cải thiện hội chứng chuyển hóa và ảnh hưởng đến proteome gan.
• MALDI-TOF-MS và HPLC-ESI-MS/MS giúp hiểu rõ ảnh hưởng của quá trình chế biến (xử lý sau thu hoạch, rang) lên protein trong hạt cà phê xanh và mối liên quan với chất lượng, hương vị cà phê.
• LC-MS/MS xác định dipeptide vòng – hợp chất ảnh hưởng đến vị giác trong trà.
• Proteomics trên nhân sâm giúp hiểu rõ cơ chế tổng hợp ginsenoside, hỗ trợ canh tác nhân tạo.
  1. Ứng dụng LC-MS/MS trong Exposomics và Ô Nhiễm Môi Trường

Phát hiện chất ô nhiễm trong môi trường

• LC-MS/MS giúp phát hiện vi nhựa, kim loại nặng và chất ô nhiễm trong mẫu môi trường.
• Phân tích proteome vi khuẩn kháng kháng sinh trong môi trường để đánh giá tác động của ô nhiễm.

Ứng dụng trong exposomics (khoa học nghiên cứu phơi nhiễm môi trường)

• LC-MS/MS phân tích protein không nhắm mục tiêu trong nước thải để nghiên cứu tác động của ô nhiễm.
• LC-MS/MS kết hợp ion hóa mềm hiện đại giúp xác định các protein trong mẫu từ hệ thống xử lý nước thải.
• Phân tích proteome từ mẫu sinh thiết da sau phơi nhiễm với chất kích ứng để đánh giá ảnh hưởng lên sức khỏe con người.

BÀI VIẾT MỚI >>

• 
  Các phương pháp phân tích định lượng, định tính15/01/2026
  Các phương pháp phân tích định lượng, định tính Giá trên đã bao gồm thuế phí.
• 
  Các phương pháp phân tích Sinh Hóa Lý15/01/2026
• 
  Tổng quan về ELISA05/05/2025
  ELISA (Enzyme-linked immunosorbent assay) là kỹ thuật xét nghiệm miễn dịch sử dụng enzyme để phát hiện và định lượng kháng nguyên hoặc kháng thể. Có […]
• 
  Các phương pháp chiết tách protein trong nghiên cứu proteomics và ứng dụng10/04/2025
  Các tiến bộ trong công nghệ proteomics không thể khắc phục được các vấn đề trong chuẩn bị mẫu. Các bước như đồng nhất hóa mô, […]
• 
  Sự hình thành cầu disulfide trong protein10/04/2025
  Tầm quan trọng của cầu nối Disulfide Ổn định cấu trúc Protein: Cầu nối disulfide giúp ổn định cấu trúc bậc ba và bậc bốn của […]
• 
  TỔNG QUAN WESTERN BLOTTING28/03/2025
  Western Blotting (WB) là kĩ thuật phân tích protein được sử dụng rộng rãi trong ngành sinh hoá, sinh học phân tử. Là một kĩ thuật […]
• 
  Palmitoyl và khử palmitoyl: Vai trò trong sinh học tế bào và ung thư24/03/2025
  Palmitoyl hóa là quá trình gắn nhóm palmitate vào protein, giúp điều chỉnh vị trí và chức năng của chúng. Quá trình này có thể đảo […]
• 
  Phân tích trình tự kháng thể: Khám phá sự đa dạng và ứng dụng24/03/2025
  Cấu trúc kháng thể Kháng thể, còn được gọi là immunoglobulin, là một cấu trúc hình chữ Y bao gồm bốn chuỗi polypeptide – hai chuỗi […]
• 
  Giải trình tự peptide: Công cụ cốt lõi trong nghiên cứu Proteomics21/03/2025
  Giải trình tự peptide là quá trình xác định trình tự các axit amin trong một chuỗi peptide. Đây là kỹ thuật then chốt trong proteomics, […]
• 
  Phân tích axit amin trong dinh dưỡng và công nghiệp thực phẩm21/03/2025
  Axit amin đóng vai trò then chốt trong việc làm sáng tỏ mối quan hệ phức tạp giữa dinh dưỡng và ngành công nghiệp thực phẩm. […]
• 
  Phân tích axit amin trong kiểm soát chất lượng protein tái tổ hợp21/03/2025
    Dược phẩm sinh học protein tái tổ hợp Rối loạn chức năng của các protein có trình tự axit amin bất thường hoặc không có […]
• 
  TỔNG QUAN VỀ SDS-PAGE14/03/2025
  SDS-PAGE là gì? Điện di trên gel polyacrylamide biến tính với sodium dodecyl sulfate (SDS-PAGE) là một kỹ thuật điện di protein phổ biến trong sinh […]
• 
  LIPID HÓA PROTEIN: CƠ CHẾ, PHÁT HIỆN VÀ CÁC BỆNH LÝ LIÊN QUAN14/03/2025
  Protein lipid hóa là gì? Biến đổi sau dịch mã (PTMs) là những thay đổi hóa học xảy ra sau quá trình tổng hợp protein, liên […]
• 
  Lipid: Nhóm Phân Tử Đa Năng Trong Sinh Học và Công Nghệ11/03/2025
  Lipid là một nhóm lớn các phân tử hữu cơ không phân cực, đặc trưng bởi tính kỵ nước (hydrophobic) và khả năng hòa tan trong […]
• 
  Glycosyl hóa: Biến đổi sau dịch mã và tác động lên cấu trúc chức năng protein11/03/2025
  Con đường đường phân glycosyl hóa (Glycosylation pathway) là một quá trình biến đổi sau dịch mã (PTM) quan trọng, trong đó các gốc glycan được […]
• 
  Cách mạng hóa Proteomics: Tiến bộ trong công nghệ, tích hợp AI và ứng dụng rộng hơn11/03/2025
  1. Sự phát triển của công nghệ Proteomics 1.1 Proteomics dựa trên khối phổ Proteomics dựa trên khối phổ là một lĩnh vực năng động và then […]
• 
  Phản ứng phân hủy Edman10/03/2025
  Phản ứng phân hủy Edman là phương pháp giải trình tự protein được Pehr Edman công bố vào năm 1950. Phương pháp này giúp xác định […]
• 
  Applications of Tandem Mass Spectrometry (MS/MS) in Protein Analysis for Biomedical Research05/03/2025
  Applications of Tandem Mass Spectrometry (MS/MS) in Protein Analysis for Biomedical Research 1. Giới thiệu Proteomics – nghiên cứu toàn bộ bộ protein của một hệ […]
• 
  Kỹ thuật định lượng không nhãn05/03/2025
  Kỹ thuật định lượng không nhãn là gì? Ngày nay, các nghiên cứu về proteomics không còn chỉ tập trung vào việc xác định càng nhiều […]
• 
  Matrix effects and application of matrixeffect factor03/03/2025
  Matrix effects and application of matrix effect factor 1. Thực trạng Hiện nay, LC-MS là một trong những kĩ thuật phân tích tối ưu nhất về […]