ターゲット質量分析の進展

質量分析法は、物質の組成を質量や成分の量を測定することで分析する技術だよ。特にタンパク質の研究に特化したプロテオミクスの分野では、質量分析法はバイオメディカルサイエンスの研究者にとって欠かせないツールになってる。

#定性的測定から定量的測定へのシフト

歴史的に、プロテオミクスの手法はサンプルの内容をほとんど理解しないまま始まることが多かった。研究者たちは、初めて見るかのようにさまざまなタンパク質やペプチドを検出してたんだ。成功は通常、見つかったタンパク質やペプチドの数で測られていて、測定の精度ではなかったんだ。これが、サンプル濃度の違いを正確に測るために使用される機器や方法が最適化されていない状況を生んでしまった。

1980年代と1990年代の初め、質量分析法で最も一般的だった装置は3Dイオントラップだった。これらの装置には、同時に分析できるイオンの数（約1000個）という制限があった。その時の焦点は、タンパク質を同定することにあったけれど、その量を正確に測ることにはあまり注力されていなかった。一部の定量はスペクトルカウントのような技術を使って行われていたけど、機器の能力に制限されてた。

技術の進化により、2D線形イオントラップが導入された。これにより、遥かに多くのイオンを処理できるようになり、定量化のニーズの増加に対応できるようになった。例えば、先進的なイオントラップ装置であるLTQ Velosは、イオンを分離してより効率的に分析する能力を向上させた。これは、新たにもっと強力なイオン源が登場している中で重要だった。

その後、Orbitrap Fusion Tribridシリーズの機器が様々な技術を組み合わせ、より速く効率的な分析を可能にした。これにより、前駆体イオンのほぼ瞬時の分離ができるようになり、イオン蓄積プロセスの利用が飛躍的に向上し、成功する分析の率も大幅に増えた。

#ターゲット実験の台頭

2000年代の初め、科学者たちはサンプル内の特定のタンパク質をターゲットにする重要性に気づき始めた。このシフトは、臨床ラボで使用される免疫アッセイのような従来の方法に代わる信頼できる選択肢を提供するターゲット質量分析アッセイの開発につながった。時が経つにつれて、ターゲットプロテオミクスは認知されるようになり、ある著名な雑誌から「年の方法」と呼ばれることもあった。

この期間に登場した重要な手法の一つが、三重四重極質量分析を使用する選択反応モニタリング（SRM）だった。この方法は、すでに多くの研究所で広く利用可能な機器があったので人気を集めたし、特に規制のある環境での厳密な定量化アプローチを提供した。

時間が経つにつれて、並列反応モニタリング（PRM）がSRMの強力な競争相手となり始めた。PRMは、全ての生成物イオンのスペクトルを一度に測定できるようにし、研究者がサンプルの同定を確認するのを手助けしながら感度も向上させた。

#ターゲットプロテオミクスの課題

ターゲットプロテオミクスの利点にもかかわらず、依然として課題はあった。一つ大きな制限は、測定できるペプチドの数だった。分析対象の数と測定の質の間にはトレードオフがあったんだ。これに対処するために、研究者たちはデータ独立取得（DIA）を開発し、多くのペプチドを一度に分析できるようにしたけど、時には選択性が低下することもあった。

測定の改善のもう一つの方法は、保持時間スケジューリングを取り入れることだった。この方法では、各ターゲットペプチドが一定の期間でモニタリングされるけど、時間とともにクロマトグラフィーの変動が予測できないため、非効率が生じることもあった。最近の進展では、リアルタイムで調整することで、機器がこれらの変動をより効果的に処理できることが示されて、ペプチドのサンプリングがより集中できるようになった。

#ターゲットアッセイの開発

ターゲットアッセイの作成は以前は複雑だった。適切なペプチドを特定するために初期の実験を行い、その後標準を作成したり、方法を最適化するためにタンパク質を生産したりする必要があった。どのペプチドを効果的に分析できるかを特定するのも簡単ではなかった。

最近の開発は、ターゲットアッセイ作成のプロセスを簡素化した。さまざまな実験から得られた気相フラクションを使うことで、研究者たちは後のターゲット分析を行うのを簡単にする高品質なデータライブラリを構築することができた。

#Stellar質量分析計の導入

Stellar質量分析計の導入は、ターゲット質量分析法における大きな進展を示した。この装置は以前のモデルと多くの特徴を共有しているけど、定量的ターゲット分析により重点を置いている。ハードウェアとソフトウェアの両方の改善により、より迅速な取得とより良いアルゴリズムが可能となり、ターゲット分析のプロセスがより効率的になった。

Stellar MSの主な特徴の一つは、保持時間シフトにリアルタイムで調整するアダプティブRTシステムだ。これにより、システムの負荷に基づいて取得時間の動的変更ができるようになった。さらに、PRM Conductorというツールが開発され、セットアッププロセスの自動化により、ターゲットアッセイの作成を簡素化した。

#実験手順：詳しく見てみよう

Stellar質量分析計を使った実験では、研究者たちは鶏プラズマとヒトプラズマを混ぜた特定の生物学的サンプルを用いてキャリブレーションカーブを準備した。液体クロマトグラフィーなどのさまざまな方法が利用され、混合物を個々の成分に分離してより良い分析を行ってた。

Stellar質量分析計と一緒に使われるPRM Conductorツールは、ターゲットアッセイを生成するプロセスを簡素化した。信号強度や保持時間などの特定の基準を満たす遷移をフィルタリングして、各ペプチドの効果的なアッセイを作成した。

#実験の結果

実験はStellar質量分析計の有望な結果を示した、特に従来の三重四重極質量分析計と比較した場合。新しい装置は、プラズマペプチド分析における定量化と検出の限界が大幅に改善された。

例えば、ある実験ではStellarがプラズマペプチドの定量化において、従来のSRM装置よりも低い定量限界を達成した。また、測定の信頼性を示す中央値の変動係数は、許容範囲内であった。

プラズマタンパク質を定量化するために設計された大規模なキットをテストしたところ、Stellar質量分析計は効果を示した。各ペプチドについて収集されたデータポイント数を示すピークごとの中央値は、分析要件を満たすのに十分だった。

#大腸菌分析

E. coliタンパク質をHeLa細胞と混合して分析する実験は、ラベルフリー定量化手法の効果を示した。このアプローチにより、研究者たちは各化合物に対して重い標準を必要とせずにペプチドの量を評価できた。

分析では数千のユニークなペプチドが得られ、さまざまなアッセイで高い精度が維持された。厳しい条件下でも、Stellar質量分析計は多くのペプチドを異なるサンプルで測定しながら信頼性のある結果を提供することができた。

#注入時間とイオン測定

ターゲット質量分析法の重要な側面の一つは、注入時間と測定されるイオンの数との関係を理解することだ。Stellar質量分析計は、自動ゲイン制御（AGC）システムを使用して、各測定サイクルで分析するイオンの数を最適化している。

このシステムは、各ターゲットの豊富さに基づいて注入時間を効果的に調整し、少ない豊富度のターゲットにはより正確な測定のために時間を多く与えるようにしている。その結果、複数のアッセイで高い精度と感度が達成され、Stellar装置の利点が示された。

#まとめと今後の方向性

全体として、Stellar質量分析計はターゲットプロテオミクスにおける大きな進展を示し、従来の方法に比べて感度や効率が向上した。研究者たちは、定量化と検出の限界に改善が見られ、ハイスループット分析のための貴重なツールになった。

今後は、Stellar質量分析計のさらなる能力を探る計画がある。線形イオントラップの多様な特性は、さまざまな分離技術を強化しつつ、高い分析スループットを維持できる可能性がある。今後の研究では、これらの技術を統合してさらに正確な測定を目指すことになる。

要するに、技術とソフトウェアの進歩により、ターゲットプロテオミクスがよりアクセスしやすく効率的になり、さまざまな生物学的分野での包括的な研究に道を開いている。研究者たちが健康や病気におけるタンパク質の複雑な世界をより深く理解できるよう、信頼性があり感度の高い測定を提供する方法の開発を続けることが目標だ。