基于质谱的靶向检测临床标本中SARS-CoV-2抗原的试验

A mass spectrometry-based targeted assay for detection of SARS-CoV-2 antigen from clinical specimens.

作者信息Santosh Renuse, Patrick M Vanderboom, Anthony D Maus, Jennifer V Kemp, Kari M Gurtner, Anil K Madugundu, Sandip Chavan, Jane A Peterson, Benjamin J Madden, Kiran K Mangalaparthi, Dong-Gi Mun, Smrita Singh, Benjamin R Kipp, Surendra Dasari, Ravinder J Singh, Stefan K Grebe, Akhilesh Pandey
PMID34229274
发布时间2021-07
DOI10.1016/j.ebiom.2021.103465

实验完整度

研究包含多层级实验:从纯化病毒和重组蛋白的发现实验,到抗体富集优化、靶向PRM方法开发、机器学习和独立样本验证,涉及体外和临床样本,功能验证明确。

主要模型

SARS-CoV-2病毒(USA-WA1/2020分离株) Vero E6细胞 重组核衣壳蛋白 鼻咽拭子样本

重点核对

SARS-CoV-2阳性样本的RT-PCR Ct值分布与大规模人群一致性 训练集和验证集的样本量分别为187和176 靶向肽段(AYNVTQAFGR和QQTVTLLPAADLDDFSK)及对应的重标内标 FAIMS补偿电压(-40V和-30V) PRM参数(分辨率60000,AGC 5e4,隔离窗口m/z 1)

摘要

背景 由严重急性呼吸综合征冠状病毒2(SARS-CoV-2)引起的COVID-19大流行使全球卫生系统不堪重负,并凸显了诊断检测的局限性。包括基于RT-PCR的检测和侧向流动检测抗原在内的几种诊断测试,各有优缺点,已在短时间内开发和部署。 方法 这里,我们描述了一种免疫亲和纯化方法,随后采用高分辨率质谱靶向定性试验,能够检测鼻咽拭子样本中的SARS-CoV-2病毒抗原。基于我们使用纯化病毒、重组病毒蛋白和COVID-19阳性患者鼻咽拭子样本的探索性实验,选择核衣壳蛋白作为靶抗原。然后,我们开发了一种自动化抗体捕获工作流程,结合靶向高场不对称波形离子迁移谱(FAIMS)-平行反应监测(PRM)检测,在Orbitrap Exploris 480质谱仪上进行。使用PRM数据中的碎片离子强度,开发了用于确定COVID-19阳性样本的集成机器学习模型。 结果 优化后的靶向检测用于分析88份阳性和88份阴性鼻咽拭子样本进行验证,以RT-PCR分子检测为参考方法,灵敏度为98%(95% CI = 0.922–0.997)(86/88),特异性为100%(95% CI = 0.958–1.000)(88/88)。 解释 我们的结果表明,通过串联质谱法直接从临床样本中检测传染原的方法有潜力作为临床实验室的诊断检测方法,而这迄今仅限于纯微生物培养物的分析。

实验结论

提炼研究问题、关键发现与证据,快速把握文章的核心贡献。

研究问题
开发一种基于质谱的靶向检测方法,直接从临床标本(如鼻咽拭子)中检测SARS-CoV-2抗原,以作为RT-PCR的补充诊断工具。
核心机制
利用抗核衣壳抗体免疫亲和富集病毒核衣壳蛋白,经胰蛋白酶消化后,通过FAIMS-PRM质谱检测特征肽段,结合机器学习模型定性判断阳性样本。
主要证据
在独立验证集(88阳性,88阴性)中,该检测方法灵敏度为98%,特异性为100%,AUC为1.00。
研究意义
该质谱方法可作为其他抗原检测(如侧向流动)的参考方法,且可适用于其他样本类型和新型变异株,有望在临床实验室部署。

研究路径

按研究推进顺序梳理实验设计、验证步骤与关键观察。

1

发现实验:病毒和重组蛋白的蛋白质组分析

识别SARS-CoV-2病毒中可检测的蛋白质和肽段,选择最佳靶抗原。

对γ辐照灭活的SARS-CoV-2病毒(USA-WA1/2020)和重组核衣壳蛋白进行胰蛋白酶消化和LC-MS/MS分析,鉴定到核衣壳蛋白等病毒蛋白。

2

候选肽段选择

筛选出最优的SARS-CoV-2特征肽段用于靶向检测。

从发现实验中鉴定的42个核衣壳蛋白肽段中,基于电离效率、漏切位点、检出限和残留,最终选择AYNVTQAFGR和QQTVTLLPAADLDDFSK两个肽段。

3

蛋白提取优化

确定从鼻咽拭子样本中提取病毒蛋白的最佳方法。

比较了甲醇沉淀、2% SDS、0.002% Z3-16等不同提取方法,通过靶向LC-MS/MS比较肽段信号强度。

4

抗体富集优化

提高核衣壳蛋白的捕获效率,评估是否优于直接消化。

评估了17种抗核衣壳抗体,选择性能最佳的抗体进行生物素化并固定在链霉亲和素MSIA吸头,用于免疫亲和富集。

5

靶向FAIMS-PRM检测方法开发

开发快速、灵敏的靶向质谱检测方法,用于定性检测SARS-CoV-2。

利用自动化抗体捕获、EvoSep快速色谱和FAIMS-PRM在Orbitrap Exploris 480上建立检测流程,并优化FAIMS补偿电压。

6

机器学习模型训练与验证

利用碎片离子强度构建分类模型,实现准确判定阳性样本。

使用Super Learner集成机器学习方法(glmNET、GLM、随机森林)在187个训练样本上训练模型,并在独立验证集(176个样本)上评估性能。

研究方法

按研究目的归类文中使用的方法,便于定位所需技术。

产品清单

实验环节名称品牌货号
SARS相关冠状病毒2,分离株USA-WA1/2020,γ辐照BEI ResourcesNR-52287
三(2-羧乙基)膦盐酸盐SigmaC4706
磷酸盐缓冲液Bio-Rad1610780
两性离子去污剂Z3-16CalBiochem2281-11-0
Dynabeads M-280 链霉亲和素Invitrogen11205D
胰蛋白酶/Lys-C混合物PromegaV5071
快速消化试剂盒PromegaVA1060
重组SARS-CoV-2核衣壳蛋白ProSci97-077
甲酸Thermo ScientificTS-28905
Liberty Blue肽合成仪CEM Corp.--
CEM Razor裂解模块CEM Corp.--
Phenomenex Jupiter C18色谱柱Phenomenex00G-4057-P0
Agilent InfinityLab II液相色谱-质谱检测器Agilent Technologies--
热混合器Thermo Scientific--
C18固相萃取离心柱GlygenTT2C18
BCA蛋白定量试剂盒Thermo Scientific--
Orbitrap Eclipse质谱仪Thermo Scientific--
Ultimate 3000 RSLCnano系统Thermo Scientific--
链霉亲和素MSIA吸头ThermoFisher Scientific991STR11
Versette自动化液体处理系统ThermoFisher Scientific--
Exploris 480质谱仪Thermo Scientific--
EvoSep One液相色谱系统EvoSep Inc.--
FAIMS Pro离子源Thermo Scientific--
Dr. Maisch C18AQ分析柱Dr. MaischEV1107
重标肽标准品Cambridge Isotope Laboratories--
抗核衣壳蛋白单克隆抗体Sino Biological40143-R001
Gold胰蛋白酶Promega--

关键环节

汇总复现实验时建议重点确认的条件及原文阅读提示。

环节核对要点
样本采集
样本类型(鼻咽拭子)和保存液(PBS),样本量
阅读提示:Methods 2.1 COVID-19 specimen collection
蛋白提取
蛋白提取方法(0.002% Z3-16),样本量
阅读提示:Methods 2.4 Processing of nasopharyngeal swab samples
抗体富集
抗体种类(单克隆抗核衣壳蛋白),抗体用量(1 µg),富集体积(750 µl)
阅读提示:Methods 2.7 Anti-nucleocapsid antibody-based enrichment
靶向质谱
目标肽段(AYNVTQAFGR和QQTVTLLPAADLDDFSK),FAIMS补偿电压(-40V和-30V),PRM参数(分辨率60000,AGC 5e4,隔离窗口1 m/z)
阅读提示:Methods 2.8 Targeted PRM analysis and Table 1
数据分析
机器学习模型(Super Learner),训练集样本量(187),验证集样本量(176),概率阈值(0.6)
阅读提示:Methods 2.9 Data analysis of targeted PRM data