Orbitrap技术在药物代谢领域中的应用进展
Orbitrap技术
药物代谢领域
静电场轨道阱（Orbitrap）质谱是一种新型的高分辨质谱技术，具有高分辨率，高质量精度及宽动态范围等优点。该技术在药物分析领域中也显示出极大的应用潜力。接下来咱们就看看近几年来Orbitrap质谱在药物代谢领域中的应用进展，并对其应用前景进行了展望。
质谱分析技术因其高速，高灵敏度，信息量丰富且能与多种色谱技术在线联用的特点，在药学领域有着广泛的应用，包括药物开发、天然药物化学、药物分析等。随着质谱技术的快速发展，高分辨质谱（high-resolution mass spectrometry，HRMS）技术受到越来越多的关注。静电场轨道阱（Orbitrap）质谱是最新研发的高分辨质谱技术，由Makarov在Kingdon阱的基础上发明得到，并在2005年首次以商品化形式出现，即线性离子阱-Orbitrap（LTQ-Orbitrap）质谱仪。Orbitrap具有高分辨率[最高可达45万半峰全宽（FWHM）]，高质量精度（0.1×10-6~1×10-6），质量范围宽，动态范围广的优点，可提供大范围的定性和定量分析，并且克服了其他高分辨质谱如傅里叶变换离子回旋共振（FTICR）质谱、飞行时间（TOF）质谱的尺寸大，维护与操作复杂的缺点。不仅如此，Orbitrap质谱联用技术也得到了长足的发展，包括四极杆-Orbitrap（Q-Orbitrap）、LTQ-Orbitrap、Fusion三合一（Q-Orbitrap-LTQ）质谱等串联质谱技术，液相色谱-Orbitrap联用技术（LC-Orbitrap）以及气相色谱-Orbitrap联用技术（GC-Orbitrap）。
Orbitrap 是一种离子阱质量分析器，由两个外部电极和一个中心电极组成，可以同时用作分析器和检测器。进入 Orbitrap 的离子通过"电动挤压"捕获，之后这些离子围绕中心电极及在两个外部电极之间振荡。不同的离子以不同的频率振荡，从而得到分离。使用图像流检测，通过测量外部电极上的离子引起的振荡频率采集得到离子的质谱图。由于其设置，Orbitrap 质量分析器实际上是傅里叶变换质量分析器，模拟 FT 离子回旋共振（ICR）技术，但其仪器尺寸更小，仪器操作更简便。
Orbitrap已经为许多领域提供了强大的技术支持，包括蛋白质组学、代谢组学、脂质组学等高水平科学研究领域。在药物分析研究中，定性分析需要质谱提供准确、可靠且丰富的化合物信息；定量分析需要质谱相对较高的灵敏度和扫描速度，可以对痕量组分进行分析，这就对质谱仪的性能提出了较高的要求。Orbitrap高分辨质谱技术因其特有的优势在药物分析研究中发挥日益重要的作用，本文就Orbitrap高分辨质谱技术近年来在药物代谢领域的应用进行综述。
药物的体内过程包括吸收、分布、代谢、排泄等，其中药物代谢是指药物在人体内通过代谢器官（主要是肝脏），在多种药物代谢酶（主要是肝药酶）的作用下发生化学结构改变的过程。药物经过代谢后，药理活性会发生变化，产生疗效或毒副作用。因此，研究药物的代谢对于药物的安全性评价至关重要，并且通过研究药物代谢后的结构变化推测药物在体内的代谢路径，可以为发现新靶点及研发新药提供重要的信息。Orbitrap高分辨质谱可以在很宽的质量范围内生成全扫描数据，同时提供组分的定性和定量分析。此外，在各种生物基质（如血浆、血清，尿液等）中的药物代谢物分析需要复杂的前处理过程，而Orbitrap质谱对于复杂生物基质中的痕量分析物也可进行准确的分析，从而简化了样品前处理过程。基于这些优势，Orbitrap质谱已成为药物代谢研究中强有力的分析工具。
Maurer等利用Q-Orbitrap质谱仪分析尿液中心血管药物的代谢产物。应用其开发的方法共分析了63种药物，研究其在尿液中的母体药物和代谢产物。该方法已经用典型药物及其代谢物进行验证，回收率、基质效应、处理效率和检测下限都显示了可接受的结果。随后，Maurer等用同样方法研究血浆中药物的代谢产物。采用了简单沉淀或结合湍流（turbo flow）色谱在线提取的预处理方法，单次运行中对约700个相关化合物进行目标物筛选，同时伴随着未知化合物的数据依赖性采集（DDA）。对于只进行了简单沉淀处理的样品，也具有可靠，重现性好的结果。
采用质谱进行体内药物分析主要面临2个问题，首先，生物转化后药物代谢产物通常维持药物的母核结构，并具有近似或相等的相对分子质量。这就需要提供准确且丰富的数据以鉴定在生物基质中具有相似甚至相同相对分子质量的化合物。其次，应该提高质谱的选择性以便将目标分析物与背景干扰或内源性成分完全地区分开来。Li等采用高效液相色谱串联Q-Orbitrap质谱仪进行中药马钱子中马钱子生物碱的分离，并鉴别其血清中的代谢产物。实验筛选和分析了血清中的22种代谢物，根据一般代谢规律和二级质谱图的比较确定其中19个为Ⅰ相代谢产物，3个为Ⅱ相代谢产物。这进一步加深了对中药马钱子的体内代谢行为的理解，为马钱子毒性作用及其临床用药提供了宝贵信息。
药物代谢研究还包括药物在不同物种之间代谢差异的研究。Huang等利用LTQ-Orbitrap质谱分析硝唑尼特在不同物种之间的代谢差异。LTQ质谱提供代谢物在多级质谱（MSn）模式下的详细的结构信息，而高分辨率的Orbitrap质量分析器通过对相应碎片的高分辨检测可以识别和确认结果。实验研究了硝唑尼特在大鼠、猪和鸡中的代谢产物。结果显示，乙酰化和葡萄糖醛酸化是大鼠和猪的主要代谢途径，乙酰化和硫酸化是鸡的主要代谢途径，这说明硝唑尼特的药物代谢具有种间差异。该研究证明了LTQ-Orbitrap质谱应用于尿液、血浆和粪便中的代谢物研究的优势，显示其应用于药物代谢研究的广阔前景。
Orbitrap质量分析器自开发以来，不断发展并推出了一系列新型联用技术。与普通低分辨质谱相比，Orbitrap质谱具有超高质谱分辨率和超高质量精度的优势，可以快速可靠地识别、定量和鉴定更多化合物；其全扫描能力可以自始至终捕获所有样品质谱数据，从而实现回顾性数据分析而无需再次扫描样品。近年来，该项技术在药物分析领域得到了较广泛的应用，并且在药物代谢、中药组分分析、药品杂质检查及中成药非法添加筛查等方面的检测研究中发挥着重要且不可替代的作用。Orbitrap技术的应用，使药物代谢物鉴定更加深入，中药组分分析和药品杂质研究更加透彻，中成药非法添加筛查的灵敏度、选择性和监测范围得到了大幅增强，促进了药物分析科学的飞速发展。Orbitrap对于复杂基质中目标物和非目标物检测均有良好效果，但是该技术还需要进一步提高其分析速度等技术参数。为了更好地利用Orbitrap提供的高分辨质谱进行化合物结构鉴定，还需要强大的辅助分析软件和丰富的化合物质谱数据库支持。随着技术的不断发展和完善，Orbitrap高分辨质谱的应用会朝着精准化、自动化、智能化的方向发展，Orbitrap技术在药物分析领域的应用前景也将更加广阔。
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