Tandem Mass Spectrometry 를이용한갈락토오스혈증의선별검사 연세대학교대학원 의과학과 임재균
Tandem Mass Spectrometry 를이용한갈락토오스혈증의선별검사 연세대학교대학원 의과학과 임재균
Tandem Mass Spectrometry 를이용한갈락토오스혈증의선별검사 지도김정호교수 이논문을석사학위논문으로제출함 20004 년 12 월 5 일 연세대학교 대학원 의과학과 임재균
임재균의석사학위논문을인준함 심사위원 인 심사위원 인 심사위원 인 연세대학교대학원 2004 년 12 월 5 일
감사의글 이논문을쓰는데끝까지항상지켜보다주시고어려울때마다힘이되어주신김정호지도교수님께감사의글을올립니다. 그리고박민수교수님과박형천교수님께도깊은감사를드립니다. 실험에조언을아끼지않았던양송현선생님을비롯한녹십자의료재단식구들이이연구를마치는데큰도움이되었습니다. 연구는한사람만의노력이아닌연구자주위의많은분들의정성으로이루어진다는것을새삼알게되었습니다. 그리고언제나곁에서성실하게저를보아준아내와아들유진이게게도감사의뜻을전합니다. 저자씀
< 차례 > 그림및표차례 국문요약 1 Ⅰ. 서론 3 II. 재료및방법 6 1. 재료 6 2. 방법 6 가. Enzymatic colorimetric assay (ECA) 6 나. MS/MS 6 (1) 검체전처리 6 (2) MS/MS 7 다. Calibration 7 III. 결과 8 1. HMPs의검출 8 2. HMPs의분획형태 8 3. Calibration 9 4. HMP 농도와 ion abundance ratio (IAR) 10 5. ECA법과의비교 11 6. ECA법과의정밀도비교 14 7. 갈락토오스혈증환자 15 8. 진단적유용성 16 IV. 고찰 17 V. 결론 20 참고문헌 21 영문요약 24-1 -
그림차례 그림 1. Precusor ion scan of HMPs 8 그림 2. Fragmentation patterns of HMP 9 그림 3. Calibration curves for HMP assays 10 그림 4. HMP concentration and ion abundance ratio 11 그림 5. Correlation between galactose (by ECA) and HMP concentration (m/z 79) 13 그림 6. Correlation between galactose (by ECA) and HMP (m/z 97) concentration 14-2 -
표차례 표 1. Comparison between galactose (by ECA) and HMP concentrations (by MS/MS) 12 표 2. Precision of ECA method 15 표 3. Precision of MS/MS method 15 표 4. Characteristics of galactosemia patients and samples 16-3 -
국문요약 Tandem mass spectrometry 를이용한갈락토오스혈증의 선별검사 갈락토오스혈증은상염색체우성으로유전되는대사이상질환으로 galactose-1-phosphate uridyl transferase, galactokinase, 또는 UDP-galactose-4-epimerase 의결핍으로혈액과조직내에 galactose-1-phosphate (gal-1-p) 가축적되어그증상이나타난다. 갈락토오스혈증의선별검사로는기존에여러방법들이소개되었으나 기존방법들은검체전처리에여러과정과여러시약들을필요로하며검 사소요시간이길다는단점을가지고있다. 본연구는 tandem mass spectrometry (MS/MS) 를이용하여갈락토오스혈증선별검사를시도하 였다. Hexose monophosphates (HMPs) 를측정하여간접적으로갈락 토오스혈증진단의표지자인 생후 gal-1-p 의정량을시도하였다. 3-6일사이의신생아의혈액여지를이용하였으며갈락토오스혈 증으로진단된 3예를포함해서 158 개의혈액여지를분석하였다. MS/MS 를이용하여 negative-ion mode에서스캔하여 HMPs 농도를이용하여 gal-1-p를간접적으로측정하였으며 ion abundance ratio (IAR, 전하질 량 79과 97 의비) 을산출하였으며상품화된 gal-1-p를외부표준물질로 이용하였다. 정상군에서 MS/MS법으로실시한 aldose monophosphate ( 전하질량 79) 의평균농도는각각 1.46 mmol/l이었으며 ketose monophosphate ( 전하질량 97) 평균농도는 2.63 mmol/l 이었으며, 평균 IAR은 1.22, - 4 -
0.50 이었다. 그리고갈락토오스혈증환자에서이들각각의 aldose monophosphate 농도는 24.9, 20.4, 18.5 mmol/l이었으며 IAR은각각 1.54, 1.67, 1.72 로정상군에보여증가되었다. 그리고, 기존 ECA법과도 좋은상관관계를보여주었다. 갈락토오스혈증선별검사를위한 MS/MS법은기존 ECA법과좋은 상관관계를보이며갈락토오스혈증환자에서현저히증가된값을보였다. MS/MS 을이용한갈락토오스혈증선별검사는보다소요시간이짧고검 체전처리에적은과정이필요하며위양성을줄일수있는좋은검사로 사료되었다. ------------------------------------------------------- 핵심되는말: 갈락토오스혈증, MS/MS, galactose-1-phosphate, 신생아선별 검사 - 5 -
Tandem mass spectrometry 를이용한갈락토오스혈증의 선별검사 < 지도교수김정호> 연세대학교대학원의과학과 임재균 Ⅰ. 서론 갈락토오스혈증 (OMIM 230400) 은상염색체열성으로유전되는선천 성대사이상질환의하나로발생빈도는출생아 50,000-60,000 명중 한명으로알려져있다. 신체증상은 galactose-1-phosphate (gal-1-p) 가여러기관, 특히간, 뇌, 신세뇨관에축적되어증상을나타 내는것으로알려져있다. 조기진단하여조기에갈락토오스가없는식이 - 1 -
요법을시작하는것이환자의예후에많은영향을미친다. 이질환은결 핍효소의종류에따라 galactose-1-phosphate-uridyltransferase (GALT) 결핍, galactokinase (GALK) 결핍, UDP-galactose-4-epimerase (GALE) 로나누고있다 1. 갈락토오스혈증의선별검사로는가장간단한방법으로소변에서환원 물질을측정하는방법 2 이있으며가장흔히검사에이용되는검체는혈액 여지를이용하는방법이며이방법은 Paigen 등 3 에의해고안된미생물 학적으로 galactose와 gal-1-p를측정하는방법이있으나자동화가어 렵고, 신생아나산모가항균제치료를받는경우결과에영향을미칠수 있다. 최근검사실에서흔히이용하는방법은 ECA 법으로이방법역시 gal-1-p 이외에다른부산물들을함께측정하므로위양성율이높은것으 로보고되고있다. 또한이들방법들은모두검체전처리에여러과정이필 요하고, 검체전처리시간과분석시간이많이소요되며민감도와특이도 가낮고위양성율이높은단점들을가지고있다. 최근 gas chromatography-mass spectrometry (GC/MS) 를이용하는방법 4,5 이 개발되었으나방사선동위원소를이용하는단점이있다. 최근신생아대사이상선별검사에서 MS/MS의이용범위가널리확대되 고있다. Tandem mass spectrometry 또는 MS/MS라고불리우는이방 법은한번의검사로아미노산대사이상, 유기산혈증, 지방산대사이상 등의여러질환들을짧은검사시간안에선별가능하게만들었으며 6-9 민 감도와특이도가높고, 검사소요시간이짧은장점을가지고있다. 그영 역또한면역억제제등을포함한치료적약물농도검사 10-12, 약물남용검 사 13 등으로영역을넓혀가고있다. MS/MS를이용한갈락토오스혈증의선별검사는 Jensen 등 14 에의해처 음으로소개되었고이방법은 galactose가hmp (hexose monophosphate) 를측정하여간접적으로 gal-1-p 를측정하였다. 본연 - 2 -
구는 MS/MS를이용한갈락토오스혈증의신생아선별검사의가능성을 알아보고자시도되었다. - 3 -
Ⅱ. 재료및방법 1. 재료 녹십자의료재단에신생아대사이상선별검사를위해의뢰된혈액여지를 사용하였다. 검체는모두생후3일에서 6일사이에채취되었으며기존의 enzymatic colorimetric assay (ECA) 에서양성반응 ( 참고범위: <12.0 mg/dl) 을보인검체 (N=47) 와음성반응을보인검체 (N=111) 를대상으 로하였다. 그리고본기관에의뢰되어효소학적검사에서갈락토오스혈증으로진 단된검체 3 예를대상으로하였다. 진단당시환자의연령은각각생후 24 일, 27 일, 2년 3 개월이었다. 2. 방법 가. Enzymatic colorimetric assay (ECA) ECA법을이용하였으며상품화된 QuantaseTM Neonatal Total Galactose Screening (Bio-Rad, Hercules, CA, USA) 키트를이용하였 으며, 술식은제조자의권고에따랐다. 나. MS/MS (1) 검체전처리 - 4 -
검체는혈액여지를이용하였으며직경 3.2 mm로펀칭한후 acetonitril 과증류수를 1:1로혼합한용액으로액체를추출하였으며 10 μl을주입 하였다. (2) MS/MS 모든측정은 API 3000TM tandem mass spectrometer (Applied Biosystems, Foster, CA, USA) 를이용하였다. Precursor ion은모든 HMP의분자이온에상응하는 259로맞추었으 며 fragment ion은전하질량 50에서 300까지의이온스펙트럼중 10개 의산물로결정하였다. 기계적인조건은 gal-1-p의전하질량 79에최적 화하였다. (needle voltage, -4.9 kv; collision energy, -25eV) 다. Calibration Galactose-1-phosphate (Sigma, St. Louis, MO, USA) 16 mm 을 external standard 로사용하였다. - 5 -
Ⅲ. 결과 1. HMPs 의검출 Precursor ion 스캔에서전하질량 258.9 를가지는물질을검출하였다. 이전하질량값이원하는 hexose monophosphates 이다 ( 그림 1). 그림 1. Precursor ion scan of HMPs. 2. HMPs 의분획형태 MS/MS의스펙트럼분석에서세개의전하질량 79, 97, 139를갖는물 질들을스캔하였으며각각전하질량 79에서는 aldose monophosphates (AMPs), 즉 galactose-1-phosphate와 glucose-1-phosphate) 가주로 존재하며, 전하질량 97에서는 ketose monophosphates (KMPs), 즉 fructose 1-phosphate, fructose 6-phosphate 가주로존재한다 ( 그림 2). 그리고 IAR이 gal-1-p 를간접적으로측정할수있다. - 6 -
그림 2. Fragmentation patterns of HMP. 3. Calibration 3개의 HMP 분획에서 gal-1-p에대하여그래프를나타냈으며모든분 획은각각전하질량 79, 97, 139에대해 R2=0.9941, R2=0.9945, R2=0.9938 의우수한상관관계를나타냈다 ( 그림 3). - 7 -
30000 25000 Product Ion m/z 79 Product Ion m/z 97 Product Ion m/z 139 y = 1704.8x + 36.282 R 2 = 0.9941 Ion Abundance (cps) 20000 15000 10000 y = 1255.7x + 818.22 R 2 = 0.9945 5000 y = 253.38x - 36.754 R 2 = 0.9938 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 Gal-1-P enrichment Conc. (mmol/l) 그림 3. Calibration curves for HMP assay. 4. HMP 농도와 ion abundance ratio (IAR) 전하질량 79을갖는 HMP와 IAR 과의분포를보았다. ECA법에서양성 으로나온검체에서 AMP ( 전하질량 79) 는평균 10.62 mmol/l ( 범위: 5.07-23.14 mmol/l), IAR은 0.96에서 1.41 의분포를보였으며, 음성으 로나온검체에서는 AMP가평균 1.46 mmol/l ( 범위: 0.00-5.70 mmol/l), IAR은 0.00에서 1.07 의분포를보였다 ( 그림 4). - 8 -
Ion Abundance Ratio( m/z79 / m/z 97 ) 1.80 1.60 1.40 1.20 1.00 0.80 0.60 0.40 0.20 >12 mg/dl <12 mg/dl Galactosemia 0.00 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 Hexose monophosphates( mmol/l ) 그림 4. HMP concentration and ion abundance ratio. 5. ECA 법과의비교 ECA법과비교했을때양성검체에서는평균 17.3 mg/dl 이었고, 음성 검체에서는 1.57 mg/dl 이었고, 이검체를 MS/MS로실시한 aldose monophosphate ( 전하질량 79) 농도는각각 10.62 mmol/l, 1.46 mmol/l 이었고, ketose monophosphate ( 전하질량 97) 농도는각각 8.67 mmol/l, 2.63 mmol/l이었으며 IAR 은각각 1.22, 0.50 이었다 ( 표 1). 상관관계를비교하면 AMP가 KMP에비해더나은상관관계를보였다 (R2=0.926, R2=0.8466, 그림 5 및그림6). - 9 -
표 1. Comparison between galactose (by ECA) and HMP concentrations (by MS/MS) ECA (12.0 mg/dl ECA (<12.0 mg/dl) ECA (mg/dl) AMP KMP IAR (mmol/l) (mmol/l) ECA AMP AMP IAR (mg/dl) (mmol/l) (mmol/l) Mean 17.3 10.62 8.67 1.22 1.57 1.46 2.63 0.50 SD 5.20 3.89 2.95 0.10 1.46 1.37 1.43 0.27 Max 31.30 23.14 16.79 1.41 6.70 5.70 7.89 1.07 Min 12.40 5.07 4.24 0.96 0.50 0.00 0.74 0.00-10 -
25 20 y = 0.5935x + 0.4747 R 2 = 0.926 p < 0.01 HMP (mmol/l, m/z 79) 15 10 5 0 0 5 10 15 20 25 30 35 Galactose (by ECA, mg/ dl) 그림 5. Correlation between galactose (by ECA) and HMP concentration (m/z 79). - 11 -
18 16 y = 0.4006x + 1.9229 R 2 = 0.8466 p < 0.01 14 HMP (mmol/l, m/z 97) 12 10 8 6 4 2 0 0 5 10 15 20 25 30 35 Galactose (by ECA, mg/dl) 그림 6. Correlation between galactose (by ECA) and HMP (m/z 97) concentration. 6. ECA 법과의정밀도비교 ECA법과 MS/MS법과의정밀도를비교해보았을때 ECA법의변이계 수는 8.53에서 17.42%, MS/MS법의변이계수는 2.05에서 5.12% 로 MS/MS 법이우수한정밀도를나타냈다 ( 표 2 및표 3). - 12 -
표 2. Precision of ECA method Mean galctose concentration (mg/dl) SD CV (%) n 1.43 0.25 17.42 39 6.96 0.44 6.27 40 14.53 1.08 7.43 40 33.58 2.86 8.53 40 표 3. Precision of MS/MS method Gal-1-P enrichment level (mmol/l) Mean SD CV (%) n 16 12.7 0.40 3.06 10 8 5.29 0.17 3.17 10 4 2.55 0.10 4.13 10 2 1.34 0.06 4.68 10 1 0.76 0.04 4.83 0.5 0.41 0.02 5.12 7. 갈락토오스혈증환자 갈락토오스혈증환자는효소검사가의뢰된환자 3 예에서실시하였다. 모두 UDP-gal-4-epimerase 결핍이었으며각각의 HMP 농도 ( 전하질 량 79) 24.9, 20.4, 18.5 mmol/l 였으며, IAR은각각 1.54, 1.67, 1.72였 다 ( 표 4). - 13 -
표 4. Characteristics of galactosemia patients and samples Patients Deficient enzyme Samples HMP conc (m/z 79), mmol/l IAR UDP-Gal-4-epimerase 24.9 1.54 UDP-Gal-4-epimerase 20.4 1.67 UDP-Gal-4-epimerase 20.4 1.67 8. 진단적유용성 ECA법에서갈락토오스농도가 12.0 mg/dl 이상으로나온환자중 MS/MS법의임계치를 HMP 농도를 16 mmol/l, IAR을 1.5로기준으로 할경우ECA법에서위양성으로추정되는경우는 17 예였다. - 14 -
Ⅳ. 고찰 갈락토오스혈증은질환의빈도가낮고기존선별검사방법이위양성 율이높고, 조기진단해서조기치료를시작해야합병증을줄일수있으 므로선별검사가중요하다. 본연구에서는 MS/MS를이용한갈락토오스혈증선별검사를시도하 였다. 분석을목표로한물질은 gal-1-p였으며검사원리는 MS/MS를이 용하여전체 hexose monophosphates (HMPs) 농도를측정하는것이었 다. HMP의분획형태는그화학적구조에따라전하질량 79를갖는AMP 와전하질량 97을갖는 KMP 를갖는다. AMP는 galactose-1-phosphate, glucose-1-phosphate 로주로구성되어지며 KMP는 fructose-1-phosphate, fructose-6-phosphate로주로구성되 므로전하질량 79을갖는 AMP가 gal-1-p 를더욱잘반영한다. Ion abundance ratio ( 전하질량 79 와, 97 의비) 는 gal-1-p를간접적으로잘 반영하는표지자였다. 이결과들은 Jensen 등의방법과일치하는결과를 보여주었다. MS/MS법은기존에이용하여있는 ECA법과도좋은상관관계를보 였다. 그러나본연구의제한점중하나는 ECA법에서양성으로나온군 에대해일부만을갈락토오스혈증을확인할수있었으므로이에대한진 단적민감도, 특이도를정확히추정할수없었다. 또한갈락토오스혈증의 빈도가매우낮아연구의제한점이있으므로더욱많은증례를통한후후 연구가진행되어야합리적인임계치를산출할수있을것이다. 본연구에서이용된갈락토오스혈증환자는모두 UDP-gal-4-epimerase 결핍환자였다. 이검체들은 2003년 12월부터 2004년 9월까지본원에갈락토오스혈증이의심되어의뢰된검체중갈 락토오스혈증으로확인된환자들이었다. 이들각각의 HMP 농도 ( 전하질 - 15 -
량 79) 24.9, 20.4, 18.5 mmol/l 였으며, IAR은각각 1.54, 1.67, 1.72였 다. 따라서 IAR 값은 1.5, HMP ( 전하질량) 은 16 mmol/l으로임계치를 정하면위양성율을줄이는데많은도움을줄것이다. 그러나본연구에서 ECA 법으로양성이나온환자들의효소검사를실시하지않아서정확한 위양성율이나특이도를산출할수없는한계가있었다. 추후 ECA법과의 더많은비교연구및병행된효소검사를통해실제로이검사를임상에 사용할수있을지결정할수있을것으로사료된다. 한편, 갈락토오스혈 증중가장심각한임상증상을나타내는 galactose-1-phosphate-uridyltransferase (GALT) 결핍환자가포함 되어있지않았으나, Jensen 등에의하면 IAR값이모두 1.69 이상으로 보고하고있어민감도의문제는없을것으로사료되었다 14. 또한정밀도를 비교하였을때에도 ECA 법보다는우수한정밀도를나타냈다 ( 표 2 및표 3). 그리고, Jensen 등14에의하면신생아의출산당시몸무게에따라서 도 HMP 농도의차이를보이므로이에대한추후연구가필요할것으로 사료된다. 하므로 이방법은 gal-1-p 를직접측정하는것이아니라, 전체 HMP를측정 HMP의대사에영향을미치는다른질환에서도영향을받을수 있다. 예를들면hereditary fructose intolerance (OMIM 229600) 는 fructose-1-phosphate 가증가하고 15, fructose-1,6-biphosphatase 결 핍 (OMIM 229700) 에서는 fructose 1,6-diphosphate가증가할수있다 16. 따라서 MS/MS로 HMP 측정시이런질환들에대한영향에대한추후 연구가필요할것이다. 다른선별검사방법과마찬가지로갈락토오스혈증검사는측정물질 이어느정도축적되어있느냐에영향을많이받는다. 이방법은 ECA법 과마찬가지로갈락토오스를함유하지않는식이를할경우에는위음성 - 16 -
을보일가능성이있다. 이방법의장점들은혈액여지를이용하므로검체소요량이적어, 신생 아선별검사의한방법으로이용할수있으며검체전처리방법이간단하 며소요시간이짧아기존방법들에비해이점을갖는다. 또한검사소요시 간이 2분미만으로기존검사법에비해짧아많은신생아들을선별검사 할수있다는장점이있으며소요되는시약도적은장점을가지고있다. 그러나 MS/MS법이 negative-ion mode에서진행되므로아미노산이나 acylcarnitine을측정하는 positive-ion mode와는달라서현재실시하 고있는 MS/MS에의한신생아대사이상선별검사와는동시에작업을할 수가없다. 또한 MS/MS에의한신생아대사이상선별검사와는달리 butyl 유도화과정이다르므로 다. HMP 분석은독립적인과정으로이루어져야한 MS/MS 의소개는신생아대사이상선별검사의한변혁으로간주되고 있다. 기존방법과는다르게한번에여러질환의선별검사를보다정확하 게가능하게했고6,7, 치료적약물농도검사에서도같은성과를보여주었 고10 점차적으로그이용영역이확대되고있다. 이렇듯 MS/MS를이용한 갈락토오스혈증에서의 gal-1-p 측정은신생아대사이상선별검사, 추적 검사, 치료중경과관찰에이용할수있을것이다. - 17 -
Ⅴ. 결론 MS/MS에의한 HMP의측정은기존 ECA법과좋은상관관계를보였 고, 갈락토오스혈증으로확진된예에서확연히증가되었고, 기존 ECA법 보다소요시간이짧고재현성이높으며위양성을줄일수있어갈락토오 스혈증선별검사로서유용한검사로사료되었다. - 18 -
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Abstract Neonatal screening for galactosemia using tandem mass spectrometry Jae Gyun Lim Department of Medical Science The Graduate School, Yonsei University (Directed by Professor Jeong-Ho Kim) Galactosemia (OMIM 230400) is an inherited disorder in the metabolism of galactose caused by deficiency of the enzyme galactose-1-phosphate uridyl transferase, galactokinase, or UDP-galactose-4-epimerase, which leads to accumulation of galactose and galatose-1-phosphate (gal-1-p) in blood and tissues. There are several methods for neonatal screening of galactosemia. Enzymatic colorimetric assay (ECA) is widely used method. But all current methods require special reagents with multistep sample preparation procedures, and are time-consuming. The object of this studyis to evaluate tandem mass spectrometry (MS/MS) for the screening of galactosemia. The specimens were analyzed by a MS/MS protocol to determine the hexose - 22 -
monophosphates (HMPs) content, from which indirectly gal-1-p, a marker of galactosemia was determined. We analyzed dried filter-paper blood samples obtained 3~6 days after birth for routine neonatal screening from 158 cases, including 3 galactosemia patients. Total HMPs were assayed by negative-ion mode electrospray tandem mass spectrometry (MS/MS). The predominant precursor/product ion pair (m/z 259/79) was used to quantify total HMPs by external standardization. A total of 111 reference samples were available for this study. The mean concentration of aldose monophosphate and the mean concentration of ketose monophosphate were 1.46 mmol/l, 2.63 mmol/l, respectively. The mean ion abundance ratio (IAR) was 0.50. Samples from galactosemia patients (deficiency of UDP-galactose-4-epimerase) showed increased HMP (m/z 79) concentration (range for patients, 18.5-24.9 mmol/l) and IAR (range for patients, 1.52-1.72). MS/MS method was in good correlation with ECA (r2=0.926). And turn around time was less than 2 minutes. In conclusion, quantitative analysis of HMPs by MS/MS was correlated well with conventional ECA method, reducing the turnaround time comparing with ECA method, and was regarded as useful for the galactosemia screening. -------------------------------------------------------- Key Words: MS/MS, galactosemia, galactose-1-phosphate, neonatal screening - 23 -