TEKNOLOGIA & OSAAMINEN
Sairauksien tunnistaminen hajumolekyylien
avulla ionimobiliteettispektrometriaa käyttäen
NIKU OKSALA
kirurgian professori (erityisesti verisuonikirurgia),
Lääketieteen ja terveysteknologian tiedekunta,
Tampereen yliopisto, Ylilääkäri, Verisuonikirurgian
ja toimenpideradiologian yksikkö, alueellinen
kuvantamiskeskus- ja apteekkiliikelaitos, TAYS
Ioniliikkuvuusspektrometria (IMS) on
ilmakehän paineessa toimiva, nopea, huoltovapaa,
pienikokoinen ja kustannustehokas
menetelmä, jolla on mahdollista tunnistaa
esim. orgaanisia haihtuvia yhdisteitä
(VOC) ilman näytteiden esivalmistelua
tai henkilöstön erikoisosaamista. IMS soveltuu
suoraan näytteiden kaasufaasista tapahtuvaan
mittaukseen. Useissa eri sairauksissa ja elimistön
häiriötilanteissa on tunnistettu niille ominaisia
VOC-yhdisteitä ja niitä vapautuu myös
useista taudinaiheuttajista. Uuden sukupolven
laitteet ovat itsenäisiä, oppivia ja vietävissä
minne tahansa.
1. Haihtuvien molekyylien tunnistamisen,
massaspektrometrian ja ioniliikkuvuusspektrometrian
periaate
Useilla sairauksilla ja taudinaiheuttajilla on
niille ominainen haihtuvien orgaanisten
yhdisteiden (VOC) kirjo, joka on todennettu
massaspektrometriaa (MS) käyttäen. MS vaatii
tyhjiön toimiakseen ja siinä mitataan ionien
massan ja varauksen suhdetta (m/z). Monimutkaisissa
lääketieteellisissä näytteissä esiintyy
usein molekyylejä, molekyylejä, joilla on
sama m/z, mutta joiden isomeerirakenne on
erilainen. Näiden erottelemiseksi tarvitaan
esierottelu esimerkiksi kaasukromatografia-
(GC) tai IMS-tekniikalla. Vaatimus tyhjiölle
ja GC:lle aiheuttaa sen, että MS on kallis ja
vaatii käyttäjältään sekä laajaa teknistä että
analyyttisen kemian osaamista sekä säännöllistä
huoltoa ja kalibraatiota. Vaikka kenttäkäyttöön
tarkoitettuja laitteita kehitetään kiivaasti,
ne eivät vielä suuren kokonsa ja käytettävyytensä
vuoksi sovellu liikkuvaan käyttöön.
Toisin kuin MS, ioniliikkuvuusspektrometria
(IMS) toimii ilmakehän paineessa ja
siinä mitataan ioniliikkuvuutta, johon vaikuttavat
ionisoituneen molekyylin massa, varaus
ja erityisesti muoto. IMS:ssa pienellä radioaktiivisella
säteilylähteellä, koronaionisaatiolla
tai esimerkisi fotoionisaatiolla ionisoidut
molekyylit kulkevat sähkökentässä ja törmäävät
väliaineena toimivan neutraalin kantajakaasun,
käytännössä yleensä ilman molekyyleihin
ja saavuttavat sähkökentässä poikkipinta
12 Moodi 2–3/2019
alaansa verrannollisen loppunopeuden.
Ionien erottelu perustuu niiden nopeuden
mittaamiseen. Ioniliikkuvuusspektrometria
(IMS) vaatii mittausolosuhteiden vakioinnin
erityisesti paineen, kosteuden ja lämpötilan
suhteen. Myös ei-kaasumaiset epäpuhtaudet
tulee poistaa tehokkaasti. Näin näytteenotto
saadaan tasalaatuiseksi. IMS on yksinkertaisempi
ja edullisempi valmistaa kuin MS koska
tyhjiötekniikkaa ei tarvita. Lisäksi laitteisto on
varsin pienikokoinen, jopa kannettava ja erittäin
nopea. Tunnistaminen tapahtuu sekunneissa
tai minuuteissa riippuen sovelluksesta.
DMS (differential mobility spectrometry) ja
FAIMS (field asymmetric waveform IMS)
ovat IMS:n kehittyneitä muunnelmia, joissa
ionien erottelu perustuu ionityypille ominaiseen
liikuvuuden sähkökenttäriippuvuuteen.
Erottelutapa tuo ioneista lisätietoa verrattuna
klassiseen IMS-tekniikkaan (Kuva 1). DMS
ja FAIMS kykenevät jopa ppt-ppb (particle
per trillion – particle per billion) erotuskykyyn.
Etenkin FAIMS/DMS-menetelmien
etuna on, että niillä saavutetaan saavutetaan
elektronisiin neniin verrattuna laaja kemiallinen
herkkyysalue ja toisaalta teknologiaa voidaan
soveltaa myös kvantitatiivisiin mittauksiin.
Toisin kuin suurimmalla osalla MS-laitteista,
DMS:llä voidaan mitata yhtä aikaa sekä
positiivisia että negatiivisia ioneja. Kytkemällä
IMS/FAIMS/DMS-sensori MS-sensorin
edelle, sitä voidaan käyttää esisuodattimen
tavoin parantamaan MS:n herkkyysaluetta.
Tämä teknologia on hyödyllinen eritoten analysoitaessa
rasvahappoyhdisteitä, valkuaisaineita
tai tai lääkeaineita ja niiden isomeereja.
IMS-teknologian merkittävimpiä sovelluksia
ovat räjähteiden ja taistelukaasujen havaitseminen
sekä olosuhteiden valvonta esimerkiksi
kansainvälisellä avaruusasemalla (Johnson et
al. 2007, Kolakowski et al. 2007).
Yksinkertaisimmillaan IMS-signaalin analyysissä
voidaan verrata yhden aineen pitoisuutta
näytteiden välillä mutta VOC-analytiikalle
ominaista on, että näytteet sisältävät
jopa satoja erilaisia molekyylejä, eikä esimerkiksi
eri potilasryhmiä voida erottaa yksittäisiä
aineita vertaamalla. Ratkaisuna on lähestyä
näytettä kokonaisuutena ja pyrkiä luokittelemaan
näytteitä niiden koko spektrin perusteella.
Tällöin hyödynnetään erilaisia koneoppimismenetelmiä
(Chen et al. 2013). Nykyaikainen
IMS-tunnistin voidaankin harjoittaa
tunnistamaan haluttu VOC-profiili ja tämän
jälkeen luokittelun yleistettävyys tarkistetaan
erilaisilla validaatiomenetelmillä.
2. IMS:n käyttö sairauksien tunnistamisessa
Syöpäkirurgia
Syöpäkirurgian keskeinen ongelma on, että
jopa joka viidennessä leikkauksessa potilaaseen
jää syöpäkudosta riittämättömän tervekudosmarginaalin
takia ja se altistaa paikalliselle
uusiutumiselle (Bodilsen et al. 2015),
lisää kustannuksia ja huonontaa elämänlaatua
(Jeevan et al. 2012, Jendrian et al. 2017).
Mikäli marginaalia voitaisiin valvoa leikkauksen
aikana, paikallista uusiutumista ja erityisesti
uusintatoimenpiteitä voitaisiin vähentää
merkittävästi
Omissa tutkimuksissamme olemme osoittaneet,
että tärkeimmät kudostyypit voidaan
erotella luotettavasti sähköveitsellä leikatessa
syntyvän savun DMS-analyysin perusteella
(Kontunen et al. 2018). Aivan erityinen
ongelma tässä sovelluksessa on, että sähköveitsen
palokaasuissa on runsaasti pienhiukkasia ja
nokea (Karjalainen et al. 2018). Tämän vuoksi
olemme kehittäneet erityisen suodatusjärjestelmän
joka estää sensorin kontaminoitumisen
ilman että näytteen biologinen informaatio
katoaa. Tätä teknologiaa voidaan soveltaa
myös tunnistettaessa rintasyöpä (Sutinen et
al. 2019) tai aivokasvain (Haapala et al. 2019)
kudosnäytteistä. Käytännössä tämä mahdollistaa
joko kirurgin leikkauksenaikaisen kudostunnistuksen
tai patologin apuvälineen kehityksen.
Patologin kannalta tämä voisi tarkoittaa
esim. kudospreparaatin preparoinnin
yhteydessä käytettävää apuvälinettä, jolla
kudosleikkeet voitaisiin kohdentaa mahdollisimman
tarkasti ja tuottaa analyysi koko marginaalista.
Teknologia soveltuu käytettäväksi
myös muiden poltto- ja leikkausteknologioiden
(laser, ultraääni) kanssa käytettäväksi.
Syöpien primaaridiagnostiikka
Teknologiaa voidaan hyödyntää myös sairauksien
primaaridiagnostiikassa, sillä esimerkiksi
eturauhassyövällä ja eturauhassyöpäsoluilla
on niille ominainen hajuprofiili (Roine
et al. 2012) ja kliinisessä asetelmassa eturauhassyöpäpotilaat
voidaan tunnistaa virtsan
hajuprofiilin perusteella (Roine et al. 2014).
Myös esimerkiksi haimasyöpä (Nissinen et
al. 2019), ovariosyöpä (Niemi et al. 2018) ja
paksusuolen syöpä ja adenoomat (Mozdiak
et al. 2019; Arasaradnam et al. 2014) voidaan
tunnistaa virtsanäytteestä. IMS-teknologiaa
on hyödynnetty laajasti uloshengitysilman