Bioanalysis Column | How to Tackle the Analytical Challenges of Complex Biological Samples of Innovative Drugs?

Column:Bioanalysis Column Time:2025-03-19

生物分析专栏|如何应对创新药复杂生物样本的分析难题?

在创新药物研发的进程中,生物样本分析是PK/PD研究的关键环节。复杂生物样本如尿液、粪便、泪液、咽拭子、脑脊液、肿瘤囊液、龈沟液、全血培养上清、组织细胞等,因其独特的生理特性和含有潜在的生物标志物,成为研究的热点。然而,这些样本的分析也面临着诸多挑战,包括样本稳定性差、成分复杂、检测灵敏度要求高等问题。阳光德美作为一家覆盖临床前到临床全链条的生物分析平台,我们依托GLP/GCP实验室多维度技术平台及全流程质量管理体系,为复杂生物样本提供从“样本采集”到“数据交付”的一站式解决方案。本文将从挑战、策略与案例三个维度,探讨如何利用先进的技术和平台,有效应对复杂生物样本的分析难题。
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复杂生物样本的挑战


1.成分复杂多样

复杂生物样本基质成分复杂,可能对检测方法产生干扰。以尿液为例,它不仅含有水、电解质、尿素、尿酸等常规成分,还可能因个体健康状况、饮食、用药等因素,含有各种微量的代谢产物、生物标志物甚至病原体。粪便样本更是复杂,除了食物残渣、肠道菌群及其代谢产物外,还可能存在未被完全消化的蛋白质、脂肪等,这些成分相互干扰,给准确分析带来极大困难。泪液中的蛋白质、脂质、细胞因子、生长因子等成分的含量极低,检测难度大。咽拭子样本主要用于检测呼吸道病原体的核酸,然而样本中可能同时存在正常菌群、杂质以及其他非目标病原体,如何精准分析成为挑战。因此,选择合适的样本前处理方法和检测技术是应对复杂基质的关键。

2.样本量限制

在实际研究中,尤其是对于一些特殊人群或特定疾病的研究,获取大量的生物样本往往是不现实的。例如,在罕见病研究中,患者数量少,导致可获取的样本量也较少。另外对于较难获取的基质,如脑脊液和肿瘤囊液,采集量有限且成分复杂,分析难度极高。更严峻的是,空白生物基质的获取难度进一步加剧了分析方法验证的困境——这些基质需用于评估检测方法的选择性、基质效应及干扰效应,但因来源受限、批次间差异大,常导致验证项目难以全面开展。例如,ICH M10指南要求验证需覆盖至少6个不同供体/批次的空白基质,而实际研究中常因样本短缺被迫缩减验证参数,影响方法可靠性。

3.样本稳定性差

复杂生物样本的稳定性受多种因素影响,如温度、pH值、酶活性等。例如,尿液中的代谢物可能因尿液的酸碱度变化而发生降解,待测物也可能被容器吸附而影响浓度。因此,样本的采集、处理和保存需要严格遵循标准操作规程序(SOP),以确保样本的完整性和稳定性。

4.检测灵敏度和特异性要求高

由于复杂生物样本中目标分析物的含量可能极低,同时存在大量干扰物质,这就对检测方法的灵敏度和特异性提出了极高的要求。例如,泪液中的药物代谢物浓度较低,需要灵敏的质谱分析技术进行定量分析;咽拭子样本中的病原体核酸可能需要高灵敏度的PCR技术。此外检测方法的特异性也至关重要,以避免假阳性或假阴性结果。

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阳光德美多平台的技术优势与应对策略


1. 标准化样本采集

在生物分析过程中,复杂生物样本的采集是确保检测结果准确性和可靠性的关键环节。样本采集的不规范操作都有可能导致样本质量下降、目标分析物降解或污染,从而影响检测结果的准确性。例如,样本采集时间、保存条件、运输过程中的温度变化,以及样本处理的延迟,都可能对待测物的稳定性产生显著影响,进而干扰后续的分析和解读。另外对于一些复杂样本,如泪液或咽拭子,采集操作、标准不统一也会影响结果的可靠性。

为了应对这些挑战,阳光德美不仅会为合作机构和研究人员提供详细的标准化临床操作手册,还会根据不同的样本类型和检测需求,提供定制化的样本采集包。这些采集包配备了专业的采样工具、保存试剂和运输容器,确保样本在采集、保存和运输过程中的规范性和完整性。

此外,标准化的临床操作手册详细列出了样本采集的步骤、注意事项以及紧急情况的处理方法。从样本采集的最佳时间窗口,到样本处理的具体要求,再到运输过程中的温度和时间控制,手册中的每一个细节都经过精心设计,旨在最大限度地减少人为因素对样本质量的影响。

通过这些措施,阳光德美致力于将复杂生物样本的采集过程标准化、规范化,从而为后续的生物分析提供高质量的样本基础。这不仅有助于提高检测结果的准确性,也为药物研发和临床研究的成功奠定了坚实的基础。

2. 科学的样本预处理技术

复杂生物样本的前处理对于检测结果的准确性至关重要。针对复杂生物样本的特点,可以采用科学的样本预处理技术,以提高样本的检测灵敏度和准确性。如粪便样本的前处理方法需要通过称重、匀浆、提取等多个步骤对样本进行前处理后,再对数据进行折算处理,以获得粪便样本中药物的含量。

3. 多平台协同作战

阳光德美依托质谱分析平台、免疫分析平台、细胞生物学平台、分子生物学平台、病理平台以及中心实验室服务,构建了一套完整的检测体系。

(1)质谱分析平台

质谱分析技术是复杂生物样本分析的核心工具之一。其高灵敏度和高分辨率特性使其能够检测低浓度的目标分析物。例如,液相色谱-质谱联用(LC-MS/MS)技术在尿液、粪便等生物样本的代谢物分析中表现出色。通过优化色谱分离条件和质谱检测参数,可以有效减少基质效应,提高检测的准确性和灵敏度。

(2)免疫分析平台

免疫分析技术基于抗原-抗体特异性反应,适用于生物样本中蛋白质、细胞因子等生物标志物的检测。例如,在脑脊液中检测炎症标志物时,酶联免疫吸附测定(ELISA)和化学发光免疫分析(CLIA)是常用的方法。这些技术具有高特异性的特点,能够满足临床研究和药物开发的需求。

(3)细胞生物学平台

细胞生物学平台为复杂生物样本的分析提供了细胞水平的支持。例如,通过细胞培养和构建细胞模型,可以研究药物在细胞内的代谢过程和作用机制。此外,流式细胞术可用于分析细胞表面标志物及细胞内因子等,帮助研究样本中的细胞组成和功能状态。

(4)分子生物学平台

分子生物学平台是分析生物样本中核酸成分的关键工具。例如,PCR实验能够快速扩增和检测样本中的DNA或RNA。实时荧光定量PCR技术因其高灵敏度和绝对定量能力,特别适用于低丰度核酸的检测,如人口咽拭子样本中的甲型/乙型流感病毒RNA检测、脑脊液样本中的CAR拷贝数测定等。

(5)病理平台

病理平台通过组织学和细胞学分析,为复杂生物样本的分析提供了组织水平的支持。例如,免疫组化可利用抗原与抗体特异性结合的原理,对组织或细胞中的特定蛋白质进行定位、定性及相对定量分析,帮助科研人员清晰观察目标蛋白在组织中的分布与表达情况,可系统性解析复杂样本的病理特征。

4. 高灵敏度和特异性的检测方法

在检测方法上,我们不断学习和创新,以满足复杂生物样本分析的高要求。通过文献调研、方法开发,能够在复杂的样本中准确识别和定量目标分析物,大大提高了检测的灵敏度和特异性。

5. 阳光德美的标准化与质量控制
(1)GLP和GCP标准
阳光德美的标准化操作是确保生物样本分析准确性和可靠性的基础。GLP和GCP标准要求实验室在样本处理、检测方法验证、样品分析、原始记录、数据统计和质量控制等方面严格遵循规范。
(2)P2级细胞实验室和PCR实验室
P2级生物安全实验室 和PCR实验室为复杂生物样本的分析提供了安全和高效的环境。P2级生物安全实验室适用于分析可能含有感染性病原微生物(非高致病性)的样本,通过有效的保障措施,既保护了实验人员与环境,又确保了样本分析结果的准确性和可靠性。PCR实验室则通过严格的分区设计和操作规范,避免样本交叉污染,确保核酸检测的准确性。
(3)质量控制与方法验证
质量控制是确保生物样本分析可靠性的关键环节。阳光德美在样本分析前均进行符合法规要求的方法验证,以评估检测方法的可靠性和稳定性。阳光德美遵循GLP/GCP规范以及ICH、FDA和CFDA指导原则,已通过了中国合格评定国家认可委员会(CNAS)的认证,并积极参与国内外权威机构组织的能力验证项目,涵盖质谱、化学发光、酶联免疫、临床检验和病理等多个技术平台,并均取得了优异的成绩,显示出卓越的检测能力和质量控制水平。此外,实验室还建立了完善的样本追踪和数据管理系统,以确保分析结果的可追溯性。
03
阳光德美应用案例


阳光德美在复杂生物样本处理与分析方面凭借丰富的实战经验,可以为各类样本提供定制化的解决方案。

1、尿液和粪便样本

尿液和粪便样本中药物代谢物的检测是药物研发和临床应用中的重要环节,其检测方法和技术不断更新,以满足高灵敏度、高特异性和快速分析的需求。目前常用液相色谱-质谱联用技术进行检测(LC-MS/MS)。该技术结合了液相色谱的高效分离能力和质谱的高灵敏度检测能力,能够有效分析尿液或粪便中复杂的代谢物成分。另外还可以使用四极杆-飞行时间质谱(AB TRIPLE TOFTM 5600,Q-TOF)根据采集的原型药物及其代谢产物的精确质量数的数据确定分子式;通过质谱的碎片信息解析质谱的裂解途径,进而预测结构。

阳光德美在创新药物的尿液和粪便样本的处理和分析方面具有丰富的经验,更多内容见《喜报:阳光德美PK/PD团队助力盛格列汀片及盐酸凯普拉生片取得重大进展》、《喜报:阳光德美PK/PD团队助力1类新药磷酸森格列汀片获批上市》。

2、泪液样本

泪液作为独特的样本来源,可以通过相对非侵入性的方法收集,比其它样本获取容易,减少了对患者的创伤和风险,这对于临床研究来说是一个重要的优势。另外泪液能反映药物在眼部的吸收、分布和代谢情况,这对于评估药物在眼部的作用和疗效非常重要,尤其是对于眼部疾病的治疗。

某滴眼用药物是能够直接作用于眼部平滑肌,对瞳孔括约肌产生收缩作用的滴眼液,可缩小瞳孔,降低眼内压。在该药物的药代动力学研究中,阳光德美利用资源整合优势,开发并验证了具有高灵敏度、高特异性的高效液相色谱-质谱/质谱(HPLC-MS/MS)定量分析方法,对人泪液样本中药物含量和人血浆样本中药物浓度进行测定,为这一重要药物的研发进程迈出了坚实的步伐。

3、咽拭子

咽拭子作为一种常见的生物样本,在临床研究中同样具有重要意义。然而由于其来自复杂的口腔环境,分析咽拭子样本面临着诸多挑战。

某中药拟用于治疗儿童流行性感冒(风热证),在其多中心II期临床试验中,阳光德美开发并验证了qPCR法检测人口咽拭子中甲型/乙型流感病毒RNA的方法,该方法采用实时荧光定量PCR仪(QuantStudioTM 5)采集荧光后获取Ct值,对样本进行定性判定,为该项目的顺利推进贡献力量。

4、脑脊液和肿瘤囊液

脑脊液和肿瘤囊液采集量有限且成分复杂。在某CAR-T项目的I期临床研究中,阳光德美整合4个平台的资源,对该项目的PK/PD研究进行高质量、高效率的推进。阳光德美开发并验证了流式细胞法测定人脑脊液和肿瘤囊液中CAR-T细胞数和百分比、qPCR法检测的人脑脊液和肿瘤囊液中嵌合抗原受体(CAR)拷贝数、Luminex法测定人脑脊液中细胞因子水平(包括CCL2、G-CSF、IL-4、IL-6等17种细胞因子)、ELISA法检测人脑脊液中BiTE的水平,为该项目的研发贡献力量。

5、龈沟液

龈沟液(gingival crevicular fluid, GCF)是存在于牙周龈沟或牙周袋内的组织渗透液,其成分和含量变化与牙周组织健康密切相关,是研究牙周疾病的重要生物样本。某干细胞临床拟用于治疗牙周炎,阳光德美采用高灵敏度、高特异性的检测方法助力相关项目顺利进行。开发并验证了ELISA法检测龈沟液中OPG(骨保护素)的浓度,开发并验证了Luminex法检测人龈沟液中IL-6、TNF-a等细胞因子水平。Luminex技术是一种高通量、多指标的检测方法,能够在少量样本(<50 µL)中同时检测多种细胞因子,具有高效、灵敏、特异性强的特点。通过这些先进的检测技术,阳光德美能够为牙周疾病的研究提供精准的生物标志物分析,助力项目的顺利推进,为牙周疾病的早期诊断和治疗提供科学依据。

6、全血培养上清

人全血培养上清是采集的全血在刺激物刺激和非刺激后孵育培养后离心取得的上清液。人全血培养上清用于细胞因子检测具有多方面的优势。全血培养保留了血细胞之间以及血细胞与血浆成分之间的天然相互作用,能够更好地模拟体内环境,可以更准确地反映出细胞在体内复杂环境下的功能和反应,反映整体免疫反应。检测全血培养上清中的细胞因子对于临床疾病的诊断、监测和治疗具有重要的指导意义。

某创新药临床拟用于治疗类风湿关节炎,在其I、II期临床研究中,阳光德美采用Luminex法检测人全血培养上清中细胞因子和IL-6和TNF-α的水平,采用ELISA法检测人血清中细胞因子IL-23的水平、采用MSD法检测人血清中细胞因子IFN-γ等5种细胞因子水平。通过多平台、多方法,从多维角度为该项目的顺利推进贡献力量。

7、组织

通过检测组织中miR-124的异常表达,可为结直肠癌(CRC)的早期发现提供依据,改善患者预后。在某创新药的I期临床研究中,阳光德美采用qPCR法检测乙状结肠活检组织中miR - 124的水平。qPCR技术有着极高的灵敏度,能够精准检测到乙状结肠活检组织中低丰度的miR - 124。通过精心设计的引物,可有效避免非特异性扩增,准确区分miR - 124与其他相似序列的核酸分子,确保检测结果的高度可靠性,为该研究的深入开展提供了有力保障 。

04
结语


随着生命科学研究的不断深入和药物研发的快速发展,对复杂生物样本分析的需求将越来越大,挑战也将越来越多。我们将继续加大在技术研发和人才培养方面的投入,不断完善我们的 PK/PD 研究平台和生物分析平台,提高应对复杂生物样本分析难题的能力。同时,我们也期待与更多的科研机构、药企展开合作,共同攻克生命科学领域的难题,为人类健康事业做出更大的贡献。

如果你在复杂生物样本分析方面遇到了困难,或者对我们的平台和服务感兴趣,欢迎随时与我们联系。让我们携手共进,探索生命科学的奥秘!