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Meilenstein Spektroskopie Wenn Ionen auf Reisen gehen: Potenziale und Herausforderungen moderner Massenspektrometrie

Redakteur: Dr. Ilka Ottleben

Bremen und die Massenspektrometrie – beides verbindet eine langjährige Tradition. So verwundert es nicht, dass eine der herausragendsten MS-Technologien der jüngeren Geschichte von dort ihren Weg in die Welt gefunden hat. Wo kann die Reise noch hingehen?

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Dr. Thomas Moehring, Senior Director Hardware Management, Life Science Mass Spectrometry, am Bremer Standort von Thermo Fisher Scientific.
Dr. Thomas Moehring, Senior Director Hardware Management, Life Science Mass Spectrometry, am Bremer Standort von Thermo Fisher Scientific.
(Bild: LABORPRAXIS)

LP: Herr Dr. Moehring, die Massenspektrometrie hat am Bremer Standort von Thermo Fisher Scientific eine langjährige Tradition. Woran denken Sie als erstes, wenn Sie an Meilensteine denken?

Dr. Thomas Moehring: Als ich 2004 hier am Standort angefangen habe, hatten wir ein Gerät, das basierend auf der so genannten Fourier-Transform-MS-Technologie war. Das war das klassische FT-ICR-System, mit einem supraleitenden Magneten, mit einer hohen Feldstärke, bei uns waren das 7 Tesla. Dieses Gerät, das 2003 als LTQ FT eingeführt worden ist, war der erste Schritt des Bremer Standorts in Richtung Life-Science-Massenspektrometrie. Da haben wir uns hier am Standort zum ersten Mal mit Anwendungen aus Bereichen wie Proteomics und Metabolomics beschäftigt. Dann kam 2005 ein weiterer FT-MS-Detektor hinzu, den ich als wirklichen Meilenstein für die Analysatortechnik beschreiben würde: der so genannte Orbi­trap-Analysator.

LP: Wie kam es zur Entwicklung der Orbitrap?

Dr. Moehring: Der „main brain“ hinter der Orbitrap ist Alexander Makarov, der heute hier am Standort in Bremen Director of Global Research for Life Sciences Mass Spectrometry ist. Im Jahr 1999 hat er auf der Jahrestagung der American Society for Mass Spectrometry ASMS erstmals Ergebnisse vorgestellt, die für ein Gerät, das nicht FT-ICR-basiert war, revolutionär waren: extrem hohe Auflösungen und extrem gute Massengenauigkeit – zwei der Kern-Eigenschaften der Massenspektrometrie.

LP: Revolutionäre Daten – aber ließen sie sich auf den täglichen Einsatz im Labor einfach adaptieren?

Dr. Moehring: Das Problem, das sich darstellte war, dass ein Kunde, um die Technologie im täglichen Gebrauch anzuwenden, natürlich nicht auf ein kleines Massenfenster und eine exakt kontrollierte Anzahl von Ionen beschränkt sein will. Die Kundenanforderungen lagen in verschiedenen Marktsegmenten vielmehr anders: Es sind komplexe Proben zu analysieren, mit unterschiedlichen Intensitäten, die man mit Chromatographie vortrennt, nichts desto trotz gibt es immer Hintergrundsignale.

Die Entwicklung ausgehend von den ersten Ergebnissen im Jahr 1999 bis hin zum ersten kommerziell verfügbaren Gerät LTQ Orbitrap hat dann noch weitere sechs Jahre in Anspruch genommen. Das umfasste den Orbitrap-Analysator an sich ebenso wie das Injektionssystem. Wie muss beispielsweise der Winkel der Elektrode in der Mitte sein, wie der der Außenelektroden? Die Art und Weise wie wir die Ionen kontrollieren, ist im ersten Ansatz aus dem LTQ FT hervorgegangen. Dieses Konzept des Hybrids mit zwei funktionellen Massenspektrometern, in dem das eine (Lineare Ionenfalle) u.a. Ionenpakete sammeln kann, die dann im zweiten (FT-ICR oder Orbitrap) analysiert werden können, haben wir wieder aufgegriffen und so entstand die LTQ Orbitrap, die 2005 auf der ASMS in San Antonio erstmals vorgestellt wurde.

LP: Wie haben sich die Marktanforderungen seither verändert?

Dr. Moehring: Während Proteomics-Labore zu dieser Zeit oft daran interessiert waren, eine Probe zu charakterisieren oder auch mal drei oder vier als Zeitserie, gehen die Anforderungen heute in den Bereich von hunderten oder tausenden von Proben. Precision Medicine oder Cancer-Moonshot-Programme sind hier aktuell wichtige Schlagwörter. Hier geht es letztendlich darum, mit hohen Durchsätzen, große Probenanzahlen zu charakterisieren.

LP: Dabei ist Schnelligkeit entscheidend, aber sicher nicht nur? Was erwarten Ihre Kunden noch?

Dr. Moehring: Weil die Analysen häufig an verschiedenen Zentren bzw. Standorten durchgeführt werden, geht es neben dem Durchsatz auch um die Gewährleistung einer hohen Reproduzierbarkeit und Vergleichbarkeit zwischen den Messungen. Das ist eines der Hauptanforderungskriterien momentan an die Hardware. Es geht also nicht nur um Erweiterungen der Kernkennzahlen von Massenspektrometern wie Sensitivität, dynamischer Bereich, Scan-Speed, sondern es geht auch darum, Vergleichbarkeit im Sinne von Instrument-zu-Instrument-Reproduzierbarkeit und Robustheit etc. zu gewährleisten

Wenn Sie sich heute auf einem Anwendertreffen mit Kunden über die Kernkennzahlen unterhalten dann kriegen Sie i.d.R zu hören: dynamischer Bereich: Faktor 10, Sensitivität: Faktor 10 und Scan-Geschwindigkeit: Faktor 10. Die sind quasi gesetzt – da erwarten unsere Kunden von uns, dass wir daran ohnehin arbeiten. Aber daneben ist die Vergleichbarkeit der Geräte mehr und mehr in den Vordergrund getreten und die Robustheit, auch im Life-Science-Bereich. Wenn man sich andere Marktsegmente anschaut, wie Food & Beverage – da müssen Sie natürlich von vornherein robust an den Markt kommen.

LP: Erweitern sich die Märkte noch?

Dr. Moehring: Ein Großteil der Anwendungen bewegte sich zunächst im Bereich der Proteomics-Applikationen, aber die Technologie hat ihren Weg auch in andere Märkte gefunden. Momentan ist hier Biopharma ein sehr interessanter und stark wachsender Markt. Das hat insbesondere auch damit zu tun, dass im Pharma-Bereich vieles heute nicht mehr nur Small-Molecule-Anwendungen sind, sondern Protein-basierte Wirkstoffe – Antikörper, Peptide, Hormone – stark an Bedeutung zunehmen. Im Bereich Biosimilars/Biotherapeutics, können wir, aus dem Bereich Proteomics kommend, Kunden Technologien zur Verfügung stellen, in denen wir stark sind. Deswegen hat so ein Q Exactive als Benchtop-FT-MS-Gerät eine hohe Attraktivität auch für Biopharma-Applikationen und da sehen wir auch für die Zukunft einen der Märkte, der weiter wachsen wird.

LP: Und die unterschiedlichen Technologien – wie spielen Sie ihre Vorteile aus?

Dr. Moehring: In vielen Märkten, denken wir beispielsweise an die Pestizid-Analytik, geht es darum, idealerweise in einem einzigen analytischen Verfahren möglichst viel
abdecken zu können. Der Industriestandard für diese Analytik ist im Bereich LC-MS die Analyse mit einem Triple Quad MS im Targeted-Screening nach vorgegebenen Substanzen. Ich habe aber immer dann ein Problem, wenn sich hinterher herausstellt, dass in den Proben etwas drin war, das ich nicht auf meiner Liste hatte und deswegen nicht danach gesucht habe. Da ist so ein Full-Scan hochauflösender Ansatz, wie man ihn im Orbitrap-System machen kann, besser geeignet. Sie können dann gewissermaßen auch rückwärts schauen: Hatte ich das früher schon in meinen Proben, wann ist das aufgetreten? Das hat eine gewisse Attraktivität für den Lebensmittelmarkt aber natürlich auch z.B. für die Dopinganalytik. Das hören wir ja jetzt immer häufiger – der Medaillengewinner XYZ der Olympischen Spiele 2012 in London wurde nachträglich doch mit dieser oder jener Substanz erwischt. Das sind Vorteile von Full-Scan hochauflösenden Systemen wie der Orbitrap gegenüber einem Triple-Quad. Wobei man sagen muss, ein Triple-Quad ist, wenn es um Sensitivität geht, eigentlich unschlagbar.

LP: Im Bereich der Labordiagnostik hat man die Massenspektrometrie im Vergleich zu klassischen Verfahren noch nicht so lange auf dem Schirm. Wie schätzen Sie ihr Potenzial in diesem Markt ein?

Dr. Moehring: Ich glaube, dass die Clinical Mass Spectrometry ein großes Potenzial hat. Selektivität und Sensitivität von massenspektrometrischen Verfahren sind auf jeden Fall konkurrenzfähig und es gibt ja bereits Anwendungen im Neonatal- oder Vitamin-D-Screening und in der medizinischen Mikrobiologie, die auf Massenspektrometern basieren. Ich halte das für einen großen potenziellen Markt. Man muss sich allerdings auch hier genau anschauen, wie die Kundenanforderungen sind. Was müssen wir dem Kunden bieten, damit das in einer klinischen Umgebung wirklich funktioniert. Wir haben z.B. Triple-Quads, auch als MD-Geräte. Aber natürlich gehen auch Bereiche wie die Precision Medicine oder Translational Proteomics in Richtung Diagnostik und ich denke, auf lange Sicht wird es vielleicht auch da die Tendenz geben, dass solche Geräte im klinischen Markt als MD- bzw. IVD-Geräte registriert werden müssen.

LP: Und wie sieht es mit Miniaturisierung aus?

Dr. Moehring: Transportierbare, tragbare, kompakte Geräte sind definitiv Themen, die auch spannend sind. Wir arbeiten zur Zeit im Rahmen einer Kooperation mit der EAWAG – dem Wasserforschungsinstitut der ETH Zürich an einer Machbarkeitsstudie zum Thema „Zeitlich hochaufgelöste Messungen von Micropollutants in verschiedenen Wassern“. Dazu muss das Massenspektrometer an den Ort des Geschehens.

Wir haben Marktbegleiter, die bauen Massenspektrometer als Detektor in den LC-Stack. Also: Miniaturisierung, idealerweise bei gleichbleibender Performance, ist auch Herausforderung für die Produktentwicklung. Wie komme ich mit weniger Platz aus? Ein Vakuum brauche ich immer noch in dem Gerät. Was mache ich mit den Pumpen – werden die mit dem System kleiner oder werden die immer noch daneben gestellt? Das ist momentan sehr spannend. Sind wir z.B. irgendwann so weit, dass wir ein tragbares Handheld-Gerät an einem Port of Entry haben und die Pestizidanalytik direkt vor Ort durchführen können?

LP: Gibt es heute noch Märkte, wo die MS aus Ihrer Sicht unterrepräsentiert ist?

Dr. Moehring: Es gibt Bereiche z.B. in der Pharmaindustrie, wo heute noch praktisch alles über chromatographische Verfahren gemacht wird, obwohl hier auch die Massenspektrometrie Vorteile hätte. Es gibt ein Beispiel, das wir „MS in QC“ nennen und das zusammen mit einem großen Pharmaunternehmen entstanden ist. Zur Charakterisierung von Antikörpern in der Qualitätssicherung wurden hier bisher die Attribute über verschiedene chromatographische Verfahren abgefragt – z.B. über Größenausschluss, Kationenaustauscher und HILIC. Wir haben nun basierend auf dem Q Exactive eine so genannte Multiple-Attribute-Method erstellt, wo wir mit massenspektrometrischer Detektion ein Großteil davon in einer einzigen Methode vereinigen können. Das ist ein Beispiel für einen Markt, von dem wir glauben, dass die MS hier noch unterrepräsentiert ist. Wo man die Technologie aber verwenden kann, um z.B. Workflows zu vereinfachen. Die Methode ist schon publiziert und auch andere Pharmaunternehmen bekunden Interesse daran. Aber natürlich ist das ein Markt, wo über Jahrzehnte mit chromatographischen Methoden gearbeitet wurde und wo an der Marktakzeptanz entsprechend gearbeitet werden muss.

LP: Kann es heute in der Massenspektrometrie noch zu disruptiven Entwicklungen kommen?

Dr. Moehring: Curt Brunnee hat in einem Artikel von 1987 die Welt der Massenspektrometrie als Insellandschaft gezeichnet: mit Time-of-Fligt, Quad, Sektor-Geräten, Triple-Quad, Ionenfallen, FT-ICR. Daran hat sich in 20, 25 Jahren nichts oder kaum etwas verändert. Und keiner konnte sich wirklich vorstellen, dass da eine weitere Insel hinzukommt. Nun ist trotzdem eine da: die Orbitrap. Insofern will ich nicht ausschließen, dass es nochmal so etwas gibt. Wenn man auf große Tagungen wie die ASMS geht und sich dort durch die Hardware-Poster und -Sessions bewegt, sieht man Ideen, die man vielleicht in 20 Jahren als disruptiv bezeichnen kann. Das muss nicht unbedingt ein Analysator sein, sondern möglicherweise auch eine neue Technologie, wie man die Ionen auf dem Weg zum Analysator behandelt. Da gibt es heute Technologien wie die FAIMS oder Ionenmobilität. Es mag hier in Zukunft Technologien geben, die wir uns heute vielleicht noch nicht vorstellen können, die aber dazu führen, dass man viel effizienter werden wird.

LP: Gibt es Limitationen?

Dr. Moehring: Abgesehen davon, dass die Massenspektrometrie Vakuum braucht? Ich würde es nicht wirklich Limitation nennen, aber wenn wir so ein Gerät ausstellen, dann müssen wir je nach Massenspektrometertyp zwischen zwei Stunden und einer Nacht wieder anpumpen, bis wir wieder messbereit sind. Das ist insofern im Vergleich zu anderen Technologien wie der HPLC eine Limitation und es gibt noch „Room for Improvement“.

Auf der anderen Seite könnte man natürlich für den Bereich Life-Science-Massenspektrometrie sagen: Es gibt Verfahren, die sich vielleicht am Ende des Tages für den Anwender als schneller und einfacher herausstellen, was wir aufgrund der Technologie, die wir brauchen – sei es Vakuum oder Spannung – so nicht gewährleisten können. Man sollte sich sicherlich nie der Illusion hingeben, dass alles so bleibt wie es ist. In der Sekunde, in der jemand z.B. einen genialen Einfall hat, wie man Proteine anders sequenzieren kann, als mit Massenspektrometrie und MS-MS, und das schneller, einfacher und besser ist, verliert die Life-Science-Massenspektrometrie eines ihrer Hauptstandbeine. Und deswegen sollte man einen gehörigen Schuss paranoid sein, wenn es darum geht, sich die Technologie-Roadmap anzugucken und Technologien zu beobachten, die vielleicht in eine Richtung gehen, wo wir heute sagen, das ist unser Bereich.

LP: Wo steht die Massenspektrometrie bei Thermo Fisher in 20 Jahren?

Dr. Moehring: Ich glaube ganz sicher, dass es auch in 20 Jahren einen Bereich für Massenspektrometrie geben wird. Wir haben Technologien, die sich mit Precision Medicine, Biopharma oder mit Clinical Mass Spectrometry gerade ganz neuen Fragestellungen widmen. Ich glaube, wir werden weiterhin Entwicklungen an den Kernkennzahlen sehen, die die MS für Kunden interessanter macht. Und ein anderer Zweig, der sich entwickeln wird, befasst sich sicherlich mit der Frage: Wird es kompakte Massenspektrometer als Teil einer Gesamtlösung geben, die man beispielsweise an einen Hafen, an einen Flughafen stellt oder die jeder Tierarzt im Kofferraum hat? Da werden wir sicherlich noch einiges an spannenden Entwicklungen sehen.

Herr Dr. Moehring, vielen Dank für das Gespräch.

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