JP2016173346A - マススペクトルデータ処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】多数のマススペクトルに対する共通のピークの探索を自動的に且つ的確に行う。
【解決手段】処理対象の多数のマススペクトルから検出したピークに基づき、所定幅ΔＭである質量電荷比範囲毎のピーク計数値を示すピークヒストグラムを作成する（Ｓ１、Ｓ２）。ピークヒストグラムにおいて同じm/zのピークの集合であると推定されるヒストグラムクラスタを検出し（Ｓ３）、ヒストグラムクラスタ毎にピーク数の合計値を算出して該合計値が閾値以上であるクラスタを有意なクラスタとして抽出する（Ｓ４）。この有意なクラスタに含まれるピークはマススペクトルに共通なピークであるとみなせるから、一つのクラスタに含まれる複数のピークのm/z値から代表値を算出し（Ｓ５）、これを共通ピークの情報として表示部に出力する（Ｓ６）。これにより、多数のマススペクトルに共通に現れるピークを自動的に抽出することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、質量分析装置により得られた質量電荷比とイオン強度との関係を示すマススペクトルデータを処理するデータ処理装置に関し、さらに詳しくは、多数の被検体や試料からそれぞれ得られたマススペクトルに共通するピークやそれらマススペクトルを特徴付けるピークを抽出するのに好適なデータ処理装置に関する。

近年、特定の疾病や疾患の早期診断や治療効果の確認などのために、質量分析法を利用したバイオマーカーの解析の研究が進められ、一部は実用化されつつある。
例えば同一の疾患を有する多数の患者から採取した血液等の生体試料に対して質量分析を行うことで得られたマススペクトルにおいて、共通に観測されるピークがあれば、該ピークに対応する物質はその疾患における有力なバイオマーカー候補である。こうしたことから、多数のマススペクトルに対する共通のピークの探索はバイオマーカー解析における重要な作業の一つである。

従来、多数のマススペクトルに対し共通のピークを抽出する作業は専ら人手により行われている。具体的には、いま複数のマススペクトル（以下、特に明記しない限り、ここでいうマススペクトルはセントロイド処理がなされていないプロファイルスペクトルである）が与えられたとき、これらを図４に示すように並べて比較すると、図４上部に下向き矢印で示した位置（m/z値）に現れるピークが共通である可能性が高いと判断できる。こうして複数のマススペクトルから抽出されたピークの情報（質量電荷比及びイオン強度）は図５に示すようなピークマトリクスにまとめられる。このピークマトリクスでは、複数の検体について、ピークの質量電荷比とイオン強度との関係が数値で示されている。

多数のマススペクトルにおけるピークの情報が与えられたときに、それから上記のようなピークマトリクスを作成する作業は、例えば「Mass++」（非特許文献１参照）などの既存の質量分析用解析ソフトウエアを利用することで自動的に行え、作業は非常に簡単である。これに対し、その前の、複数のマススペクトルから共通に現れるピークを選定する作業は自動化が困難である。

例えば上記質量分析用解析ソフトウエアを利用すれば各マススペクトルに対してピーク検出を行いそれぞれピークリストを作成することは可能である。しかしながら、そうしたピークリストに挙げられたピークの中で高さや面積が大きいものが重要なピークであるとは限らないため、場合によっては、高さや面積が小さなピークも、複数のマススペクトルに共通に存在するか否かの判定対象に加える必要がある。また、共通ピークといっても、全てのマススペクトルで検出されているものだけでなく、一部のマススペクトルでは検出されない場合であっても共通ピークとして抽出する必要がある。こうしたことから、共通ピークであると判定する際の判定基準を一律に決めることが困難である。さらにまた、マススペクトル毎に質量電荷比値のずれ（質量較正のぶれ）があるため、実際には同一のピークでも質量電荷比値が微妙に異なることがあり、そうしたピークが同一であると判断する必要もある。

こうした理由のために、共通ピークの抽出は作業者の手作業に頼らなければならない。そのため、特に、マススペクトルの数が多い場合や確認すべき質量電荷比範囲が広い場合には、作業者に掛かる負担が大きく、作業に長い時間を要する。また、共通ピークの抽出漏れが生じるといった判定の不正確性や作業者による判定のばらつきなどのリスクもある。

田中 聡（Satoshi Tanaka）、ほか１８名、「マス++：ア・ビジュアライゼイション・アンド・アナリシス・ツール・フォー・マス・スペクトロメトリー（Mass++: A Visualization and Analysis Tool for Mass Spectrometry」、J. Proteome Res.、2014年、Vol. 13 (No.8)、pp. 3846-3853、［平成27年3月3日検索］、インターネット＜URL: http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/pr500155z＞

本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、多数のマススペクトルに共通性の高いピークを自動的に且つ的確に抽出することができるマススペクトルデータ処理装置を提供することにある。

上記課題を解決するために成された本発明は、複数の試料や検体に対しそれぞれ得られたマススペクトルを構成するデータを処理することにより、その複数のマススペクトルに共通する特徴的なピークを調べるマススペクトルデータ処理装置であって、
a)処理対象である複数のマススペクトルのそれぞれにおいて検出されたピークの質量電荷比情報を取得するピーク情報取得部と、
b)前記ピーク情報取得部により得られたピークを質量電荷比毎又は質量電荷比範囲毎に計数してピークヒストグラムを作成するヒストグラム作成部と、
c)前記ピークヒストグラムにおいて同じ質量電荷比のピークの集合であると推定されるピーククラスタを抽出し、抽出したピーククラスタに含まれるピークの数に基づいて有意なピーククラスタを選択するクラスタ選択部と、
d)前記クラスタ選択部により選択された有意なピーククラスタに含まれるピークのうちの１又は複数のピークの質量電荷比に基づいて該ピーククラスタに含まれるピークの質量電荷比の代表値を決定し、該代表値を前記処理対象である複数のマススペクトルに共通する特徴的なピークの情報として出力するピーク情報提供部と、
を備えることを特徴としている。

ここで「マススペクトル」はＭＳ／ＭＳスペクトルやｎが３以上のＭＳⁿスペクトルも含むものとする。また、ここでいう「マススペクトル」はセントロイド処理がされていない「プロファイルスペクトル」である。

本発明に係るマススペクトルデータ処理装置において、ピーク情報取得部は例えば、所定の指示に基づき、処理対象である複数のマススペクトルのそれぞれにおいて検出されたピークの質量電荷比情報をデータメモリから読み出したり、他の装置やユニットから受領したりする。ヒストグラム作成部は質量電荷比毎又は質量電荷比範囲毎にピークの数を計数し、質量電荷比又は質量電荷比範囲と頻度との関係を示すピークヒストグラムを作成する。通常は、予め定めた適宜の質量電荷比幅を持つ質量電荷比範囲毎に、質量電荷比値がその範囲に含まれるピークの数を計数すればよい。

次に、クラスタ選択部は、作成されたピークヒストグラムにおいて実際には同じ質量電荷比のピークの集合であると推定されるピーククラスタを抽出する。このとき、所定の質量電荷比幅に含まれるピーククラスタを抽出するとよい。ここで「所定の質量電荷比幅」は通常、マススペクトルが取得される質量分析装置の質量精度や質量校正の精度などに応じて決めればよく、それら精度が低いほど「所定の質量電荷比幅」を広くする必要がある。このピーククラスタは、実測で得られた質量電荷値は微妙に相違していても同一ピークである、と推定されるピークの集合である。そして、抽出したピーククラスタに含まれるピークの数に基づいて、つまりは同一であると推定されるピークが現れているマススペクトルの数に基づいて有意なピーククラスタを選択する。

具体的には例えば、クラスタ選択部は、ピーククラスタに含まれるピークの数が所定の閾値以上であるときに該ピーククラスタを有意なピーククラスタとして選択すればよい。この場合、閾値以上の数のマススペクトルに共通に現れるピークを含むピーククラスタが有意なピーククラスタとして選択される。即ち、有意なピーククラスタとは、閾値以上の数のマススペクトルに共通に現れるピークを示すピーククラスタである。このとき、閾値は、マススペクトル総数の中でどの程度の数のマススペクトルに現れたときに共通とみなすかの基準値であるから、この所定の閾値は作業者が入力部から設定可能としておくとよい。また、入力部から閾値を設定する際には、マススペクトルの数を設定する代わりに全体の割合（例えば％値）を設定できるようにしてもよい。

ピーク情報提供部は、有意なピーククラスタに含まれるピークのうちの１又は複数のピークの質量電荷比に基づいて該ピーククラスタに含まれるピークの質量電荷比の代表値を決定する。ピークの質量電荷比の代表値としては、複数のピークの質量電荷比の平均値、中央値、又は最頻値などのいずれかを用いればよい。そして、得られた代表値を処理対象である複数のマススペクトルに共通する特徴的なピークの情報として出力する。こうして、本発明に係るマススペクトルデータ処理装置では、処理対象である複数のマススペクトルに共通するピークの質量電荷比情報を例えば表示部の画面上に表示出力することができる。もちろん、こうして表示された結果を作業者が確認し、適切でないと思われるピークが含まれているようであれば、例えば入力部により上記閾値の値を変更したうえで再度有意なピーククラスタの選択をやり直す等の処理を行えばよい。

本発明に係るマススペクトルデータ処理装置によれば、作業者の目視確認に頼ることなく自動的に多数のマススペクトルに共通に現れるピークを抽出することができる。そのため、マススペクトルの数が膨大であっても、短時間で作業者に負担を掛けることなく、正確に共通ピークを抽出することができる。また、装置に由来する質量ずれが生じているマススペクトルに対しても、そうした質量ずれの影響を受けることなく正確に共通ピークを抽出することができる。

本発明に係るマススペクトルデータ処理装置を含む質量分析システムの一実施例の概略構成図。 本実施例の質量分析システムにおける共通ピーク抽出処理のフローチャート。 図２に示した共通ピーク抽出処理の過程で作成されるピークヒストグラムの一例を示す図。 従来の共通ピーク抽出作業を説明するためのマススペクトルの一例を示す図。 従来の共通ピーク抽出作業によって作成されるピークマトリクスの一例を示す図。

以下、本発明に係るマススペクトルデータ処理装置を含む質量分析システムの一実施例について、添付図面を参照して詳細に説明する。
図１は本実施例の質量分析システムの概略構成図である。

この質量分析システムはマススペクトルデータ格納部２を備え、マススペクトルデータ格納部２には、質量分析装置１において検体を質量分析することで得られたマススペクトルデータ（セントロイド処理がされていないプロファイルスペクトルデータ）が格納される。例えば検体は特定の疾患に罹患している患者から採取された血液であり、同じ疾患に罹患している多数の患者から得られた検体に対して得られた所定の質量電荷比範囲に亘るマススペクトルを構成するデータがマススペクトルデータ格納部２に格納される。ただし、マススペクトルデータ格納部２に格納されるマススペクトルデータは、必ずしも特定の質量分析装置で得られたものである必要はなく、異なる複数の質量分析装置で得られたものでもよい。

データ処理部３は多数の検体に対するマススペクトルから共通性の高いピークを抽出する共通ピーク抽出処理を実行するものであり、その処理に用いられるパラメータを分析者が入力するための入力部４と、処理結果を表示する表示部５と、が接続されている。データ処理部３は共通ピーク抽出処理を実行するための機能ブロックとして、ピーク検出部３１、ピークヒストグラム作成部３２、ヒストグラムクラスタ検出部３３、ヒストグラムクラスタ選択部３４、ヒストグラムクラスタ代表値算出部３５、及び、共通ピーク情報出力部３６、を備える。

なお、マススペクトルデータ格納部２やデータ処理部３は、パーソナルコンピュータ（又はワークステーションなど）をハードウエア資源とし、そのコンピュータにインストールされた専用のデータ処理ソフトウエアをコンピュータ上で実行することでその機能を具現化する構成とすることができる。

次に、データ処理部３を中心に実行される共通ピーク抽出処理について、図２、図３を参照しつつ説明する。図２は共通ピーク抽出処理のフローチャート、図３は共通ピーク抽出処理の過程で作成されるピークヒストグラムの一例を示す図である。
処理に先立って、分析者は入力部４から後述するピーク数判定の閾値Ａを入力設定する。ここでは、0〜100の範囲の％値で閾値Ａを設定するものとする。なお、この閾値Ａは分析者の入力に依らず、予め決められたデフォルト値でもよい。

例えば分析者による入力部４からの指示に基づいて処理が開始されると、ピーク検出部３１はマススペクトルデータ格納部２から各検体に対するマススペクトルデータを読み出し、所定のピーク検出アルゴリズムに従ってピークを検出する。そして、マススペクトル毎に、ピークトップの位置（m/z値）とイオン強度値とをピーク情報とするピークリストを作成する（ステップＳ１）。これによって、処理対象である全てのマススペクトルについてピークリストが作成される。

次にピークヒストグラム作成部３２は、処理対象の全てのマススペクトルに対するピークリストに挙げられている全てのピークについて、そのピークの質量電荷比値が、全質量電荷比領域を所定幅ΔＭで区切った質量電荷比範囲のいずれに含まれるのかを判定し、含まれるピークの数を質量電荷比範囲毎に計数する。このときピークのイオン強度値は問わない。そして、その質量電荷比範囲毎のピークの合計値（頻度）との関係を示す、図３に示したようなピークヒストグラムを作成する（ステップＳ２）。所定幅ΔＭは質量分析装置１の質量精度や質量較正ぶれよりも小さい適宜の値に定めておけばよい。また、所定幅ΔＭをゼロとする、つまりは質量電荷比値が完全に一致するピークの数を計数するようにしてもよい。なお、この所定幅ΔＭは分析者が入力部４から入力設定可能としてもよい。

例えば所定幅ΔＭを0.1Daとしたとき、ステップＳ２の処理はコンピュータプログラムの実装上では、ヒストグラム配列Ｈ[ｎ]（ｎ＝０，１，２，…）に対して、質量電荷比m/z値の小数点以下２桁目を四捨五入したうえで10倍した数値ｋをヒストグラム配列の添字とすればよい。例えばm/z＝1000.05であるピークの場合にはｋ＝10001となり、Ｈ[ｋ]＝Ｈ[ｋ]＋１とプログラムすることにより、ピーク数の積算演算を実行することができる。

ピークヒストグラムにおいて同一の質量電荷比範囲に含まれるピークは実際には同じ質量電荷比値を有するピークであり、計数値が大きな同一の質量電荷比範囲に含まれるピークは全てのマススペクトルの中で出現頻度が高い、つまりは共通性が高いピークであることを示している。逆に、計数値が小さな同一の質量電荷比範囲に含まれるピークは共通性が低いピークであることを示している。ただし、所定幅ΔＭは質量精度や質量較正ぶれなどよりも小さいため、実際には同じ質量電荷比値を有するピークが隣接する又は近接する質量電荷比範囲に分散することもある。そこで、ヒストグラムクラスタ検出部３３は、質量電荷比範囲の境界を超えて同じピークの集合であると推定されるヒストグラムクラスタを検出する（ステップＳ３）。

ヒストグラムクラスタを検出するには、ピークヒストグラムに対して通常のピーク検出アルゴリズムを適用してもよいし、或いは、計数の極大値と比較してピーク数が一定値以下になるまで質量電荷比範囲の下端と上端とを探索する等のアルゴリズムを用いてもよい。ただし、いずれにしても、質量精度や質量較正ぶれなどによる質量許容値（トレランス）を考慮した質量電荷比幅Ｗの範囲内でヒストグラムクラスタを検出するとよい。何故なら、この質量電荷比幅Ｗを外れているピークは同一ピークである可能性はきわめて低いからである。なお、この質量電荷比幅Ｗを入力部４から入力設定可能としてもよい。

こうしてヒストグラムクラスタが抽出されたならば、ヒストグラムクラスタ選択部３４はヒストグラム毎に、含まれるピーク個数の合計値を求め、その合計値が判定閾値を超えるヒストグラムクラスタを有意なヒストグラムクラスタとして抽出する（ステップＳ４）。この判定閾値は、処理対象のマススペクトルの総数に、上述したように入力部４から％値として入力された閾値Ａを乗じた値である。例えば閾値Ａが80％で、マススペクトルの総数が1000である場合には、判定閾値は800である。即ち、閾値Ａを大きくするほど（100％に近いほど）判定閾値はマススペクトルの総数に近い値となり、全てのマススペクトルの中で共通性が高いピークを含むヒストグラムクラスタが抽出されることになる。

次にヒストグラムクラスタ代表値算出部３５は、ステップＳ４で抽出された有意なヒストグラムクラスタ毎に、そのヒストグラムクラスタに含まれる全てのピークの質量電荷比値を用いて質量電荷比値の代表値を算出する（ステップＳ５）。例えば、代表値としては平均値、中央値、最頻値などを用いればよい。また、ヒストグラムクラスタの質量電荷比幅、つまりはそのヒストグラムクラスタに含まれる全てのピークの中で質量電荷比の最小値と最大値との差も併せて算出するとよい。ここで求まったヒストグラムクラスタの質量電荷比の代表値及び質量電荷比幅が、処理対象であるマススペクトルに共通するピークの質量電荷比値及び許容幅となる。そこで共通ピーク情報出力部３６は、ステップＳ５で算出された共通ピークの質量電荷比値及び許容幅を共通ピークの情報として表示部５の画面上に表示する（ステップＳ６）。

これによって、分析者は、自らが確認や判断を行うことなく、多数の検体に対するマススペクトルに共通するピークの情報を得ることができる。
上記説明から明らかなように、例えば閾値Ａを変えると抽出される共通ピークの数も変わるから、分析者は表示されたピーク情報を確認し、例えば抽出された共通ピークの数が多すぎる場合には、閾値Ａを変更したうえでステップＳ４以降の処理を再実行することで、抽出される共通ピークを調整するようにしてもよい。

上記実施例は本発明の一実施例にすぎず、上記記載した以外の点について、本発明の趣旨の範囲で適宜変形、修正、追加を行っても本願特許請求の範囲に包含されることは当然である。
例えば、上記実施例では、共通ピーク情報出力部３６は共通ピーク情報を表示部５に表示していたが、共通ピーク情報を例えば上述した「Mass++」などの既存の質量分析用解析ソフトウエアに対して出力し、該ソフトウエアの機能を利用して図５に示したようなピークマトリクスを作成してもよい。

１…質量分析装置
２…マススペクトルデータ格納部
３…データ処理部
３１…ピーク検出部
３２…ピークヒストグラム作成部
３３…ヒストグラムクラスタ検出部
３４…ヒストグラムクラスタ選択部
３５…ヒストグラムクラスタ代表値算出部
３６…共通ピーク情報出力部
４…入力部
５…表示部

Claims (2)

1. 複数の試料や検体に対しそれぞれ得られたマススペクトルを構成するデータを処理することにより、その複数のマススペクトルに共通する特徴的なピークを調べるマススペクトルデータ処理装置であって、
   a)処理対象である複数のマススペクトルのそれぞれにおいて検出されたピークの質量電荷比情報を取得するピーク情報取得部と、
   b)前記ピーク情報取得部により得られたピークを質量電荷比毎又は質量電荷比範囲毎に計数してピークヒストグラムを作成するヒストグラム作成部と、
   c)前記ピークヒストグラムにおいて同じ質量電荷比のピークの集合であると推定されるピーククラスタを抽出し、抽出したピーククラスタに含まれるピークの数に基づいて有意なピーククラスタを選択するクラスタ選択部と、
   d)前記クラスタ選択部により選択された有意なピーククラスタに含まれるピークのうちの１又は複数のピークの質量電荷比に基づいて該ピーククラスタに含まれるピークの質量電荷比の代表値を決定し、該代表値を前記処理対象である複数のマススペクトルに共通する特徴的なピークの情報として出力するピーク情報提供部と、
   を備えることを特徴とするマススペクトルデータ処理装置。
2. 請求項１に記載のマススペクトルデータ処理装置であって、
   前記クラスタ選択部は、ピーククラスタに含まれるピークの数が所定の閾値以上であるときに該ピーククラスタを有意なピーククラスタとして選択するものであり、
   前記所定の閾値を作業者が設定する入力部をさらに備えることを特徴とするマススペクトルデータ処理装置。

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