近年來(lái),質(zhì)譜成像技術(Mass Spectrometry Imaging,MSI)在藥物研發(fā)、疾病發(fā)生發(fā)展機制、腦科學(xué)、環(huán)境科學(xué)等科學(xué)領(lǐng)域得到廣泛關注與應用。2022年空簡(jiǎn)組學(xué)(spatial omics)技術被《Nature》評爲最值得期待的七種榜單技術之一,而MSI技術爲空簡(jiǎn)組學(xué)研究提供了新的手段和思路。
近日,分析測試百科網(wǎng)采訪(fǎng)了質(zhì)譜成像技術及空簡(jiǎn)代謝組學(xué)研究專(zhuān)家:中國醫學(xué)科學(xué)院&北京協和醫學(xué)院藥物研究所再帕爾·阿不力孜教授與賀玖明研究員。他們介紹了自主研發(fā)的敞開(kāi)式AFADESI離子源與AFADESI-MSI新技術,以及AFADESI搭載Orbitrap高分辨質(zhì)譜儀在空簡(jiǎn)代謝組學(xué)研究領(lǐng)域取得的一系列成果,并展望了質(zhì)譜成像技術的發(fā)展前景。
中國醫學(xué)科學(xué)院藥物研究所
中國醫學(xué)科學(xué)院藥物研究所/中央民族大學(xué) 再帕爾·阿不力孜教授和賀玖明研究員(采訪(fǎng)視頻)
質(zhì)譜成像前沿創(chuàng)新 自主產(chǎn)權離子源研制
再帕爾教授講述:
“美國普渡大學(xué)Cooks教授等人于2004年在Science上發(fā)表了解吸電噴霧離子化技術(DESI),研發(fā)出在敞開(kāi)環(huán)境下樣品無(wú)需複雜前處理的離子化新技術,推動(dòng)了敞開(kāi)式離子化質(zhì)譜及Ambient MSI技術的研究與應用途徑。”
中國醫學(xué)科學(xué)院藥物研究所/中央民族大學(xué)
再帕爾·阿不力孜教授
然而,在敞開(kāi)環(huán)境下空氣分子會(huì)影響離子化效率及離子的傳輸和聚焦,最終導緻質(zhì)譜檢測靈敏度降低。爲了解決該問(wèn)題,2005年再帕爾課題組與清華大學(xué)王曉浩課題組合作,經(jīng)過(guò)多年努力,2011年研發(fā)出空氣動(dòng)力輔助的新型敞開(kāi)式離子化技術[1]“Air Flow Assisted Ionization, AFAI,又稱AFADESI“ 。相較DESI技術,AFADESI除了靈敏度的提升之外,還擴展了待測樣品的空簡(jiǎn)和操作靈活性,便于大尺寸生物樣本的質(zhì)譜成像分析。課題組于2013年在Anal Chem上發(fā)表了“無(wú)需切割的整體大鼠體内藥物分析質(zhì)譜成像新方法”[2],2018年研發(fā)出質(zhì)譜成像數據處理軟件“MassImager”。2017年開(kāi)始與北京紋路科技有限公司合作開(kāi)發(fā)工程化的AFADESI離子源與質(zhì)譜成像裝置;并于2023年成功實(shí)現AFADESI離子化技術及成像裝置的成果轉化。
立足自主技術,拓展應用創(chuàng)新
談到這些年在AFADESI-MSI技術上取得的進(jìn)展與成果,再帕爾教授首先感謝國家各科研基金和項目的支持。
從應用層面,發(fā)展了從整體動(dòng)物到組織器官、組織微區水平的體内分子高靈敏、高覆蓋的質(zhì)譜成像新方法,其成像檢測靈敏度可達pg級别、分析動(dòng)态範圍達3個(gè)數量級,可檢測出十多種類(lèi)、約1500個(gè)體内代謝物(DOI: 10.1002/advs.201800250)[3];并推動(dòng)空簡(jiǎn)分辨代謝組學(xué)新方法的發(fā)展[4]。相關進(jìn)展與成果包括:從代謝物和代謝酶兩個(gè)層次全面表征腫瘤代謝改變,疾病原位标志物的發(fā)現[5];藥物體内原位分析及其藥效機制研究[2,4,6];空簡(jiǎn)腦代謝網(wǎng)絡[7];空簡(jiǎn)代謝組學(xué)與時(shí)空同位素示蹤整合方法[8],并發(fā)展空簡(jiǎn)代謝流新方法等。
質(zhì)譜成像黃金解決方案:AFADESI源+Orbitrap高分辨質(zhì)譜儀
賀玖明研究員表示:AFADESI源搭載Orbitrap高分辨質(zhì)譜儀是質(zhì)譜成像技術 “黃金解決方案”。
中國醫學(xué)科學(xué)院藥物研究所 賀玖明研究員
質(zhì)譜成像分析前端沒有色譜分離,則針對分子量相近的體内代謝物分析,要求質(zhì)譜具備高質(zhì)量分辨率,才能将更多的代謝物區分開(kāi)并獲得“真實(shí)”空簡(jiǎn)分布特征。許多代謝物的豐度不高,AFADESI和 Orbitrap中Ctrap都有助于提升代謝物的檢測靈敏度。此外,AFADESI具備大成像空簡(jiǎn),可放置8塊載玻片,加之自動(dòng)切片識别功能和Orbitrap質(zhì)譜儀的質(zhì)量軸高穩定性,可無(wú)人值守連續掃描72個(gè)樣品切片,期簡(jiǎn)無(wú)需校正即可獲得穩定可靠的結果。目前,除了生物醫藥研究外,AFADESI+Orbitrap成像方案還在農業(yè)、環(huán)境毒理、食品安全、文物保護和新材料研發(fā)等領(lǐng)域得到了應用實(shí)踐。
藥物所實(shí)驗室,左前:維科托AFADESI-10; 右後:Orbitrap ExplorisTM 120質(zhì)譜儀
質(zhì)譜成像技術及空簡(jiǎn)組學(xué)将爲新一代科學(xué)發(fā)現賦能
最後,再帕爾教授詳盡總結了MSI技術的優勢和未來(lái)發(fā)展前景:
在優勢方面,MSI技術可實(shí)現從整體動(dòng)物到組織、組織微區、單細胞中分子的可視化分析,獲取不同分子在生物體内的特異性分布信息,掌握分子的分布特征與其功能的關聯(lián)信息等,以便科研人員深層次了解生物化學(xué)過(guò)程以及參與生理和病理過(guò)程的功能分子。與此同時(shí),MSI技術推動(dòng)空簡(jiǎn)多組學(xué)的發(fā)展,爲揭示分子在生命活動(dòng)及病變過(guò)程中的作用機制,爲藥物研發(fā)、疾病發(fā)生發(fā)展機制研究和新型疾病标志物的發(fā)現等提供全新視角和新穎研究手段[9]。
展望未來(lái),MSI技術前景廣闊。目前,發(fā)展單細胞水平的高通量、精确識别和完整分子表征的質(zhì)譜成像新技術值得期待。另外,MSI很有可能發(fā)展成爲新型的分子病理診斷技術。精準醫學(xué)的發(fā)展需要多學(xué)科、多手段的交叉與融合,研發(fā)基于MSI技術等質(zhì)譜分析手段的新型臨床檢測、分子分型與分子診療技術是實(shí)現精準醫學(xué)的重要途徑之一。總之,MSI技術及其助推的空簡(jiǎn)多組學(xué)技術在諸多領(lǐng)域顯示出巨大發(fā)展前景而備受關注。
人物簡(jiǎn)介:
再帕爾·阿不力孜 教授 中央民族大學(xué)/中國醫學(xué)科學(xué)院藥物研究所
中央民族大學(xué)原副校長(cháng)、藥學(xué)院首任院長(cháng)、二級教授,“質(zhì)譜成像與代謝組學(xué)”國家民委重點實(shí)驗室主任。北京協和醫學(xué)院特聘教授、藥物分析學(xué)系主任,中國醫學(xué)科學(xué)院藥物研究所研究員、博士生導師、藥物分析研究室主任。教育部科技委藥學(xué)與中醫藥學(xué)部委員,中國分析測試協會(huì)副理事長(cháng),中國醫藥生物技術協會(huì)藥物分析技術分會(huì)副主任委員。曾擔任中國醫學(xué)科學(xué)院&北京協和醫學(xué)院院校長(cháng)助理、科技處處長(cháng)、研究生院常務(wù)副院長(cháng)、天然藥物活性物質(zhì)與功能國家重點實(shí)驗室副主任。曾任國務(wù)院學(xué)位委員會(huì)第七屆藥學(xué)學(xué)科評議組成員、中國物理學(xué)會(huì)質(zhì)譜分會(huì)副理事長(cháng)、中國化學(xué)會(huì)質(zhì)譜專(zhuān)委會(huì)副主任委員等。“新世紀百千萬(wàn)人才工程”國家級人選,享受國務(wù)院政府特殊津貼專(zhuān)家,國家民委領(lǐng)軍人才。曾擔任“863”計劃項目首席專(zhuān)家、國家重點研發(fā)計劃項目負責人,現主持國家自然科學(xué)基金國家重大科研儀器研制項目等課題。長(cháng)期從事質(zhì)譜分析技術與方法及其在生物醫藥領(lǐng)域的應用研究。作爲第一和通訊作者已發(fā)表學(xué)術論文130餘篇,包括在PNAS、Advanced Science、Analytical Chemistry、Acta Pharmaceutica Sinica B等權威或專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域重要期刊上發(fā)表一批學(xué)術論文;申請專(zhuān)利16項、獲授權專(zhuān)利12項,軟件著作權2項;主編著書(shū)《天然產(chǎn)物研究方法和技術》。獲得教育部自然科學(xué)獎一等獎(第3完成人);以第一完成人分别獲得北京市科技進(jìn)步二等獎1項,中國分析測試協會(huì)科學(xué)技術獎二等獎3項、一等獎1項、特等獎1項等。
賀玖明 研究員 中國醫學(xué)科學(xué)院藥物研究所
博士,博士生導師,藥物分析專(zhuān)業(yè);中國醫學(xué)科學(xué)院北京協和醫學(xué)院藥物研究所天然藥物活性物質(zhì)與功能國家重點實(shí)驗室 研究員,主要研究方向:質(zhì)譜成像空簡(jiǎn)分辨代謝組學(xué)新技術新方法及其生物醫藥應用研究。開(kāi)發(fā)出空氣動(dòng)力輔助離子化及質(zhì)譜成像新技術和空簡(jiǎn)分辨代謝組學(xué)新方法,建立了以空簡(jiǎn)分辨代謝組學(xué)技術爲特色的新藥代謝研究平台。近5年,發(fā)表了包括Nat. Commun., Adv. Sci., PNAS,APSB,JPA,Theranostics,CCL,Anal. Chem.等Q1區論文10餘篇。曾獲 2010 年北京市科學(xué)技術獎二等獎(2)、CAIA2019 特等獎(2)。國家藥品監督管理局創(chuàng)新藥物安全與評價重點實(shí)驗室學(xué)委委員;擔任《藥學(xué)學(xué)報》、Acta Pharm Sin B、J Pharm Anal青年編委,Molecules、TMR Modern Herbal Medicine和《藥學(xué)研究》編委;中國醫藥生物技術協會(huì)藥物分析技術分會(huì)常務(wù)委員,中國質(zhì)譜學(xué)會(huì)常務(wù)委員。
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[8] Bo Jin, Xuechao Pang, Qingce Zang, Man Ga, Jing Xu, Zhigang Luo, Ruiping Zhang, Jiangong Shi, Jiuming He, Zeper Abliz, Spatiotemporally resolved metabolomics and isotope tracing reveal CNS drug targets, Acta Pharmaceutica Sinica B, 2023, 13(4), 1699-1710.
[9]再帕爾·阿不力孜. 質(zhì)譜分子成像技術與應用進(jìn)展. 分析測試學(xué)報, 2022, 41: 1335-1344.
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