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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。
參考文獻：
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