2024-04-12 12:28:57, 飞飞 赛默飞色谱与质谱分析
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近年来,质谱成像技术(Mass Spectrometry Imaging,MSI)在药物研发、疾病发生发展机制、脑科学、环境科学等科学领域得到广泛关注与应用。2022年空间组学(spatial omics)技术被《Nature》评为最值得期待的七种榜单技术之一,而MSI技术为空间组学研究提供了新的手段和思路。
近日,分析测试百科网采访了质谱成像技术及空间代谢组学研究专家:中国医学科学院&北京协和医学院药物研究所再帕尔·阿不力孜教授与贺玖明研究员。他们介绍了自主研发的敞开式AFADESI离子源与AFADESI-MSI新技术,以及AFADESI搭载Orbitrap高分辨质谱仪在空间代谢组学研究领域取得的一系列成果,并展望了质谱成像技术的发展前景。
中国医学科学院药物研究所
中国医学科学院药物研究所/中央民族大学 再帕尔·阿不力孜教授和贺玖明研究员
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质谱成像前沿创新
自主产权离子源研制
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再帕尔教授讲述:
“美国普渡大学Cooks教授等人于2004年在Science上发表了解吸电喷雾离子化技术(DESI),研发出在敞开环境下样品无需复杂前处理的离子化新技术,推动了敞开式离子化质谱及Ambient MSI技术的研究与应用途径。”
中国医学科学院药物研究所/中央民族大学
再帕尔·阿不力孜教授
然而,在敞开环境下空气分子会影响离子化效率及离子的传输和聚焦,最终导致质谱检测灵敏度降低。为了解决该问题,2005年再帕尔课题组与清华大学王晓浩课题组合作,经过多年努力,2011年研发出空气动力辅助的新型敞开式离子化技术[1]“Air Flow Assisted Ionization, AFAI,又称AFADESI“ 。相较DESI技术,AFADESI除了灵敏度的提升之外,还扩展了待测样品的空间和操作灵活性,便于大尺寸生物样本的质谱成像分析。课题组于2013年在Anal Chem上发表了“无需切割的整体大鼠体内药物分析质谱成像新方法”[2],2018年研发出质谱成像数据处理软件“MassImager”。2017年开始与维科托(北京)科技有限公司合作开发工程化的AFADESI离子源与质谱成像装置;并于2023年成功实现AFADESI离子化技术及成像装置的成果转化。
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立足自主技术
拓展应用创新
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谈到这些年在AFADESI-MSI技术上取得的进展与成果,再帕尔教授首先感谢国家各科研基金和项目的支持。
从应用层面,发展了从整体动物到组织器官、组织微区水平的体内分子高灵敏、高覆盖的质谱成像新方法,其成像检测灵敏度可达pg级别、分析动态范围达3个数量级,可检测出十多种类、约1500个体内代谢物(DOI: 10.1002/advs.201800250)[3];并推动空间分辨代谢组学新方法的发展[4]。相关进展与成果包括:从代谢物和代谢酶两个层次全面表征肿瘤代谢改变,疾病原位标志物的发现[5];药物体内原位分析及其药效机制研究[2,4,6];空间脑代谢网络[7];空间代谢组学与时空同位素示踪整合方法[8],并发展空间代谢流新方法等。
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质谱成像黄金解决方案:
AFADESI源+Orbitrap高分辨质谱仪
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贺玖明研究员表示:
AFADESI源搭载Orbitrap高分辨质谱仪是质谱成像技术“黄金解决方案”。
中国医学科学院药物研究所 贺玖明研究员
质谱成像分析前端没有色谱分离,则针对分子量相近的体内代谢物分析,要求质谱具备高质量分辨率,才能将更多的代谢物区分开并获得“真实”空间分布特征。许多代谢物的丰度不高,AFADESI和 Orbitrap中Ctrap都有助于提升代谢物的检测灵敏度。此外,AFADESI具备大成像空间,可放置8块载玻片,加之自动切片识别功能和Orbitrap质谱仪的质量轴高稳定性,可无人值守连续扫描72个样品切片,期间无需校正即可获得稳定可靠的结果。目前,除了生物医药研究外,AFADESI+Orbitrap成像方案还在农业、环境毒理、食品安全、文物保护和新材料研发等领域得到了应用实践。
药物所实验室,左前:维科托AFADESI-10;右后:Orbitrap Exploris™ 120质谱仪
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质谱成像技术及空间组学
将为新一代科学发现赋能
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最后,再帕尔教授详尽总结了MSI技术的优势和未来发展前景。
在优势方面,MSI技术可实现从整体动物到组织、组织微区、单细胞中分子的可视化分析,获取不同分子在生物体内的特异性分布信息,掌握分子的分布特征与其功能的关联信息等,以便科研人员深层次了解生物化学过程以及参与生理和病理过程的功能分子。与此同时,MSI技术推动空间多组学的发展,为揭示分子在生命活动及病变过程中的作用机制,为药物研发、疾病发生发展机制研究和新型疾病标志物的发现等提供全新视角和新颖研究手段[9]。
展望未来,MSI技术前景广阔。目前,发展单细胞水平的高通量、精确识别和完整分子表征的质谱成像新技术值得期待。另外,MSI很有可能发展成为新型的分子病理诊断技术。精准医学的发展需要多学科、多手段的交叉与融合,研发基于MSI技术等质谱分析手段的新型临床检测、分子分型与分子诊疗技术是实现精准医学的重要途径之一。总之,MSI技术及其助推的空间多组学技术在诸多领域显示出巨大发展前景而备受关注。
人物简介:
再帕尔·阿不力孜 教授
中央民族大学/中国医学科学院药物研究所
贺玖明 研究员
中国医学科学院药物研究所
参考文献:
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