首頁 >> 公司動(dòng)態(tài) >> 大咖面對(duì)面丨金屬組學(xué)為空間多組學(xué)注入元素成像新維度
導(dǎo)語
在生物醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域，“空間組學(xué)”如同一把鑰匙，正從新的視角揭示生命的奧秘。從基因組、蛋白質(zhì)組到代謝組，科學(xué)家們不斷拓展多組學(xué)的邊界。而中國科學(xué)院高能物理研究所王萌研究員及團(tuán)隊(duì)，將“空間金屬組”作為空間組學(xué)的新維度，憑借高靈敏的質(zhì)譜成像技術(shù)，為癌癥診療、納米毒理、環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域注入全新視角。近日，我們走進(jìn)王萌研究員的實(shí)驗(yàn)室，聆聽他如何用“金屬元素指紋”繪制生命科學(xué)的未來圖景，揭秘其團(tuán)隊(duì)在質(zhì)譜成像技術(shù)創(chuàng)新、單細(xì)胞分析及空間多組學(xué)融合研究中的新實(shí)踐。
從技術(shù)困境到破局：金屬組學(xué)的崛起
“金屬組學(xué)發(fā)展了20多年，近期迎來一個(gè)快速發(fā)展階段，這主要得益于ICP-TOF-MS及相關(guān)方法進(jìn)步，有望突破技術(shù)和應(yīng)用的雙重瓶頸。”王萌坦言。傳統(tǒng)的激光剝蝕-電感耦合等離子體質(zhì)譜（LA-ICP-MS）系統(tǒng)存在成像速度很慢，空間分辨率低等問題。“技術(shù)門檻高、樣本通量低，導(dǎo)致金屬元素成像長(zhǎng)期停留在實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證階段，難以支撐實(shí)際生物醫(yī)學(xué)研究。”
隨著高靈敏ICP-TOF-MS的推出，團(tuán)隊(duì)引入新一代ICP-TOF-MS系統(tǒng)（icpTOF 2R），結(jié)合193 nm準(zhǔn)分子激光高速激光剝蝕系統(tǒng)，將成像速度提升1-2個(gè)數(shù)量級(jí)，空間分辨率可達(dá)1 μm。
技術(shù)革新讓金屬成像從‘紙上談兵’走向真實(shí)場(chǎng)景。新一代ICP-TOF-MS具有全元素快速分析能力，分辨率高達(dá)6000 Th/Th，可實(shí)現(xiàn)單顆粒中多個(gè)元素的高靈敏度檢測(cè)，分析速度比傳統(tǒng)的四極桿ICP-MS提升兩個(gè)數(shù)量級(jí)。該技術(shù)正在成為元素成像、單顆粒分析、單細(xì)胞分析等金屬組學(xué)前沿領(lǐng)域的有力工具。
更深層的挑戰(zhàn)在于揭示體內(nèi)金屬元素的復(fù)雜生物功能。“金屬離子通過與生物分子的作用執(zhí)行生物功能，因此金屬組學(xué)必須與基因組、蛋白質(zhì)組、代謝組等組學(xué)研究相結(jié)合，才能揭示其生物學(xué)意義。”團(tuán)隊(duì)已經(jīng)初步建成空間多組學(xué)質(zhì)譜平臺(tái)，并正在開展多項(xiàng)空間多組學(xué)應(yīng)用研究[1,2]。
金屬成像：多模態(tài)分析助力精準(zhǔn)醫(yī)療
硼中子俘獲療法（BNCT）被認(rèn)為是一種很有潛力的癌癥治療新方法，將硼藥靶向遞送并聚集于癌細(xì)胞內(nèi)，利用中子照射產(chǎn)生的核反應(yīng)，可以精準(zhǔn)殺死癌細(xì)胞。BNCT的核心在于如何將足夠量的硼藥靶向遞送至腫瘤細(xì)胞。傳統(tǒng)分析方法雖能檢測(cè)硼藥物總量，卻無法實(shí)現(xiàn)單細(xì)胞水平的精準(zhǔn)定量。團(tuán)隊(duì)開發(fā)了基于質(zhì)譜技術(shù)的空間多組學(xué)方法，可以在單細(xì)胞水平得到在腫瘤細(xì)胞和正常細(xì)胞中硼藥含量，從而可以評(píng)價(jià)硼藥的腫瘤靶向性和生物利用度。
元素指紋：快速精準(zhǔn)解析的利器
“分析化學(xué)的主要目標(biāo)是讓方法轉(zhuǎn)化成科學(xué)洞察力，解決實(shí)際科學(xué)問題。”團(tuán)隊(duì)利用ICP-TOF-MS的快速分析優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)了單個(gè)細(xì)胞內(nèi)金納米顆粒和銀等納米顆粒的絕對(duì)定量。團(tuán)隊(duì)還與中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心劉國瑞課題組合作，運(yùn)用單顆粒多元素分析方法，開發(fā)了元素指紋-源解析模型，通過分析大氣顆粒物中的“元素指紋”，辨析大氣顆粒物的工業(yè)污染源[3]。王萌表示，“元素指紋可以作為大氣顆粒的代表，用來破解大氣顆粒來源與賦存特征。”
先進(jìn)設(shè)備助力科研發(fā)展
“科學(xué)突破往往誕生于學(xué)科交叉儀器的支撐。”
王萌強(qiáng)調(diào)與賽默飛的長(zhǎng)期合作。
“從2003年我所在的中科院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室引入第一臺(tái)賽默飛ICP-MS開始，我的科研生涯始終與ICP-MS技術(shù)緊密交織。當(dāng)時(shí)我還在攻讀研究生，主要聚焦元素形態(tài)分析與同位素稀釋技術(shù)，我們利用那臺(tái)賽默飛ICP-MS做出了很好的工作。至今這臺(tái)ICP-MS還在運(yùn)行，年齡比很多新來的研究生都大，算是我們實(shí)驗(yàn)室的元老。”
2022年，高能所建成了空間多組學(xué)質(zhì)譜平臺(tái)。平臺(tái)集成了解吸電噴霧-靜電場(chǎng)軌道阱質(zhì)譜成像系統(tǒng)（維科托AFADESI和賽默飛Q Exactive高分辨液質(zhì)聯(lián)用儀）、激光剝蝕-電感耦合等離子體飛行時(shí)間質(zhì)譜成像系統(tǒng)（Teledyne Iridia超快激光系統(tǒng)和TOFWERK icpTOF 2R）等多套先進(jìn)儀器。
未來已來：AI驅(qū)動(dòng)空間組學(xué)
面對(duì)海量的多模態(tài)數(shù)據(jù)，如何整合不同空間組學(xué)技術(shù)的數(shù)據(jù)，如何從質(zhì)譜圖像中挖掘出有用的信息，這需要計(jì)算機(jī)科學(xué)與生物信息的深度融合。
王萌認(rèn)為，AI算法的引入將是空間多組學(xué)發(fā)展的重要驅(qū)動(dòng)力。另一方面則是多組學(xué)融合發(fā)展。金屬組學(xué)不再是與傳統(tǒng)組學(xué)平行的“孤島”。為此，高能所建成了空間多組學(xué)質(zhì)譜平臺(tái)。平臺(tái)希望從單細(xì)胞-組織-整體動(dòng)物等不同層次，開展空間代謝組學(xué)、空間金屬組學(xué)和空間蛋白質(zhì)組學(xué)的分析方法學(xué)及應(yīng)用研究。同時(shí)，平臺(tái)也面向國內(nèi)高校和科研機(jī)構(gòu)提供科研測(cè)試服務(wù)，王萌表示十分期待與高校、科研院所同行交流探討，共同為空間多組學(xué)的發(fā)展盡一份力量。
結(jié) 語
從技術(shù)突圍到應(yīng)用落地，元素不僅是冰冷的原子符號(hào)，更是解碼生命奧秘的關(guān)鍵鑰匙。
人物簡(jiǎn)介
王萌
中國科學(xué)院高能物理研究所納米生物效應(yīng)與安全性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員
現(xiàn)在主要開展基于質(zhì)譜技術(shù)的單細(xì)胞分析和生物成像方法及其應(yīng)用研究。主持和參與了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、北京市自然科學(xué)基金、中國博士后基金、中國科學(xué)院儀器設(shè)備功能開發(fā)技術(shù)創(chuàng)新等科研項(xiàng)目。已發(fā)表SCI論文90余篇。現(xiàn)任《Atomic Spectroscopy》編委、中國檢驗(yàn)檢測(cè)學(xué)會(huì)測(cè)試裝備分會(huì)原子光譜應(yīng)用與技術(shù)專家委員會(huì)委員、中國分析測(cè)試協(xié)會(huì)醫(yī)學(xué)質(zhì)譜分會(huì)委員。
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