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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，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)致金屬元素成像長期停留在實(shí)驗室驗證階段，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個數(shù)量級，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)單顆粒中多個元素的高靈敏度檢測，分析速度比傳統(tǒng)的四極桿ICP-MS提升兩個數(shù)量級。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。

icpTOF 2R電感耦合等離子體飛行時間質(zhì)譜儀

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)隊已經(jīng)初步建成空間多組學(xué)質(zhì)譜平臺，并正在開展多項空間多組學(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，從而可以評價硼藥的腫瘤靶向性和生物利用度。

LA-ICP-TOF-MS技術(shù)對小鼠腎臟切片的元素成像

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)隊利用ICP-TOF-MS的快速分析優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)了單個細(xì)胞內(nèi)金納米顆粒和銀等納米顆粒的絕對定量。團(tuán)隊還與中國科學(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‘身份證’，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)科交叉與尖端儀器的支撐。”

王萌強(qiáng)調(diào)與賽默飛的長期合作。

“從2003年我所在的中科院重點(diǎn)實(shí)驗室引入第一臺賽默飛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)，我們利用那臺賽默飛ICP-MS做出了很好的工作。至今這臺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)驗室的元老。”

2022年，高能所建成了空間多組學(xué)質(zhì)譜平臺。平臺集成了解吸電噴霧-靜電場軌道阱質(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。

AFADESI-Q Exactive高分辨液質(zhì)聯(lián)用儀

未來已來：AI驅(qū)動空間組學(xué)

面對海量的多模態(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，這需要計算機(jī)科學(xué)與生物信息的深度融合。

比如以空間蛋白質(zhì)組學(xué)研究的引領(lǐng)者，瑞士Bernd Bodenmiller課題組為例，團(tuán)隊中約三分之一的成員是計算機(jī)及生物信息學(xué)背景的專家，這樣才能充分發(fā)揮空間多組學(xué)的潛力。

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”，而是生命科學(xué)多維拼圖中不可或缺的一塊。為此，高能所建成了空間多組學(xué)質(zhì)譜平臺。平臺希望從單細(xì)胞-組織-整體動物等不同層次，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，平臺也面向國內(nèi)高校和科研機(jī)構(gòu)提供科研測試服務(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，更是解碼生命奧秘的關(guān)鍵鑰匙。

 人物簡介 

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)新等科研項目。已發(fā)表SCI論文90余篇。現(xiàn)任《Atomic Spectroscopy》編委、中國檢驗檢測學(xué)會測試裝備分會原子光譜應(yīng)用與技術(shù)專家委員會委員、中國分析測試協(xié)會醫(yī)學(xué)質(zhì)譜分會委員。

參考文獻(xiàn)：

1. Tian X, Zheng L, Wang C, Han Y, Li Y, Cui T, Liu J, Liu C, Jia G, Yang L, Hsu Y, Zeng C, Ding L, Wang C, Cheng B, Wang M*, Xie R*. Selenium-based metabolic oligosaccharide engineering strategy for quantitative glycan detection. Nature Communications 2023, 14: 828

2. Chen L et al. Zonated Copper‐Driven Breast Cancer Progression Countered by a Copper‐Depleting Nanoagent for Immune and Metabolic Reprogramming, Advanced Science, 2025, DOI: 10.1002/advs.202412434

3. Yang Q, Yang L*, Zheng LN, Fang H, Li X, Liu H, Chen C, Yun J, Zhao C, Wang M*, Liu G, Zheng M. Atmospheric emissions of Fe-containing nanoparticles from industrial activities, Science of the Total Environment 2024, 957:177840.

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