基质辅助激光解析电离飞行时间质谱技术(MALDI-TOF,它会导致大脑中产生不同的细胞亚种群

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使用一种基于质谱分析的技术探测肿瘤的代谢物,科研人员报告称,实时诊断可能有助于外科医生在手术室跟踪人类大脑肿瘤的范围。外科切除肿瘤常常需要诊断信息,目前是通过病理学家辛苦而耗费时间的活检显微检查获得的。

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质谱成像技术就是借助质谱方法,再配套上专门的质谱成像软件,使用一台通过测定质荷比来分析生物分子的标准分子量的质谱仪来成像的方法。质谱成像技术通过直接扫描生物样本,可以同时获得多种分子的空间分布特征,具有免荧光标记、不需要复杂样品前处理等优点,现在已经成为基础医学、药学、微生物学等研究领域关键技术之一。
在所有质谱成像技术中,解吸电喷雾电离质谱成像是应用较广的常压成像技术。解吸电喷雾电离质谱成像方法将雾化溶剂液滴吹扫组织切片表面,使待分析物溶解并发生电离,离子进入质谱接口进行检测。这种方法的最好空间分辨在50微米左右,可进行原位检测,在法医鉴定、病理分析、代谢物分析,在诸多领域得到了应用。
近日,中国科学技术大学国家同步辐射实验室潘洋副研究员团队发展了一种基于DESI的二次光电离质谱成像技术(DESI-PI-MSI),并和中国科学技术大学生命科学学院熊伟教授合作,对模式动物小鼠的脑、脊髓等组织切片进行质谱成像研究。在此之前,该研究团队一直致力于同步辐射光电离质谱技术的研究,并以生命科学和能源化学前沿问题为导向,发展了一系列实验技术和手段。此次研究团队取得突破性进展,也是多年经验累积的结果。
DESI-PI-MSI技术的关键是在DESI喷雾装置后引入一套光电离系统和高效离子传输管道,可通过开、关光电离源,实现对多种极性和非极性组分的高灵敏度空间成像。研究表明,用二次光电离质谱成像技术(DESI-PI-MSI)检测肌酸、胆固醇、GalCer脂质、谷氨酰胺和部分脂质时,灵敏度有了极大的提高。此外,对于一些极性较强的神经递质和脂质,DESI-PI-MSI同样可以实现灵敏度的显著提高,从而为生物标志物的高灵敏度探测和药物代谢精确成像研究奠定了基础。
在现有装置上,该研究团队还进一步设计了一种可用于同步辐射质谱成像的差分抽气系统和离子传输管道,以利用同步辐射高亮度和能量连续可调的特点,进一步提高了光电离质谱成像的应用范围,拓展同步辐射的应用领域。
该研究成果发表在分析化学领域最顶级期刊《Analytical Chemistry》(2019, 91,
6616-6623),并申请了发明专利。目前,该研究工作得到了科技部、基金委和中科院合肥大科学中心的支持。
资料来源:中国科学技术大学

它甚至还可以到达更小的层面。瑞典哥德堡大学生物分析化学家Andrew
Ewing分析了神经囊泡的小分子内容物。Ewing利用一种叫作纳米级二次离子质谱分析的方法,该方法用高能铯离子束轰击一个样本的表面。这一攻击会驱逐表面的带电粒子,它们可以通过质谱仪分析来决定物质的构成。Ewing团队利用这种方法评估了神经囊泡多巴胺的分布。

“我们经常会非常高兴地探测独特的分子,我的问题是为什么要这样呢?”Masujima问道,“这项发现的背后是什么?这个分子为什么会出现?”如果没有这样的洞察,技术会冒仅仅是赚取噱头而不能解决生物学重要问题的风险。“我不想成为做这种科研的科学家。”他说。

从世界上第一台质谱仪诞生至今已有近百年的时间,伴随着各项新技术的涌现和发展,质谱技术也在发生着日新月异的变化。尤其是在1988年,傅立叶变换质谱法开创了有机质谱分析研究生物大分子的新领域。从此,质谱开始进入生命科学的范畴。
近年来,生命科学领域更是备受瞩目,已成为布鲁克、安捷伦、沃特世等国际仪器名企竞争的焦点。一些科学家开始利用质谱技术分析环境中微生物产生的小分子物质及其代谢物,研究人体中各个微生物种群的组成,以及微生物与微生物之间、微生物与人体之间,及微生物与环境之间的相互作用情况。随着技术的不断成熟和广泛使用,质谱技术在微生物检验常规诊断中的作用越来越受到关注,基质辅助激光解析电离飞行时间质谱技术(MALDI-TOF
MS)以及微生物质谱仪器应运而生。 MALDI-TOF
MS是近年来发展起来的一种新型的软电离生物质谱,其无论在理论上还是在设计上都十分简单高效。它主要由基质辅助激光解吸电离离子源和飞行时间质量分析器两部分组成,结合两者的功能和优势。凭借灵敏度高、准确度高及分辨率高等特点,MALDI-TOF
MS已为生命科学领域提供了一种强有力的分析测试手段,并正扮演着越来越重要的作用。除此之外,用于微生物鉴定的质谱技术还有气质联用技术、电喷雾质谱和热裂解亚稳态原子轰击质谱(Py-MAB-MS)。不过目前,MALDI-TOF
MS作为一种全新技术,正在取代传统的微生物鉴定方法,它的市场前景也极为可观。
2012年,法国梅里埃公司率先拿到美国FDA微生物鉴定认证之后,MALDI-TOF
MS迅速在临床市场铺开,成为越来越多仪器企业的研发方向。作为世界临床病原体检测技术的领导者,梅里埃将质谱新技术带入了医院检验室,开始改变现行的微生物诊断技术。对此,布鲁克公司也在后期推出了MALDI
Biotyper高通量微生物鉴定系统,可以满足微生物的快速鉴定与分类的需求,在微生物临床检测以及MALDI成像的临床应用方面优势愈加凸显。该微生物质谱系统包括基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱仪(MALDI-TOF)和Biotyper数据库,具有快速简便的工作流程和强大可靠的数据处理能力,是微生物鉴别与分类中的最新技术。值得关注的是,正是得益于微生物质谱业务的强劲需求和出色表现,布鲁克2018年第一季度收入增长12%,取得了令人满意的业绩。
在微生物质谱领域,国内仪器研发企业也不甘示弱,2017年更是形成了国产微生物质谱仪的“井喷期”。安图生物“微生物质谱Autof
ms1000”盛装亮相新品发布会,它拥有完全自主知识产权,超过26项创新专利,同时具有中国本土微生物数据库,简单实用的中英文操作界面,更符合中国用户。作为一款速度更快、鉴定更准、使用更稳定、耗材性价比更高、更可靠的微生物质谱鉴定系统,它的到来为微生物检测带来质的飞跃,并定义质谱微生物检测新标准。与此同时,禾信仪器也在BCEIA
2017隆重发布了微生物鉴定质谱仪新品CMI-1600,宣布进军微生物鉴定领域。CMI-1600是真正意义上具有完整自主知识产权的国产质谱仪器,在技术指标上完全可以媲美国外同类质谱仪。一直怀有“质谱情结”的天瑞仪器也在2013年开始了MALDI-TOF的研发,microTyper
MS还曾获得BCEIA 2015的金奖。东西分析推出了Ebio ReaderTM
3700型全自动基质辅助激光解析-飞行时间质谱仪,融智生物也发布了国产MALDI-TOF——QuanTOF?。
截至目前,国内市场上已有梅里埃、布鲁克、岛津、天瑞仪器、融智生物、毅新博创、禾信仪器、东西分析、安图生物、复星医药等十余个品牌推出了自己的微生物质谱产品。众多国内仪器厂商也在同国外仪器大咖争夺市场份额。有行业人士认为,国产质谱或将迎来发展转机,不过这还要看国内厂商日后的表现。不管怎样,微生物质谱技术在临床诊断和检验当中的应用和推广已经势如破竹,国内仪器厂商需要抓紧机遇加快研发速度。

Nathalie
Agar及其同事使用一种称为电喷雾解吸电离质谱的技术,用最少的样本处理在手术室迅速执行,从而检测2-HG,这是一种见于IDH-1
和IDH-2基因突变的人类大脑肿瘤的代谢物,这两种基因为参与细胞生长和分化的酶编码。

研究人员正在开发创新性方法了解个体细胞的内部工作机制。图片来源:Torsten
Wittmann/SPL

“目前的技术进步,尤其是那些过去两年中的技术进步已经揭示了同一群细胞中的个体细胞可能存在巨大差异。”马里兰州贝塞斯达美国国立卫生研究院共同基金单细胞分析工作组项目负责人Ananda
Roy说,“这些不同会对健康和疾病产生重要影响。”

导读:随着技术的不断成熟和广泛使用,质谱技术在微生物检验常规诊断中的作用越来越受到关注,基质辅助激光解析电离飞行时间质谱技术(MALDI-TOF
MS)以及微生物质谱仪器应运而生。

研究人员使用电喷雾解吸电离质谱在数分钟时间里区分了有IDH突变的人类大脑肿瘤样本和没有IDH突变的样本,而这种代谢物清晰地勾画出了肿瘤的范围,并且探测到了渗透的肿瘤细胞——这类能力被认为对于优化肿瘤切除和手术的结果具有关键意义。使用安装在美国波士顿的Brigham和女性医院的一间手术室的一台质谱仪,研究人员在手术期间测量了来自两名患星形细胞瘤的脑瘤病人的活检样本中的2-HG,他们提出这种方法可能用于实时诊断,并且有可能清除用其他方法可能会遗漏的肿瘤细胞。

这些有限通量使每次实验的分析仅局限在几十个细胞。尽管如此,Sweedler的团队已经用它检测了来自大鼠脑切片的30个神经元和星形胶质细胞的约60次代谢。该团队聚焦诸如谷氨酸盐等神经化学物质,还探测了氨基酸和三磷酸腺苷的衍生物等。

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研究人员说,电喷雾解吸电离质谱仪器可能有助于描述肿瘤,比组织病理学检查更有效,它们可以安装在手术室中,成本只有用于间接神经外科导航的外科手术MRI机器的一小部分。

不同大小 不同探测

在日本大阪理化学研究所量化生物中心,化学家Tsutomu
Masujima利用一段播放靶向用于质谱仪的单个细胞。“单个细胞的行为非常有趣和出乎意料,所以我喜欢尽可能多的看到它们。”Masujima说。

Sandro Santagata, Livia S. Eberlin, Isaiah Norton, David Calligaris,
Daniel R. Feldman, Jennifer L. Ide,Xiaohui Liu, Joshua S. Wiley, Matthew
L. Vestal, Shakti H. Ramkissoon, Daniel A. Orringer,Kristen K. Gill, Ian
F. Dunn, Dora Dias-Santagata, Keith L. Ligon, Ferenc A. Jolesz,Alexandra
J. Golby, R. Graham Cooks, and Nathalie Y. R. Agar. Intraoperative mass
spectrometry mapping of an onco-metabolite to guide brain tumorsurgery.
PNAS, June 30, 2014; doi:10.1073/pnas.1404724111

细胞异质性是克隆种群中的一些细菌发展出抗菌素耐药性的原因。它会导致大脑中产生不同的细胞亚种群,并解释了肿瘤固态萌发。然而,监测这些不同点的工具才刚刚起步。

《中国科学报》 (2017-01-12 第3版 国际)

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