2021.02.05
學(xué)術(shù)界“大牛”Nature近日發(fā)表綜述，遴選出2021年值得關(guān)注的重點(diǎn)技術(shù)，MALDI離子源應(yīng)用于臨床生物組織成像分析入選。
這說明質(zhì)譜成像技術(shù)的發(fā)展，已越來越接近應(yīng)用于臨床分析的能力要求。而一旦質(zhì)譜技術(shù)達(dá)到了這一要求，將面臨一個(gè)全新的藍(lán)海市場(chǎng)----生物病理/毒理原位分析。
為什么要說接近，而不是達(dá)到？咱們要看當(dāng)前臨床病理分析的一些需求。
當(dāng)前，臨床病理分析主要依靠免疫組化手段，即使用免疫標(biāo)記技術(shù)，抓取病理組織的標(biāo)志物，從而進(jìn)行病理分析。
MALDI離子源和ESI離子源于2002年同時(shí)獲得了諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，獲獎(jiǎng)的核心原因是這兩種離子源為質(zhì)譜技術(shù)應(yīng)用于生命科學(xué)大分子分析提供了手段。
但在其后的發(fā)展中，MALDI離子源因?yàn)楦鞣N原因，在蛋白組學(xué)領(lǐng)域被邊緣化，其分析大分子的能力主要應(yīng)用于微生物指紋數(shù)據(jù)建設(shè)，即我們常說的微生物質(zhì)譜；或者應(yīng)用于核酸位點(diǎn)分析（SNP），即現(xiàn)在常說的PCR-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)。基于MALDI離子源的成像技術(shù)的出現(xiàn)，大有請(qǐng)MALDI-TOF MS重回蛋白組學(xué)研究領(lǐng)域的趨勢(shì)。ESI離子源則直接奔向了代謝分析，在蛋白組學(xué)領(lǐng)域其亦只能進(jìn)行大分子的碎片分析，且效率堪憂。
雖然MALDI經(jīng)常被認(rèn)為可分析m/z超過幾十萬的分子，但事實(shí)上，限于MALDI-TOF MS在工程化等方面的原因，一般我們所見到的國(guó)外企業(yè)所謂的高端MALDI-TOF MS，只能較有效地分析m/z小于20000的分子，再往上，無論是靈敏度還是質(zhì)量分辨率，都捉襟見肘。而當(dāng)前病理分析中已經(jīng)寫進(jìn)共識(shí)或指南的標(biāo)志物集中于大蛋白分子，豐度較低，因此在性能上，當(dāng)前這些質(zhì)譜儀無法達(dá)標(biāo)。
成像質(zhì)譜技術(shù)需要在極小的視覺范圍（即樣本范圍）進(jìn)行快速的成份和含量分析，因而對(duì)質(zhì)譜儀的靈敏度提出了較高要求。
舉個(gè)粟子，當(dāng)前商品化MALDI質(zhì)譜儀的最高空間分辨率是10微米，為達(dá)到這樣的空間分辨能力，實(shí)際分析的樣本面積甚至更小，所獲得的樣本量當(dāng)然也是非常稀少，質(zhì)譜儀在非常極端的分析環(huán)境下努力地進(jìn)行樣本離子化工作，這對(duì)儀器的靈敏度提出了極高的要求。
再舉個(gè)粟子，當(dāng)前商品化MALDI質(zhì)譜儀的成像速率，國(guó)外企業(yè)最高據(jù)稱達(dá)到了50像素/秒（在這項(xiàng)指標(biāo)上，國(guó)內(nèi)企業(yè)還是蠻爭(zhēng)光的，咱們后面再說），即每秒要分析50個(gè)只有小于10微米面積的樣本，這同樣對(duì)質(zhì)譜儀的靈敏度提出了嚴(yán)苛的要求。
成像質(zhì)譜儀的幾個(gè)關(guān)鍵性能，靈敏度、成像空間分辨率和成像速率，這三個(gè)參數(shù)互為反比，互相制約，而要同時(shí)提升這三個(gè)參數(shù)，核心就在于提升質(zhì)譜儀的靈敏度。而要真正介入生命科學(xué)分析，還要提升分析生物大分子的靈敏度能力。但提升一臺(tái)質(zhì)譜儀的靈敏度，何其難也，這是質(zhì)譜儀技術(shù)的世界級(jí)難題！
MALDI應(yīng)用于臨床組織成像的關(guān)鍵要求
MALDI成像質(zhì)譜技術(shù)要快速與臨床需求對(duì)接，就需要能夠直接對(duì)蛋白大分子進(jìn)行成像。這就說到了當(dāng)前質(zhì)譜成像技術(shù)的一大痛點(diǎn)，即質(zhì)譜儀在分析高質(zhì)荷比分子時(shí)，無論電離效率、靈敏度以及分辨率，都是幾何級(jí)數(shù)的衰減，所以，看！不！到！
于是，當(dāng)前質(zhì)譜成像技術(shù)應(yīng)用于臨床組織分析，主要是在代謝組學(xué)圈子里打轉(zhuǎn)，比如下圖：
圖一：胃癌癌變及癌旁組織質(zhì)譜成像圖，由融智生物QuanIMAGE 實(shí)現(xiàn)
在m/z=784.9時(shí)，發(fā)現(xiàn)在癌變組織中有高表達(dá)（右），在癌旁組織中，隨著離癌變組織距離越遠(yuǎn)，其表達(dá)快速下降（左）。
截至目前，組織成像技術(shù)應(yīng)用于癌癥組織標(biāo)志物研究已經(jīng)興起（悄悄說一聲，質(zhì)譜成像技術(shù)會(huì)很快成為論文大戶），但如上圖一樣，限于質(zhì)譜儀的性能，只能進(jìn)行代謝分析。雖然論文已經(jīng)有了不少，但真正能夠走入臨床，還需要大量的標(biāo)志物篩找、臨床驗(yàn)證等工作，有些遙不可及。
有需求，才有研發(fā)動(dòng)力嘛！來看看咱們國(guó)產(chǎn)質(zhì)譜儀的大分子成像能力（不服來戰(zhàn)）！
圖二：大蛋白分子成像，由融智生物QuanIMAGE 實(shí)現(xiàn)
圖三：豬肝臟血紅蛋白直接成像，由融智生物QuanIMAGE 實(shí)現(xiàn)
臨床分析要講效率，尤其很多分析是在病人身體打開，取樣化驗(yàn)等待手術(shù)指導(dǎo)的情況下進(jìn)行的。質(zhì)譜成像技術(shù)，說白了就是高密度進(jìn)行大規(guī)模的樣本分析，即便小到1平方毫米的樣本，按10微米空間分辨分析計(jì)算，大約也要分析10萬個(gè)樣本，50像素/秒的速率，也需要33分鐘。如此效率，如何應(yīng)用于臨床？
咱們?cè)賮砜纯磭?guó)產(chǎn)質(zhì)譜儀的成像速率能力（不服來戰(zhàn)）！
截至目前，融智生物的QuanIMAGE系列商品化質(zhì)譜儀已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了在10微米空間分辨率下，大于300像素/秒的成像速率，1平方毫米的樣本按10微米空間分辨分析計(jì)算，所需時(shí)間小于6分鐘！成像速度與上面提到的國(guó)外企業(yè)相比，提升了5倍之多！
圖四：胰臟胰島細(xì)胞單激光/單細(xì)胞成像，由融智生物QuanIMAGE實(shí)現(xiàn)
Nature為我們提出了應(yīng)當(dāng)關(guān)注的技術(shù)，但這些技術(shù)真正發(fā)展起來應(yīng)用于臨床問題的解決，還需要科研人員大量的辛勤工作。在這方面，我們中國(guó)企業(yè)扎實(shí)地做出了不少成績(jī)。通過一系列核心技術(shù)，極大地提升了MALDI-TOF MS分析大分子的靈敏度和分辨率（中國(guó)分析測(cè)試協(xié)會(huì)2019年驗(yàn)證結(jié)果，10fmol信噪比大于200，BSA），因而能夠在條件嚴(yán)苛的成像質(zhì)譜技術(shù)中，實(shí)現(xiàn)對(duì)m/z大于20000的蛋白分子進(jìn)行直接成像，能夠?qū)崿F(xiàn)大于300像素/秒的成像速率，為質(zhì)譜成像技術(shù)真正能夠走入臨床應(yīng)用，做好了科學(xué)儀器端的基礎(chǔ)工作。臨床病理分析專家，你們感興趣Nature提出的關(guān)注方向嗎？
