化学化工学院鞠熀先教授研究组在质谱成像分析方面取得重大进展,报告时间

近日,化学化工学院鞠熀先教授研究组在质谱成像分析方面取得重大进展,相关成果“MALDI-MS
Patterning of Caspase Activities and Its Application in the Assessment
of Drug Resistance”于4月21日在线发表于Angew. Chem. Int. Ed., DOI:
10.1002/anie.201601096。该成果由14级博士生胡骏杰为第一作者,鞠熀先教授为通讯作者完成。

在国家自然科学基金委和中国科学院的大力支持下,中科院化学所活体分析化学院重点实验室的研究人员长期致力于动物组织质谱成像技术的研究,先后开发了系列小分子新基质(Anal.
Chem.
2012, 84, 465; Anal. Chem. 2012, 84, 10291; Anal.
Chem.
2013, 85, 6646;),并对半脑缺血(Anal. Chem. 2014,
86, 10114)、肿瘤转移等生物模型小鼠(Anal. Chem. 2015, 87,
422)的脑、肾、脾等组织进行了分子组织学质谱成像研究。最近,研究人员发展了一种通用、免标记的直接质谱成像方法,快速检测并对小鼠体内的碳纳米管、石墨烯和碳量子点等碳纳米材料进行定量成像研究。相关结果发表在近期的《自然-纳米技术》(Nature
Nanotech
. 2015, 10, 176)杂志上。

报告题目:活体质谱与成像

质谱技术由于高通量和免标记的优势,在酶活性分析中得到广泛关注。然而,由于生物样品的成分复杂,组分丰度的分布差异大,其应用常被复杂的样品前处理所限制。为简化繁琐的样品前处理和数据分析过程,鞠熀先教授研究组发展了质谱成像分析新技术,实现了对多种酶活性的便捷可视化分析。该工作首先需攻克质谱成像分析尤其是通常MALDI-MS检测存在的难题,大幅度提高质谱信号与信噪比,从而通过逐点扫描,获得清晰的质谱图像。该课题组以磷脂分子修饰多肽底物,利用具有两亲特性的磷脂分子保证其在疏水玻片表面的有序组装,构建模拟生物膜,从而增强MALDI芯片的表面生物相容性,以使分析对象酶更易接近其底物,大幅度提高了质谱信号;同时这一设计增加了酶反应产物的分子量,可以避免基质与生物样品中杂质的干扰,改善了检测信噪比与质谱分辨能力。他们以含半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶家族(Caspase-1,
-2,
-3和-8)为模型,将相应多肽底物分别与磷脂骨架的分子连接并组装嵌插于疏水玻片表面,制备出用于酶活性检测的阵列芯片;在目标酶的作用下,底物被剪切产生质量位移,各酶的活性通过酶切产物的质荷比进行颜色编码,实现了多种酶活性的可视化与高通量定量检测。这一方法已成功用于细胞内水解酶家族的抑制剂筛选和化疗过程癌细胞中Caspases酶活性演化的监测,为耐药性细胞鉴别及抗癌药物筛选提供了有力工具,并可方便地扩展应用于其它酶系统,为探究更多过程中酶的作用机制提供了新途径。

碳纳米材料因为其独特的物理化学性质,在材料学领域具有非常广阔的应用前景。近年来,由于碳纳米材料在药物输送、光动力学治疗、组织工程以及生物成像等方面的重要价值,而成为生物医学研究领域的热点材料。但是有关碳纳米材料的生物效应及生物安全性问题目前依然存在争论,因此生物组织中的碳纳米材料的生物分布研究具有重要的实际价值,尤其是亚器官的生物分布成像研究,有助于揭示纳米材料与生物体之间的相互作用。但是目前为止,这方面研究仍缺乏实用有效的方法。

报 告 人:聂宗秀 研究员(中国科学院化学研究所)

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对于碳纳米材料的生物监测或成像,通常采用放射性同位素或荧光标记法,因费时费力且标记物有解离的可能而具有一定局限性。而免标记的光谱学方法又存在成像速度慢、发光信号弱、背景干扰强等缺点。质谱成像技术提供了一种同时获取生物样品形貌及其分子信息的检测手段,各个种类分子可以在10微米及以下的空间分辨率被独立的检测出来。这种技术属于内源性的“免标记”法,因为分子都有其固有质量,只要分子可以被离子化就可以被检测出来。在质谱成像中最常用的分子离子化方法是基质辅助激光解吸/电离,但需要有机基质(通常为被测物的10000倍)与目标样品共结晶并用激光照射。基质吸收激光辐射后被快速激发并蒸发,随后共结晶的样品被转移到气相环境,样品分子可以通过基质的电荷转移离子化。然而,没有人证实过MALDI质谱检测完整碳纳米材料的能力,因为很难找到与其共结晶的合适的基质。如果没有基质,完整的分析物就很难被释放到气相中。而且,碳纳米材料的巨大分子量也远远超出了质谱能够检测的质量范围。

报告时间:2018年5月29日 9:30

图1. 质谱芯片的制备及Caspase酶活性的可视化分析原理

为了解决这个问题,研究人员放弃传统基质,发现并利用碳纳米材料在紫外激光解吸电离过程中产生的固有碳负离子簇(C2-C10)指纹信号,该质谱信号几乎不受任何生物分子的背景信号干扰。结合飞行时间质谱,同时实现了小鼠体内碳纳米材料的亚器官质谱成像和定量分析。该碳负离子簇质谱指纹信号的发现,克服了传统质谱方法无法直接检测纳米材料的难题,将质量信号窗口转移到了质谱灵敏度高的小分子质量范围。与传统的标记方法相比,该激光解吸电离质谱分析方法由于采用内源性的化学信号,避免了标记基团在活体循环过程中可能产生的解离、衰变或者失活。同时,与免标记的光谱方法相比还具有高信噪比、低背景干扰以及准确可靠的优点。

报告地点:创隆厅

鞠熀先教授研究组自2000年开始质谱研究,以解决实际问题为出发点,建立了海洛因及其代谢物的LC/MS分析方法及鼠药的GC/MS快速检测方法等。2010年后,随着生命分析化学国家重点实验室的建立与生命科学研究的需求,该研究组将纳米技术、化学衍生及化学生物学与传统质谱分析方法结合,通过功能化碳纳米角、磁性碳纳米管等纳米材料,提出低丰度生物小分子(Chem.
Eur. J., 2013, 19, 102-108)与蛋白(Nanoscale, 2014, 6,
3150-3156)的选择性富集手段,建立了无需另加基质的MALDI-MS检测方法。特别是,针对阻碍MALDI-MS定量分析的瓶颈,该课题组利用分子标记实现了MALDI定量(Anal.
Chem., 2014, 86, 8275-8280; Anal. Chem., 2015, 87,
4409-4414),并用于多肽和酶活性的定量检测,创造性地改变了传统认识,扩展了这一技术的应用范围。

研究人员证实并比较了碳纳米管、石墨烯和碳量子点的亚器官生物分布。研究发现,碳纳米管和碳量子点在肾中主要分布在外部的实质区域。而在脾组织中,这三种碳纳米材料主要分布在脾的红质区域,还发现在边缘区中碳纳米管的浓度最高。定量结果表明,尺寸较大的未修饰碳纳米管和石墨烯主要富集在肺组织中,而碳量子点主要停留在内皮网状系统丰富的肝和脾中。此外,还意外的发现碳量子点在小鼠器官中的超长清除时间。最后,将该方法拓展到小鼠肿瘤组织中药物负载的碳纳米管成像以及二硫化钼二维纳米材料的组织成像研究。

个人简介:

(化学化工学院 科学技术处)

这些重要的应用和发现,进一步表明该方法可以结合质谱成像和定量的优点,进行纳米材料与生物体系相互作用研究,并有望发展成为一种碳纳米材料乃至其它纳米材料生物分析的通用方法。论文发表后,Nature
Nanotechnology杂志专门邀请国际知名质谱学专家Richard W.
Vachet撰文在同期的“新闻视角”专栏评论:“这种成像技术提供了一种强大的活体定量纳米材料的方法,一个特别让人激动的优势是该方法可拓展同时检测纳米材料及其附近的蛋白质或其他生物分子,将深层次揭示生物分子和材料的相互作用。无论如何,活体纳米材料的质谱成像研究将有一个光明的未来”。详情请参阅Molecular
Histology: More than a picture, Nature Nanotech. 2015, 10,
103-104。

聂宗秀,中国科学院化学研究所研究员。2003年获中国科学院武汉物理与数学研究所博士学位。2005-2008年分别在台湾中央研究院原子分子科学研究所和美国普渡大学化学系博士后。2009年1月入选中科院“百人计划”计划,任中科院化学所研究员。2016年获国家基金委“杰青”。独立工作以来,发表通讯作者论文49篇,其中包括1篇Nature
Nanotech.、14篇Anal. Chem.、2篇Chem. Eur. J.、2篇Chem.
Commu.。发表在Nature
Nanotech.上的工作,由杂志社撰文在同期的“新闻视角”中进行了专栏评论,被Chem.
Res. Toxicol.选为“研究亮点”,入选2016年Nature
Nanotech.杂志10周年专刊。授权中国发明专利18项。

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基质辅助激光解吸电离质谱成为蛋白质组学、基因组学、代谢组学、醣体学、脂质组学,以及质谱成像等研究中不可或缺的工具。然而,由于传统基质在小分子区域的严重背景干扰,阻碍了MALDI对小分子化合物(m/z
<
1000)的质谱分析。近年来,我们一直致力于新型无背景干扰基质的研究,用于复杂生物体系中小分子化合物的质谱分析与成像,开发出了系列高耐盐性,低背景干扰的有机盐新基质。结合大鼠中动脉栓塞、结肠癌肝转移和肾纤维化等生理模型,实现了生物组织切片的质谱成像,原位检测了组织中非脂质小分子化合物和甘油磷脂的代谢变化和空间分布。此外,基于碳纳米材料低分子量区域的特征指纹质谱方法,获得了碳纳米管,碳纳米点,氧化石墨烯等碳纳米材料在生物组织以及组织亚器官中的分布,同时对其进行了定量质谱成像研究。研究发现,碳纳米管和碳纳米点主要分布于肾组织的外实质部分,所有材料在脾脏的红髓均有分布,碳纳米管在脾脏组织中的边缘区域浓度最高。

质谱成像揭示碳纳米材料的亚器官生物分布

活体分析院重点实验室

2015年3月19日

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