再帕爾·阿不力孜

(中央民族大學，北京 100081)

再帕爾·阿不力孜：中央民族大學原副校長，現(xiàn)任藥學院院長、中央民族大學生物成像與系統(tǒng)生物學研究中心負責人、“質(zhì)譜成像與代謝組學”國家民委重點實驗室主任，二級教授。中國醫(yī)學科學院藥物研究所研究員、博士生導師，天然藥物活性物質(zhì)與功能國家重點實驗室副主任，北京協(xié)和醫(yī)學院藥物分析學系主任。北京市政協(xié)常委，國務院學位委員會第七屆藥學學科評議組成員，教育部科技委藥學與中醫(yī)藥學部委員；中國分析測試協(xié)會副理事長，中國化學會質(zhì)譜分析專業(yè)委員會副主任委員等。首批“新世紀百千萬人才工程”國家級人選，享受國務院政府特殊津貼專家，國家民委領軍人才。APSB、RCM、JANPR以及分析化學、藥學學報、化學進展、質(zhì)譜學報、分析測試學報和分析儀器等國內(nèi)外學術(shù)期刊編委。

隨著1997年R. Caprioli教授等首次將MALDI-TOF MS技術(shù)用于生物組織中多肽和蛋白質(zhì)成像分析后，極大地推動了質(zhì)譜成像技術(shù)(MSI)的發(fā)展。這20多年來，因不同原理及多種類型MSI技術(shù)的發(fā)展及其應用領域的拓展，使其成為質(zhì)譜領域乃至分析化學、分子影像技術(shù)以及生物醫(yī)藥等領域的前沿與熱點方向之一而備受關注。

此外，單細胞水平的研究可以揭示生命活動規(guī)律、疾病發(fā)病機制、藥物靶向治療等重大科學問題，是當前生命科學中最熱點的研究領域之一。目前，從分析化學與技術(shù)角度來看，熒光顯微鏡技術(shù)在單細胞分析領域的應用最為普遍，但該技術(shù)因需引入能發(fā)熒光的探針分子，這為單細胞內(nèi)源物質(zhì)、小分子藥物及其代謝物的發(fā)現(xiàn)與表征帶來了嚴重的限制。與之相比，質(zhì)譜成像技術(shù)以其免標記、多元素/分子同時檢測等優(yōu)點，為單細胞分析提供了新的研究手段。其中，SIMS技術(shù)因具有高空間分辨率等優(yōu)勢發(fā)揮著重要作用；而應用面更廣的MALDI-MSI等激光解吸電離質(zhì)譜技術(shù)常常受限于空間分辨率等關鍵問題，遇到巨大挑戰(zhàn)。

為解決激光解吸電離質(zhì)譜單細胞成像技術(shù)面臨的空間分辨率等瓶頸問題，近年來，廈門大學杭緯課題組相繼研發(fā)出3個新技術(shù)，并取得了一系列的創(chuàng)新成果。

1) 針尖增強解吸質(zhì)譜儀的研制[1]。創(chuàng)新性地將激光照射貴金屬針尖所產(chǎn)生的等離激元共振增強效應作為解吸機制，并采用自制的TOF MS質(zhì)量分析器，展現(xiàn)了納米尺度彈坑，具備采集相應質(zhì)譜信號的能力和重現(xiàn)性，實現(xiàn)了多種無機鹽殘留物的多元素分析，獲得了50 nm橫向分辨率的鉀鹽殘留物質(zhì)譜成像。該方法為化學組成在納米尺度的分析與成像提供了新的途徑。

2) 近場解吸成像質(zhì)譜儀的研制[2]。采用有孔光纖傳導激光、光纖尖端開孔僅200 nm以及尖端的瞬逝光進行解吸等手段，通過原子力自動控制光纖尖端到樣品表面的距離，無需使用探針，獲得空間分辨率為250 nm的多種藥物在單細胞內(nèi)的分布成像。該質(zhì)譜儀將近場解吸的分子通過深紫外激光后電離，具有離子效率高、傳輸性好等特點，達到amol級絕對檢出限；克服了樣品表面起伏產(chǎn)生誤信號的問題，精準實現(xiàn)形貌和化學成分清晰的共成像圖。

3) 微透鏡光纖激光解吸電離質(zhì)譜儀的研制與單細胞質(zhì)譜成像分析新進展[3]。首先，該課題組研制了微透鏡光纖激光解吸電離質(zhì)譜儀(MLF-LDPI-TOF MS)，即借助物理研磨手段，在單模光纖的一端加工得到曲率半徑極小的微球面(R=4.5 μm)，以此微球作為微型平凸透鏡，將激光聚焦在樣品表面，實現(xiàn)對樣品的解吸與離子化，并通過自主研制的飛行時間質(zhì)量分析器進行檢測。因采用極短的焦距，在樣品表面獲得采樣彈坑直徑約為350 nm。通過將抗癌藥物柔紅霉素(DRB)負載在葉酸修飾的Fe3O4顆粒表面并與癌細胞共同培養(yǎng)，對不同培養(yǎng)時間的癌細胞進行質(zhì)譜成像分析，同時獲得細胞內(nèi)納米顆粒、納米顆粒表面的葉酸修飾基團和所負載藥物在細胞器水平上的分布，直觀地揭示出藥物隨著培養(yǎng)時間的增加，從納米顆粒表面釋放、進入細胞核，并最終誘導癌細胞凋亡這一動態(tài)過程。

該課題組進一步采用MLF-LDPI-TOF MS技術(shù)，成功實現(xiàn)單細胞3D成像分析，在納米尺度實現(xiàn)了2種抗腫瘤藥物在單個細胞內(nèi)三維空間分布成像，獲得500 nm×500 nm×500 nm的空間分辨率。通過采用微透鏡光纖實現(xiàn)在細胞表面納米尺度的采樣，并引入157 nm后電離激光提高了離子化效率、檢測靈敏度及電離源的信號穩(wěn)定性。同時提出了一種基于嵌入式均勻圓形聚苯乙烯微球的三維定位方法，可用于準確重構(gòu)還原藥物在單細胞內(nèi)的三維分布分析[4]。

在此基礎上，通過自主設計具有三通結(jié)構(gòu)的樣品剝蝕池，將微透鏡光纖激光采樣技術(shù)與ICP-MS相結(jié)合，構(gòu)建微透鏡光纖激光濺射-ICP-MS的單細胞質(zhì)譜成像技術(shù)平臺，實現(xiàn)低至400 nm空間分辨率的生物組織和單細胞內(nèi)多種化合物的質(zhì)譜成像分析。該裝置還可實現(xiàn)可調(diào)分辨率的成像模式，如對同一小鼠小腸剖面組織切片進行從500 nm至10 μm空間分辨率的藥物成像分析，高分辨模式的成像能夠更直觀、更精準地描繪出小腸組織內(nèi)微小細節(jié)和藥物的分布，獲得小腸對藥物的吸收和作用機理相關的關鍵信息。此外，將HeLa細胞與金納米棒、卡鉑等藥物同時培養(yǎng)后進行成像分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)金納米棒主要位于細胞的溶酶體內(nèi)；而卡鉑藥物被癌細胞攝取后主要分布在細胞核內(nèi)，通過與核內(nèi)DNA的相互作用誘導癌細胞的凋亡[5]。

杭緯課題組長期致力于激光濺射/解吸質(zhì)譜技術(shù)與裝置的研制，其中在基于激光解吸電離的高空間分辨質(zhì)譜成像技術(shù)中，微透鏡光纖激光解吸電離質(zhì)譜技術(shù)尤為出色。該技術(shù)首次提出了一種經(jīng)濟可靠、操作簡單、普適性強、具有納米空間分辨率的激光解吸電離質(zhì)譜成像手段，其空間分辨率遠超目前商品化的激光采樣質(zhì)譜技術(shù)，并成功實現(xiàn)了對細胞內(nèi)多種元素和分子在細胞器水平上的可視化分析與定位，有望在生命科學、醫(yī)學和藥學等多個領域拓展應用。