万晶晶
华东师范大学化学与分子工程学院教授
人类对健康的追求是贯穿古今的。在原始社会时期，人类便能认识到疾病，并利用特定植物的催吐、泻下和止痛作用来治疗疾病。然而，人类的身体是一座极为精妙复杂的机器，疾病作为这座机器运行时发生的故障同样是复杂的，对疾病进行鉴别和诊断是一件非常困难的事情。在近代科学出现以前，由于缺乏技术手段，人类只能简单地根据临床症状辨别疾病，很多疾病难以进行准确诊断和分类。随着科学技术的发展，特别是显微镜的发明和细胞的发现，打开了现代医学检验技术发展的大门，使得疾病的准确诊断和分类有了可能。近几十年来，医学、生物学、化学和仪器科学的发展使得医学检验技术逐渐走向分子水平，血糖检测、血脂检测、肝功能检测、心肌损伤标志物检测、肿瘤分子分型检测等分子检验技术已经在实际临床应用中取得了巨大的成功。不过，人们对健康的追求是永无止境的。近年来，疾病早期生物标记物发现、精准分型、复发预警、无特异性临床指征疾病的精准诊断等新需求不断涌现，而传统临床分子检验技术难以满足这些新需求在检测灵敏度、特异性、准确度、检测效率等方面的要求。临床分子检验领域正迫切需要新的技术平台。在此背景下，临床质谱技术越来越广泛地被应用于临床实验室，迎来了发展的黄金时代。
质谱分析技术的原理较为复杂，简单来说就是使样品中质量各不相同的分子离子化，从而带有电荷，进而利用不同质荷比的离子在静电场或磁场中所受作用力不同的原理将其在空间上分离并进行检测。质谱技术自诞生以来便对科学研究起到了巨大的推进作用，曾有5次诺贝尔奖被颁发给质谱相关领域的工作。质谱分析技术相比传统分析检测方法具有特异性强、准确性高、灵敏度佳的特点，且可在单次实验中实现多种分子的同时检测，十分契合临床分子检测的需要，过去几十年已在临床实验室中广泛应用。例如，目前人群维生素D缺乏和不足的首选检测方法便为液相色谱-串联质谱法。然而，临床样本十分复杂，比如血浆中的蛋白种类、代谢物种类的数量均可达万级，临床质谱技术领域目前仍存在样品前处理复杂、检测自动化程度低、操作人员知识技能要求高等问题亟待解决。
近年来，纳米材料在质谱领域的应用正逐渐成熟，很好地解决了临床质谱领域存在的一些问题。纳米材料是指在三维空间中至少有一维处在纳米尺度范围（1nm～100nm）或由它们作为基本单元构成的材料，具有区别于其他材料的独特物理、化学特性，如力学特性、电学特性、磁学特性、热学特性等。通过对纳米材料微观形貌、表面修饰、批次重现性等特性的调控和优化，科研人员正探索其在临床质谱领域作为样品前处理材料、电离基质材料等方面的应用，并取得了巨大的进展。下面，笔者就以代谢组质谱检测、蛋白组质谱检测、以及质谱成像技术为切入点，具体地谈一谈纳米材料与临床质谱技术的结合与应用。
图1 临床质谱技术流程与应用
纳米材料助力临床代谢组质谱检测
代谢组学是以细胞、组织和生物体液中数以万计的小分子代谢物（分子量小于1?000）为研究对象的新兴组学技术。这些小分子代谢物位于生物通路的最末端，能够精准编码细胞功能和疾病表型，其组成随生物体生理状态的改变而改变。代谢组学研究的目的便是对这些小分子代谢物进行快速、准确、灵敏的定性定量分析，阐明其组成、变化规律和生物学意义。代谢组学的出现和发展对临床诊断、疾病标志物发现、药物开发等领域具有重要意义。
质谱是代谢组学研究的主要分析工具之一，广泛应用于代谢物的定性和定量检测。然而，由于生物体系成分复杂度高，当前质谱技术应用于临床大样本筛查时仍存在分析通量低、灵敏度不够高等问题。功能纳米材料在上述流程中均可与质谱耦合，凭借精密可控的结构、组分和表面环境显著提高质谱检测的通量和灵敏度。
在众多的纳米材料中，磁性纳米颗粒是一类常用于生物样本预处理的纳米材料。通过对磁性纳米颗粒的组分、结构和表面官能团进行优化和改进，磁性纳米颗粒表面可以在临床生物样本中对代谢物进行选择性捕获，大幅提高检测的灵敏度。基于这个原理开发的磁性固相萃取（MSPE）技术解决了传统的固相萃取（SPE）技术一致性差、需要人员值守、沟渠效应严重等缺点，高度契合目前临床分析的需求。
相比传统的液相质谱，新兴的固相质谱具有秒级的分析速度，大大简化了代谢组学分析的工作流程。然而，目前商业化的固相质谱有机基质，比如α-氰基-4-羟基肉桂酸（CHCA）、2，5-二羟基苯甲酸（DHB）等在进行小分子检测时会产生巨大的背景干扰，因此仅适用于蛋白质等大分子的检测。为了解决固相质谱检测小分子的问题，全世界的科研工作者做了大量的探索和改进，开发出了可用于小分子代谢物固相质谱检测的纳米材料基质。纳米基质具有不同的组成成分、微观形貌、表面官能团，这些参数与样品的预处理速度、质谱检测效果、信号响应范围紧密相关。通过对这些关键参数进行合理的设计和调控，可以定制用于代谢组分析的辅助基质，实现代谢指纹图谱的高效采集。进而，研究者可借助机器学习技术识别不同群体的代谢指纹图谱，实现疾病精准诊断、生物标记物发现、疾病亚型和分期划分等应用。
综上，纳米材料在质谱代谢组学研究的贡献体现在方方面面，包括代谢物预富集、杂质去除、辅助解吸电离等等。我们相信随着研究者们在纳米材料领域的不断探索和创新，基于纳米材料的质谱代谢组学也可以得到进一步的发展，有望进一步推进纳米辅助质谱代谢组学在临床中的应用。
纳米材料助力临床蛋白质组质谱检测
蛋白质组学是以细胞、组织和生物体液中蛋白质分子为研究对象的组学技术。蛋白质是生命活动的主要承担者。蛋白质组学研究可以系统、全面地了解疾病的发生发展、细胞代谢等重要的生物学过程，对疾病早期诊断，生物标志物发现以及新兴药物研发等具有重要意义。质谱作为重要的定性定量分析技术，具有高灵敏度、高通量、高准确度的特点，是蛋白质组学领域的主要研究工具之一。
相比于基因组学，蛋白质组学研究的目标分子缺乏有效的扩增技术，这限制了其应用。具体来说，受限于有限的检测限，蛋白质组学分析常无法检测到生物样品中的低丰度蛋白质分子。此外，单个生物样本中的不同蛋白质的浓度必威在线网站首页网址 范围很大，不同蛋白分子的浓度差异常超过10个数量级，这同样使得低丰度蛋白质的检测变得极其困难。纳米技术的快速发展为研究复杂生物样品中的低丰度蛋白分子提供了良好的解决方案。相比传统材料，纳米材料具有较大的表面积与体积比，这有利于传质并提高各种肽的分离效率。例如，在超高压液相色谱中使用有机二氧化硅纳米粒子作为填料，可以在不降低分辨率的情况下，实现比传统方法快10倍的肽分离速度。此外，纳米材料的大表面积也可以被功能化以促进肽的特异性分离。例如，纳米尺寸的单分散超顺磁珠可用作支持材料，以最大限度地减少样品损失并通过磁辅助分离加快样品处理速度。
图2 组学分析中常用的纳米材料
目前，磁性纳米材料是蛋白质组学中最常见的富集蛋白/多肽的材料之一。利用磁性纳米材料通过在其表面引入大量可行的官能团修饰进行功能化去富集生物样品中的蛋白，功能部分通过结合亲和力特异性地结合蛋白，从而有效地降低样品中蛋白的丰度必威在线网站首页网址 范围。同时利用磁性纳米材料的强磁性极大地缩短了蛋白分离时间，精简了工作流程。例如，有研究者开发出了工程化的磁性纳米材料，将5种功能化的磁性纳米粒子进行组合，对癌症患者血浆样本中的蛋白分子进行了深度大规模富集，其蛋白检测数量提升4倍，有效提升了诊断性能，筛选出创新性的肿瘤标志蛋白，为癌症治疗提供新的药物靶点。
纳米技术与蛋白质组学的有力结合推动了蛋白质组的大规模、高通量以及深入精确分析，对于蛋白质水平的疾病早期诊断，生物标志物发现以及药物研发等生物医学领域应用具有重要意义。
纳米材料助力临床质谱成像
质谱成像技术是一种将经典质谱与离子成像结合起来的前沿技术，可以同时可视化组织标本中数百种生物分子（代谢物、脂质、肽、蛋白质等）的空间分布，并提供生物分子的结构信息，在疾病诊断、生物标志物发现、疾病分子机理解释方面具有广阔的前景。基质辅助激光解吸电离质谱（MALDI-MS）技术是目前应用最广泛的质谱成像技术平台。MALDI-MS是一种固体质谱技术，也常常应用于代谢组检测中。如前文所述，传统上商业化的MALDI-MS基质通常为有机基质，不能用来检测小分子化合物。近年来，纳米材料基质在MALDI-MS技术中的应用很好地解决了代谢组学研究和质谱成像研究中固相质谱小分子检测的问题。目前常用于质谱成像的纳米材料主要包括金属氧化物、硅基材料、碳基材料等。纳米粒子辅助的质谱成像技术既可以完成非靶标分析，也可以实现高灵敏度的靶标分析，具有更高的信号检出灵敏度与空间分辨率，可作为组织学疾病诊断的有用手段，近年来在癌症诊断、生物标志物发现等领域展现出巨大的应用潜力。
图3 纳米基质辅助质谱成像过程示意图
具体来说，纳米粒子辅助的质谱成像技术可以用于癌症的早期诊断，阐明癌症发生的分子机理，帮助发现癌种生物标志物。近年来，越来越多的研究证明脂质、糖类和小分子代谢物等在组织中的表达与癌症的发生高度相关，可以作为癌症诊断的依据。纳米粒子辅助的质谱成像技术能够对组织中的脂质、糖类和小分子代谢物进行靶向分析和直接成像，利用已发现的小分子生物标志物可视化癌变组织的边界，实现对癌变组织和癌旁组织的分区，并可实现对癌症的不同组织学亚型进行分类，从而为临床上癌症的诊断和治疗提供有价值的参考。此外，纳米粒子辅助的质谱成像技术也可以监测与这些小分子生物标志物的代谢相关的化合物的空间分布和丰度变化，帮助发现癌种生物标志物，阐明脂质、糖类等生物分子的代谢对癌症进展的生理病理过程的影响，为解释癌症发生的分子机制提供依据。
结语
自人类文明诞生伊始，人们对健康的追求便从未停止。相比传统检验技术，临床质谱技术在疾病早筛、分型、诊断、个性化治疗指导等领域具有无可替代的优势，临床质谱技术在中国的发展将有效提升我国人民的健康水平。然而，目前我国临床质谱检测应用尚处于起步阶段，实际临床质谱检测项目数量尚不到国际市场的五分之一，这既是临床质谱工作者的机遇，也是挑战。我们应面向人民生命健康，加快脚步，早日使临床质谱技术在中国落地生根，助推“健康中国”愿景的实现。
本文根据笔者在上海市科学技术普及志愿者协会主办的“海上科普论坛”上的报告撰写而成