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单细胞质谱分析成新型“武器” 推动生命科学研究

2019/4/11编辑:Ma Liang 人气:3301

【导读】4月8日消息,中国科学技术大学化学与材料学学院的黄光明教授与生命科学学院的熊伟教授课题组合作,先后在PNAS和Cell上发表了他们的最新研究成果。该研究中,开发了能用于复杂样品的原位质谱分析方法,大幅提高了分析速度。

该方法实现了针对细胞内蛋白质的直接分析,同时通过电生理膜片钳技术开展了对小鼠脑内单个神经元的功能鉴定与解析。其研发的单细胞质谱分析平台实现了单个神经元化学成分及代谢物的即时分析,将目前神经细胞成份分析的研究推向了活细胞及单细胞水平。也因其在单细胞质谱研究方面的成果,黄光明教授在2018年获得了由中国质谱学会设立并颁发的“质谱青年奖”(该奖项的设立是为了鼓励和表彰青年学者在质谱领域取得重大创新性的研究成果)。仪器信息网有幸采访了黄光明教授,请他谈一谈其质谱分析技术的研究历程及关于单细胞质谱分析未来应用前景的独特看法。


左:黄光明,右:朱洪影

单细胞分析为何受到高度重视?黄光明介绍到,近年随着分析手段的不断提高,人们越来越意识到细胞具有个体差异性。即使在相同条件下培养的同源细胞,其在形态、基因表达水平以及生长特性上都存在一定的差别。为了解复杂多变环境中单个细胞各个阶段的变化以及行为,就需要单细胞分析的方法。

近年来,单细胞研究在DNA和RNA测序方面取得了极大的进展,单细胞质谱分析也逐渐得到更多的关注。质谱分析因其具有高灵敏度,宽泛的线性范围以及高通量分析化学分子的特点,被用于单细胞的代谢分析中。单细胞质谱分析技术是一种对细胞中未知成分进行快速鉴定,获得细胞中蛋白质乃至小分子代谢物“组学”信息的方法。与用于分析单个细胞基因组的单细胞测序不同,单细胞质谱研究聚焦在单细胞内的代谢物,例如化学小分子的组成、含量和代谢等方面。

质谱分析 从基础研究到应用导向

“我从2005年开始接触质谱分析,主要受到我的博士导师张新荣教授的影响,从那时起,开始着手质谱定性与定量的分析研究。由于张教授与美国普渡大学的R.Graham Cooks教授的合作项目,我也有机会先后前往普渡大学交流学习,进一步学习如何更好利用质谱技术进行科学研究。在结束普渡大学的博士后工作后,我回到了中国科学技术大学,继续从事质谱分析相关的研究”,黄光明说道。

黄光明介绍到,其课题组目前的主要研究方向分为两方面:一方面开发各种新型敞开式离子源,另一方面主要集中在将研发的离子源技术用于解决生命科学领域实际问题。

在新型敞开式离子源技术研发方面,黄光明课题组已经开发了基于超声喷雾离子源、反应纸喷雾离子源及感应电喷雾离子源等。相关的应用主要集中在研究复杂体系中化学成分的快速实时分析,包括监测化学反应体系、检测生物样品中的药物成分、活体细胞中的蛋白质分析以及单个神经细胞中的代谢物分析。


从左往右:黄光明,王宁,熊伟,朱洪影

据了解,单个神经细胞质谱分析技术的研究是黄光明教授与生命科学学院的熊伟教授共同合作并取得成果的。就此黄光明也提到,两人结缘于“青千”计划,彼时,黄光明课题组正在开发一种小样品(pL级别)质谱测量方法,而熊伟教授课题组从事与神经化学、药理学、小分子药物研发相关的神经科学研究,并能运用多种先进的实验技术从分子、细胞水平对动物行为进行深入系统的研究。经过多次讨论,他们决定将两个实验室的优势技术进行结合,共同开发单个神经元化学成分及代谢物分析的质谱方法。

从科学研究的角度来看,两个不同领域实验室的共同研究具有很强的互补性,质谱分析的新方法,可以在解决实际的生命科学领域的问题中体现自己的价值;生命科学领域中目前没有办法解决的一些科学问题,也会推动质谱分析方法和技术的进步。“交叉合作对双方都有重要的科学价值,我们打算在新技术推动解决新的科学问题、未解决的科学问题对技术革新提出更高的要求这两方面的基础上继续长期合作。”

在交叉合作共同研究方面,黄光明也提到一个实例,其博士后的合作导师R.Graham Cooks 教授课题组内,汇集了来自各个领域的人才,相关的研究背景从基础理论研究、电子电路设计、精密仪器加工、有机化学反应、分析方法学、生物医学工程、药物研发到癌症研究。来自不同领域的学者们通力合作,针对性的发现“埋”在实际应用难题之下的科学问题,并能在解决科学问题以及相关工程技术难题后,最终开发出可以用于解决实际问题的方法和技术。“鉴于国内的实际情况,很难在一个研究组内集中跨多个研究领域的人才,更需要大胆走出去,和自己研究领域上下游的研究学者多沟通、多交流、多合作。在沟通交流中了解别人的需求,同时寻求自己领域难题的解决办法,最终才能以合作的形式去解决具体的技术和科学问题,这也是我自己在研究过程中的一个基本思路。”

“单细胞质谱分析将大有可为”

质谱作为一种拥有很大发展空间的仪器,如果仅仅把它作为一个工具对待,那么无论从仪器技术研发、方法研究还是实际应用方面,都很难仅从单一角度发挥其最大的作用。

本文之前介绍的黄光明与熊伟教授课题组共同合作的研究首次利用质谱方法直接无稀释地检测单个神经元中多种神经递质、代谢物、脂质等化学小分子,对单个神经元化学成分及代谢物进行了即时分析,并鉴定了单个神经元内谷氨酰胺的代谢路径,对于深入理解这条代谢通路以及与之相关的疾病机制具有重要意义。除此之外,该研究成果也将目前神经细胞成分分析的研究推向了一个活细胞及单细胞水平。


上图:单细胞原位质谱平台及工作流程

下图:A)肝脏内尿刊酸相关代谢通路示意图;B)海马脑区单个神经元中得到的尿刊酸代谢相关的五种代谢物(含IPPA和FMGA两种代谢中间产物);C)二级质谱对代谢中间产物IPPA的鉴定;D)二级质谱对代谢中间产物FMGA的鉴定;E)碳13标记的组氨酸示踪尿刊酸代谢通路上三种稳定代谢物的上下游关系;F)尿刊酸代谢通路上四种酶在各个脑区的分布情况。(Zhu HY, Wang N,?Huang GM*,Xiong W*,Cell,2018,173,1716-1726)

黄光明表示,生命科学领域是质谱技术未来最有前景的发展方向之一:一个原因是生命科学领域是人类永恒的研究热点;另一个原因是在这个领域中,因为生命活动过于复杂,有太多还没有破解的难题。由于质谱分析方法兼具非常好的定性分析能力和定量分析灵敏度,在生命科学领域中扮演着重要的角色,也在推动蛋白组和代谢组学研究方面发挥了至关重要的作用。

在谈到下一步的研究计划时,黄光明表示,其课题组将针对重大疾病,如神经退行性疾病等,分别从质谱分析新技术开发及分析方法学层面针对性的解决相关问题,希望能够在单细胞层次上研究神经生物学、代谢组学、毒理学生命科学的重大问题,力争为相关疾病的发病机制研究、靶向药物的研究等方面作出贡献。

细胞是构成生命活动的最基本单元,单个细胞的化学物质成分分析解析,有望从根本上解释各种生命活动的物质基础。但目前由于单细胞体积小、细胞内环境复杂、细胞内物质变化速率快的特点,单细胞分析在生命科学领域还十分有限,尤其是在探索细胞内低浓度的未知化学物质,缺乏相关的研究方法。如果能够继续将质谱分析的定性分析能力和极高的定量分析灵敏度用好,将有可能突破这一瓶颈,为生命科学领域带来新的研究工具,单细胞质谱分析研究具有很好的前瞻性和探索性,必将大有可为。

不同的细胞个体之间具有差异性.为了如实地反映细胞在结构和功能上对生物系统的正常运转所起到的作用,就必须从单细胞水平上对细胞中物质的组成和含量进行分析研究.但是单细胞分析研究却由于细胞的极小体积、极多的物质种类、极少的物质含量以及不同物质间显著的浓度差异而一度受阻.质谱是一种很适合于单细胞分析的检测方法,它具有极高的灵敏度、多物质同时检测的能力以及对所感兴趣的分子进行结构鉴定的能力.不同的离子化方法对取样和前处理过程的要求也不同.从某种意义上来说,不同的离子化方法造就了不同的单细胞质谱分析方法.

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(来源: 仪器仪表网 )

标签:质谱,仪器,设备

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