小平臺大突破

人類對健康的追求是貫穿古今的。在原始社會時期，人類便能認識到疾病，并利用特定植物的催吐、瀉下和止痛作用來治療疾病。然而，人類的身體是一座極為精妙復雜的機器，疾病作為這座機器運行時發生的故障同樣是復雜的，對疾病進行鑒別和診斷是一件非常困難的事情。在近代科學出現以前，由于缺乏技術手段，人類只能簡單地根據臨床癥狀辨別疾病，很多疾病難以進行準確診斷和分類。隨著科學技術的發展，特別是顯微鏡的發明和細胞的發現，打開了現代醫學檢驗技術發展的大門，使得疾病的準確診斷和分類有了可能。近幾十年來，醫學、生物學、化學和儀器科學的發展使得醫學檢驗技術逐漸走向分子水平，血糖檢測、血脂檢測、肝功能檢測、心肌損傷標志物檢測、腫瘤分子分型檢測等分子檢驗技術已經在實際臨床應用中取得了巨大的成功。不過，人們對健康的追求是永無止境的。近年來，疾病早期生物標記物發現、精準分型、復發預警、無特異性臨床指征疾病的精準診斷等新需求不斷涌現，而傳統臨床分子檢驗技術難以滿足這些新需求在檢測靈敏度、特異性、準確度、檢測效率等方面的要求。臨床分子檢驗領域正迫切需要新的技術平臺。在此背景下，臨床質譜技術越來越廣泛地被應用于臨床實驗室，迎來了發展的黃金時代。

質譜分析技術的原理較為復雜，簡單來說就是使樣品中質量各不相同的分子離子化，從而帶有電荷，進而利用不同質荷比的離子在靜電場或磁場中所受作用力不同的原理將其在空間上分離并進行檢測。質譜技術自誕生以來便對科學研究起到了巨大的推進作用，曾有5次諾貝爾獎被頒發給質譜相關領域的工作。質譜分析技術相比傳統分析檢測方法具有特異性強、準確性高、靈敏度佳的特點，且可在單次實驗中實現多種分子的同時檢測，十分契合臨床分子檢測的需要，過去幾十年已在臨床實驗室中廣泛應用。例如，目前人群維生素D缺乏和不足的首選檢測方法便為液相色譜-串聯質譜法。然而，臨床樣本十分復雜，比如血漿中的蛋白種類、代謝物種類的數量均可達萬級，臨床質譜技術領域目前仍存在樣品前處理復雜、檢測自動化程度低、操作人員知識技能要求高等問題亟待解決。

近年來，納米材料在質譜領域的應用正逐漸成熟，很好地解決了臨床質譜領域存在的一些問題。納米材料是指在三維空間中至少有一維處在納米尺度范圍（1 nm～100 nm）或由它們作為基本單元構成的材料，具有區別于其他材料的獨特物理、化學特性，如力學特性、電學特性、磁學特性、熱學特性等。通過對納米材料微觀形貌、表面修飾、批次重現性等特性的調控和優化，科研人員正探索其在臨床質譜領域作為樣品前處理材料、電離基質材料等方面的應用，并取得了巨大的進展。下面，筆者就以代謝組質譜檢測、蛋白組質譜檢測、以及質譜成像技術為切入點，具體地談一談納米材料與臨床質譜技術的結合與應用。

納米材料助力臨床代謝組質譜檢測

代謝組學是以細胞、組織和生物體液中數以萬計的小分子代謝物（分子量小于1 000）為研究對象的新興組學技術。這些小分子代謝物位于生物通路的最末端，能夠精準編碼細胞功能和疾病表型，其組成隨生物體生理狀態的改變而改變。代謝組學研究的目的便是對這些小分子代謝物進行快速、準確、靈敏的定性定量分析，闡明其組成、變化規律和生物學意義。代謝組學的出現和發展對臨床診斷、疾病標志物發現、藥物開發等領域具有重要意義。

質譜是代謝組學研究的主要分析工具之一，廣泛應用于代謝物的定性和定量檢測。然而，由于生物體系成分復雜度高，當前質譜技術應用于臨床大樣本篩查時仍存在分析通量低、靈敏度不夠高等問題。功能納米材料在上述流程中均可與質譜耦合，憑借精密可控的結構、組分和表面環境顯著提高質譜檢測的通量和靈敏度。

在眾多的納米材料中，磁性納米顆粒是一類常用于生物樣本預處理的納米材料。通過對磁性納米顆粒的組分、結構和表面官能團進行優化和改進，磁性納米顆粒表面可以在臨床生物樣本中對代謝物進行選擇性捕獲，大幅提高檢測的靈敏度。基于這個原理開發的磁性固相萃取（MSPE）技術解決了傳統的固相萃取（SPE）技術一致性差、需要人員值守、溝渠效應嚴重等缺點，高度契合目前臨床分析的需求。

相比傳統的液相質譜，新興的固相質譜具有秒級的分析速度，大大簡化了代謝組學分析的工作流程。然而，目前商業化的固相質譜有機基質，比如α-氰基-4-羥基肉桂酸（CHCA）、2，5-二羥基苯甲酸（DHB）等在進行小分子檢測時會產生巨大的背景干擾，因此僅適用于蛋白質等大分子的檢測。為了解決固相質譜檢測小分子的問題，全世界的科研工作者做了大量的探索和改進，開發出了可用于小分子代謝物固相質譜檢測的納米材料基質。納米基質具有不同的組成成分、微觀形貌、表面官能團，這些參數與樣品的預處理速度、質譜檢測效果、信號響應范圍緊密相關。通過對這些關鍵參數進行合理的設計和調控，可以定制用于代謝組分析的輔助基質，實現代謝指紋圖譜的高效采集。進而，研究者可借助機器學習技術識別不同群體的代謝指紋圖譜，實現疾病精準診斷、生物標記物發現、疾病亞型和分期劃分等應用。

綜上，納米材料在質譜代謝組學研究的貢獻體現在方方面面，包括代謝物預富集、雜質去除、輔助解吸電離等等。我們相信隨著研究者們在納米材料領域的不斷探索和創新，基于納米材料的質譜代謝組學也可以得到進一步的發展，有望進一步推進納米輔助質譜代謝組學在臨床中的應用。

納米材料助力臨床蛋白質組質譜檢測

蛋白質組學是以細胞、組織和生物體液中蛋白質分子為研究對象的組學技術。蛋白質是生命活動的主要承擔者。蛋白質組學研究可以系統、全面地了解疾病的發生發展、細胞代謝等重要的生物學過程，對疾病早期診斷，生物標志物發現以及新興藥物研發等具有重要意義。質譜作為重要的定性定量分析技術，具有高靈敏度、高通量、高準確度的特點，是蛋白質組學領域的主要研究工具之一。

相比于基因組學，蛋白質組學研究的目標分子缺乏有效的擴增技術，這限制了其應用。具體來說，受限于有限的檢測限，蛋白質組學分析常無法檢測到生物樣品中的低豐度蛋白質分子。此外，單個生物樣本中的不同蛋白質的濃度動態范圍很大，不同蛋白分子的濃度差異常超過10個數量級，這同樣使得低豐度蛋白質的檢測變得極其困難。納米技術的快速發展為研究復雜生物樣品中的低豐度蛋白分子提供了良好的解決方案。相比傳統材料，納米材料具有較大的表面積與體積比，這有利于傳質并提高各種肽的分離效率。例如，在超高壓液相色譜中使用有機二氧化硅納米粒子作為填料，可以在不降低分辨率的情況下，實現比傳統方法快10倍的肽分離速度。此外，納米材料的大表面積也可以被功能化以促進肽的特異性分離。例如，納米尺寸的單分散超順磁珠可用作支持材料，以最大限度地減少樣品損失并通過磁輔助分離加快樣品處理速度。

目前，磁性納米材料是蛋白質組學中最常見的富集蛋白/多肽的材料之一。利用磁性納米材料通過在其表面引入大量可行的官能團修飾進行功能化去富集生物樣品中的蛋白，功能部分通過結合親和力特異性地結合蛋白，從而有效地降低樣品中蛋白的豐度動態范圍。同時利用磁性納米材料的強磁性極大地縮短了蛋白分離時間，精簡了工作流程。例如，有研究者開發出了工程化的磁性納米材料，將5種功能化的磁性納米粒子進行組合，對癌癥患者血漿樣本中的蛋白分子進行了深度大規模富集，其蛋白檢測數量提升4倍，有效提升了診斷性能，篩選出創新性的腫瘤標志蛋白，為癌癥治療提供新的藥物靶點。

納米技術與蛋白質組學的有力結合推動了蛋白質組的大規模、高通量以及深入精確分析，對于蛋白質水平的疾病早期診斷，生物標志物發現以及藥物研發等生物醫學領域應用具有重要意義。

納米材料助力臨床質譜成像

質譜成像技術是一種將經典質譜與離子成像結合起來的前沿技術，可以同時可視化組織標本中數百種生物分子（代謝物、脂質、肽、蛋白質等）的空間分布，并提供生物分子的結構信息，在疾病診斷、生物標志物發現、疾病分子機理解釋方面具有廣闊的前景。基質輔助激光解吸電離質譜（MALDI-MS）技術是目前應用最廣泛的質譜成像技術平臺。MALDI-MS是一種固體質譜技術，也常常應用于代謝組檢測中。如前文所述，傳統上商業化的MALDI-MS基質通常為有機基質，不能用來檢測小分子化合物。近年來，納米材料基質在MALDI-MS技術中的應用很好地解決了代謝組學研究和質譜成像研究中固相質譜小分子檢測的問題。目前常用于質譜成像的納米材料主要包括金屬氧化物、硅基材料、碳基材料等。納米粒子輔助的質譜成像技術既可以完成非靶標分析，也可以實現高靈敏度的靶標分析，具有更高的信號檢出靈敏度與空間分辨率，可作為組織學疾病診斷的有用手段，近年來在癌癥診斷、生物標志物發現等領域展現出巨大的應用潛力。

具體來說，納米粒子輔助的質譜成像技術可以用于癌癥的早期診斷，闡明癌癥發生的分子機理，幫助發現癌種生物標志物。近年來，越來越多的研究證明脂質、糖類和小分子代謝物等在組織中的表達與癌癥的發生高度相關，可以作為癌癥診斷的依據。納米粒子輔助的質譜成像技術能夠對組織中的脂質、糖類和小分子代謝物進行靶向分析和直接成像，利用已發現的小分子生物標志物可視化癌變組織的邊界，實現對癌變組織和癌旁組織的分區，并可實現對癌癥的不同組織學亞型進行分類，從而為臨床上癌癥的診斷和治療提供有價值的參考。此外，納米粒子輔助的質譜成像技術也可以監測與這些小分子生物標志物的代謝相關的化合物的空間分布和豐度變化，幫助發現癌種生物標志物，闡明脂質、糖類等生物分子的代謝對癌癥進展的生理病理過程的影響，為解釋癌癥發生的分子機制提供依據。

結語

自人類文明誕生伊始，人們對健康的追求便從未停止。相比傳統檢驗技術，臨床質譜技術在疾病早篩、分型、診斷、個性化治療指導等領域具有無可替代的優勢，臨床質譜技術在中國的發展將有效提升我國人民的健康水平。然而，目前我國臨床質譜檢測應用尚處于起步階段，實際臨床質譜檢測項目數量尚不到國際市場的五分之一，這既是臨床質譜工作者的機遇，也是挑戰。我們應面向人民生命健康，加快腳步，早日使臨床質譜技術在中國落地生根，助推“健康中國”愿景的實現。

本文根據筆者在上海市科學技術普及志愿者協會主辦的

“海上科普論壇”上的報告撰寫而成