質(zhì)譜成像和熒光成像結(jié)合的多模態(tài)成像技術(shù)是近年來研究的熱點(diǎn)，可在分子水平準(zhǔn)確定位腫瘤組織及藥物在組織中的分布，助力研究人員設(shè)計(jì)探針來動態(tài)示蹤抗癌藥物的作用機(jī)制。近日，分析測試百科網(wǎng)采訪了中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所師彥平研究員，他分享了團(tuán)隊(duì)面向人民生命健康，在新藥研發(fā)、疾病診斷等領(lǐng)域的研究進(jìn)展，對色譜、光譜、質(zhì)譜在科研中發(fā)揮的作用和儀器企業(yè)如何助力創(chuàng)新型科研分享了心得。
師彥平 研究員
癌癥是威脅人類生命健康的重大疾病，藥物治療（化療）是治療癌癥的有效手段之一。為進(jìn)一步提高療效、降低毒副作用，抗癌藥物的定位遞送和準(zhǔn)確釋放成為抗癌藥物研發(fā)的重要內(nèi)容。然而，如何實(shí)時(shí)在線準(zhǔn)確示蹤抗癌藥物的遞送過程、釋藥過程以及生物分布與代謝是迫切需要分析科學(xué)解決的難點(diǎn)和核心問題。
師彥平團(tuán)隊(duì)利用熒光成像和質(zhì)譜成像相結(jié)合的多模式成像分析技術(shù)，成功實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)準(zhǔn)確示蹤靶向結(jié)直腸的新型前藥定位遞送、釋放、分布與代謝的全過程， 相關(guān)成果發(fā)表在Analytical Chemistry（2020, 92: 9039-9047;2021, 93: 15080-15087）期刊上，獲中國發(fā)明授權(quán)（ZL 201910659179.4）1件。
利用多模態(tài)成像分析技術(shù)實(shí)現(xiàn)靶向結(jié)直腸的新型前藥的實(shí)時(shí)準(zhǔn)確示蹤
CLSM激光共聚焦顯微鏡，F(xiàn)L熒光成像，IMS質(zhì)譜成像
研究人員創(chuàng)新性地設(shè)計(jì)合成了一種新型的偶氮基前藥AP-N=N-Cy，該偶氮基前藥由前體藥物分子（AP）通過多功能的偶氮苯基團(tuán)與近紅外熒光團(tuán)（Cy）相連接而成。研究結(jié)果表明，該偶氮基前藥不僅可作為對偶氮還原酶響應(yīng)的近紅外探針以實(shí)時(shí)示蹤藥物遞送過程，而且還可作為抗癌藥物分子（AdP）的遞送平臺。在偶氮還原酶存在的情況下，AP-N=N-Cy中的多功能偶氮苯基會發(fā)生斷裂進(jìn)而釋放AdP和Cy，其偶氮苯基團(tuán)充當(dāng)了開啟Cy熒光的開關(guān)，它的引入使得該偶氮基前藥具有了獨(dú)特的熒光開關(guān)特性?；谂嫉€原酶會特異性地在結(jié)腸中分泌，該偶氮基前藥實(shí)現(xiàn)了在結(jié)腸中特異性的定位遞送與靶向釋放。
該偶氮基前藥可以口服，并且在到達(dá)結(jié)腸前具有高穩(wěn)定性和低毒性。鑒于抗癌藥物分子釋放與熒光開啟過程的同步性，可利用熒光成像方法對抗癌藥物分子在體外、離體和體內(nèi)的遞送進(jìn)行準(zhǔn)確示蹤，并利用質(zhì)譜成像在分子水平上對AdP和Cy在不同組織中的生物分布進(jìn)行準(zhǔn)確分析。這是首次通過多模式成像方法在體內(nèi)對結(jié)腸特異性的藥物釋放和生物分布進(jìn)行實(shí)時(shí)的準(zhǔn)確示蹤。
手術(shù)治療（外科治療）也是癌癥常見和有效的治療手段之一。癌癥部位的準(zhǔn)確成像能夠保障腫瘤組織的完全切除和健康組織的不必要切除，不僅是癌癥臨床診斷的重要手段，也是腫瘤手術(shù)治療的“導(dǎo)航”。然而，如何實(shí)現(xiàn)腫瘤病變組織和正常組織的準(zhǔn)確成像辨識是分析科學(xué)的難點(diǎn)和核心問題。
師彥平團(tuán)隊(duì)利用腫瘤缺氧和高濃度谷胱甘肽的微環(huán)境特征，采用非共價(jià)的構(gòu)筑理念，創(chuàng)新性地設(shè)計(jì)制備了一種“雙鎖”近紅外熒光探針CF3C4A-CySS。該CF3C4A-CySS探針僅僅在腫瘤微環(huán)境中缺氧和高濃度谷胱甘肽的共同作用下被激活，開啟近紅外熒光信號。研究人員在細(xì)胞和荷瘤小鼠等體內(nèi)外實(shí)驗(yàn)中驗(yàn)證了“雙鎖”探針CF3C4A-CySS的特異性成像性能。此外，研究人員還利用質(zhì)譜成像技術(shù)，在分子水平上進(jìn)一步確證CF3C4A-CySS探針在腫瘤部位定位激活的特性。結(jié)果表明，設(shè)計(jì)制備的“雙鎖”近紅外熒光探針CF3C4A-CySS能同時(shí)響應(yīng)腫瘤缺氧和谷胱甘肽兩種刺激，高選擇性地探針腫瘤細(xì)胞和腫瘤組織，為準(zhǔn)確的腫瘤成像和腫瘤診斷提供了技術(shù)手段。
雙鎖定近紅外熒光探針在腫瘤微環(huán)境下激活示意圖
該研究工作以“Noncovalent Dual-Locked Near-Infrared Fluorescent Probe for Precise Imaging of Tumor via Hypoxia/Glutathione Activation”為題發(fā)表在Analytical Chemistry (2022, 94: 6574-6581)
歸國20多年來，師彥平研究員開展了多項(xiàng)科研工作，涉及天然藥物、藥食安全、疾病早期診斷等，獲甘肅省自然科學(xué)獎5項(xiàng)，發(fā)表SCI收錄論文300余篇
“做好科研，要有好工具，科學(xué)儀器對科研貢獻(xiàn)巨大。”師彥平老師常給學(xué)生們講。臺秤使用得再準(zhǔn)確，比不上天平的精度，天平使用得再準(zhǔn)確，比不上質(zhì)譜的精度。師彥平研究員說，“我最早的研究方向是天然藥化，其中最主要的任務(wù)是天然產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)鑒定。”2001年回國后，師彥平研究員使用研究所已配置的島津紫外儀，進(jìn)行有機(jī)化合物的結(jié)構(gòu)鑒定。他在開展藥食安全研究工作后，團(tuán)隊(duì)添置了島津的液相色譜儀，對藥食復(fù)雜樣品進(jìn)行分離分析和定性定量檢測，通過與標(biāo)準(zhǔn)品對照來確定化合物種類。2019年團(tuán)隊(duì)添置了島津的成像質(zhì)譜顯微鏡，用于研究天然藥物代謝物的空間分布和藥物分子的靶向釋放過程等科研工作。
回顧與島津20多年的合作，師彥平研究員表示，首先，島津的科學(xué)儀器非常全面且歷史悠久，比如紫外、原子吸收、氣相、液相，質(zhì)譜亦有50年歷史，這種綜合性的優(yōu)勢有利于不同領(lǐng)域和學(xué)科的科研人員開展工作。
島津質(zhì)譜成像顯微鏡（iMScope TRIO）儀器圖
第二，島津提供了好的貼心的服務(wù)。師彥平研究員以質(zhì)譜成像顯微鏡為例，分享了島津“打動”自己的幾件事。
2021年伊始，質(zhì)譜成像儀器開機(jī)后運(yùn)行不穩(wěn)定，當(dāng)時(shí)疫情嚴(yán)重，“可能維修工程師很容易找個(gè)借口，就可以不來了。但接到電話后工程師立即辦手續(xù)、測核酸，盡快趕到了實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行調(diào)試，使儀器正常運(yùn)行。”師彥平研究員說，“當(dāng)時(shí)疫情蔓延，島津的工程師讓我們很感動。”
質(zhì)譜成像儀運(yùn)轉(zhuǎn)1年多后，定標(biāo)用的真空規(guī)出現(xiàn)問題，為了使儀器恢復(fù)正常狀態(tài)，島津及時(shí)免費(fèi)更換了新部件。
“儀器運(yùn)轉(zhuǎn)期間伴隨者疫情蔓延，島津團(tuán)隊(duì)在線提供了很多支持。如果服務(wù)不到位，1年半載就拖過去了。”師彥平研究員說，“正因?yàn)閮x器一直很好地運(yùn)轉(zhuǎn)，有力地支撐團(tuán)隊(duì)每天的分析任務(wù)，因此我們近兩年完成了很多重要的科研工作。”
質(zhì)譜成像作為新興技術(shù)，師彥平團(tuán)隊(duì)在研究過程中邊學(xué)邊用。團(tuán)隊(duì)一開始使用儀器遇到很多瓶頸，發(fā)表論文的過程中有很多針對儀器的疑問，島津的工程師耐心地幫助解決問題。正是這些好的貼心的服務(wù)，保證了研究人員科研工作的順利開展。
第三，島津儀器在科研工作中發(fā)揮了重要作用，提供了有效解決方案。
島津推出的質(zhì)譜成像顯微鏡等儀器具有前沿創(chuàng)新性，為科研人員提供了平臺。質(zhì)譜成像（MSI）作為一種免標(biāo)記的分子成像技術(shù)，可直接獲取藥物及其代謝物以及脂質(zhì)、多肽、蛋白質(zhì)等內(nèi)源性代謝物在組織中的分子信息和空間分布信息，在生物、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景。師彥平團(tuán)隊(duì)在2019年采購了島津的質(zhì)譜成像顯微鏡，這是西北五省第一臺質(zhì)譜成像儀，可覆蓋西北五省的科研工作。團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)用成像質(zhì)譜開展了大米、枸杞等國家自然科學(xué)基金委項(xiàng)目，研究了內(nèi)源性代謝物定位及其空間分布等研究工作，取得了一系列成果（發(fā)表論文Food Chemistry, 2023, 398: 133911；Journal of Chromatography A, 2021, 1651: 462302；Talanta, 2021, 234: 122687）。島津的紫外、液相色譜等儀器設(shè)備在西部特色中藏藥的化學(xué)成分研究、天然產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)鑒定中發(fā)揮了重要作用。師彥平研究員說，課題組對中草藥中活性成分結(jié)構(gòu)鑒定，島津的制備液相色譜發(fā)揮了重要作用，制備出宏量的高純度化合物，更利于結(jié)構(gòu)鑒定和活性篩選。而傳統(tǒng)的常壓開口柱色譜方法獲得的化合物樣品純度低，結(jié)構(gòu)鑒定受到干擾。
第四，島津長期致力于促進(jìn)行業(yè)交流，大力支持全國的色譜會議。島津通過儀器的研發(fā)、制造，為研究人員提供好的的科學(xué)工具。
師彥平團(tuán)隊(duì)面向人民生命健康，多年來在藥食安全、新藥研發(fā)、疾病診療方面攻克了一個(gè)又一個(gè)難題。“科研工作不是純粹想出來的，大部分人不是愛因斯坦、霍金這種天才人物，科研探索要依靠不斷的實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證，通過驗(yàn)證找出規(guī)律并固化為科學(xué)。”展望未來同島津的合作時(shí)，師彥平研究員表示，“科學(xué)儀器在科學(xué)研究的全過程中發(fā)揮著巨大的作用。只要島津百年老店一直在發(fā)展，我們必將展開更多更廣的合作。”
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