元素编码的肿瘤细胞、致病细菌和病毒的元素质谱分析方法学

The development of diseased tissues stems from proliferation of pathological units such as tumor cells, pathogenic bacteria and/or viruses, regardless of carcinoma, bacteria- and/or virus-induced infectious diseases. In comparison to molecular biomarkers, such pathological units are the more straightforward disease-markers. The present project will develop element-coded labeling strategies to target and count pathological units through a lanthanide (Ln)-coded elemental mass spectrometric (EMS) quantification approach. Because of the detectable signal comes from the tagged-element, in addition to the significantly improved determination stability, the tagged-Ln elements have characteristic isotopic distribution, providing “bar-code” identification information; meanwhile, their strong EMS signals also empower ultrasensitive quantification of the pathological units (at the level of 10 units). Based on the biological features of such pathological units, we will design and assemble target-labeling Ln-coded tags, develop activity-inhibiting, metabolism-based and host cell-mediated metabolic Ln-coded tagging methodologies to improve their resolving capabilities. In the five years research forward, we expect the strategy will provide innovative accurate diagnosis for major severe diseases, and we will further mine the potential and usability of hard-ionization based EMS as a diagnostic tool.

不论是癌症还是因细菌/病毒引起的各种传染性疾病，病变组织的形成都是由癌变细胞或致病细菌/病毒的繁衍开始的。相比于生物标志分子，这些病变/致病单元是更为客观的疾病标志物。本课题针对病变/致病单元开展元素编码靶向捕获标记策略的研究，以期建立镧系元素（Ln）编码的病变/致病单元的元素质谱（EMS）定量计数方法。Ln编码标记，检测信号来自所标记的元素。这不但使检测的稳定性得到根本性的改善，而且所标记的Ln具有特征的同位素分布，提供了“条码”定性信息，其极强的EMS信号又为超灵敏（10个病变/致病单元水平）定量计数奠定了基础。针对这些病变/致病单元各自的生物学特征，我们设计组装Ln编码的靶向捕获标签分子，开展基于活性抑制、生物代谢和宿主细胞介导代谢的Ln编码标记方法学研究，提高方法的分辨本领。希望通过5年系统地研究，为重大疾病的诊断提供新的准确检测方法，挖掘硬电离源元素质谱在医学诊断中的应用潜力。

虽然通过对“生物标志物分子”的检测可以初步判断是否“健康”，但是因生命个体间的差异，单一“生物标志分子”的检测结果对疾病诊断是否准确常常带来很大的不确定性。病变组织的形成是由病变细胞或致病细菌或病毒等病变/致病单元的繁衍开始的，这些病变/致病单元集成了多种“生物标志分子”，是更为客观的疾病诊断“标志物”。在国家自然科学基金重点项目“元素编码的肿瘤细胞、致病细菌和病毒的元素质谱分析方法学”（ 21535007）支持下，我们开展了针对病变细胞、致病细菌和病毒检测的元素编码-电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）分析方法学研究，设计构建了相关元素编码标签工具箱，并建立了ICP-MS单细胞分析平台。具体地，针对不同种类和数量的病变/致病单元，设计制备了（1）具有不同靶向特性的元素配合物和具有质谱信号倍增能力的纳米元素编码标签，丰富了元素编码标签工具箱，突破了ICP-MS的检测灵敏度瓶颈，检测限低至zmol水平；以病变/致病单元在其表面所表达的特殊生物分子为靶点，发展了（2）基于生物分子活性抑制原理的元素编码标记和酶介导的选择性释放策略，以及利用病变/致病单元自身的蛋白质代谢机器将含有生物正交点击反应基团的非天然氨基酸或单糖代谢组装到他们表面的蛋白质分子和糖基化糖链中，实现了元素标签的生物正交点击编码标记；为了实现单细胞分析的目的，我们研制了（3）可调控细胞间时间间隔的“无油”细胞列队在线“全耗”注入质谱进样装置，并与ICP-MS偶联，建立了ICP-MS单细胞分析平台。我们从元素标签工具箱的设计构建、元素编码方法学的发展到ICP-MS单细胞分析平台的建立之系统性基础研究工作，不仅推动了基于ICP-MS生物分析基础研究的更深入开展，而且为疾病的早期诊断提供了新方法和新技术以及可选择的新方案。在元素质谱生物分析基础研究领域，带动元素质谱生物分析不断向前发展，发挥了重点项目应有的引领作用。