質譜成像：腫瘤和藥物研究的火眼金睛

質譜成像和熒光成像結合的多模態成像是近年來研究的熱點，可在分子水平精準表征腫瘤組織及藥物在組織中的分布，并助力研究者設計探針來動態示蹤抗癌藥物的作用機制。近日，分析測試百科網采訪了中國科學院蘭州化學物理研究所師彥平研究員，他分享了團隊面向國家重大需求，在新藥研發、疾病診斷等領域的研究進展，并對色譜、光譜、質譜在科研中發揮的作用，儀器企業如何助力創新型科研分享了心得。

中國科學院蘭州化學物理研究所研究員師彥平

　　精準示蹤定向結直腸癌新型前藥作用機制

　　癌癥是威脅人類生命與健康的重大疾病，藥物治療（化療）是治療癌癥的有效手段之一。為進一步提高療效、降低毒副作用，抗癌藥物的定位遞送和精確釋放成為抗癌藥物研發的重要內容。然而，如何實時在線精準示蹤抗癌藥物的遞送過程、靶向釋藥過程以及生物分布與代謝是迫切需要分析科學解決的難點和核心問題。

　　師彥平團隊利用熒光成像和質譜成像相結合的多模式成像分析技術成功實現了實時精準示蹤定向結直腸的新型前藥定位遞送、釋放、分布與代謝的全過程， 相關成果發表在Analytical Chemistry（2020, 92: 9039-9047；2021,93: 15080-15087）期刊上，獲中國發明ZL授權（ZL 201910659179.4）1項。

利用多模態成像分析技術實現定向結直腸的新型前藥的實時精準示蹤

CLSM激光共聚焦顯微鏡，FL熒光成像，IMS質譜成像

　　研究人員創新性地設計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與近紅外熒光團（Cy）相連接而成。研究結果表明：該偶氮基前藥不僅可作為對偶氮還原酶響應的近紅外探針以實時示蹤藥物遞送過程，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生斷裂進而釋放AdP和Cy，其偶氮苯基團充當了開啟Cy熒光的開關，它的引入使得該偶氮基前藥具有了獨特的熒光開-關特性。基于偶氮還原酶會特異性地在結腸中分泌，該偶氮基前藥實現了在結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，并且在到達結腸前具有高穩定性和低毒性。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、離體和體內的遞送進行精確示蹤，并利用質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行精確分析。這是首次通過多模式成像方法在體內對結腸特異性的藥物釋放和生物分布進行實時的精準示蹤。

　　精準腫瘤成像 助力手術治療

　　手術治療（外科治療）是癌癥常見和有效的治療手段之一。癌癥部位的精準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，也是腫瘤手術治療的“導航”。然而，如何實現腫瘤病變組織和正常組織的精準成像辨識是分析科學的難點和核心問題。

　　師彥平團隊利用腫瘤缺氧和高濃度谷胱甘肽的微環境特征，采用非共價的構筑理念，創新性地設計制備了一種“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。研究人員在細胞和荷瘤小鼠等體內外實驗中驗證了“雙鎖”探針CF3C4A-CySS的特異性成像性能。此外，研究人員還利用質譜成像技術，在分子水平上進一步確證CF3C4A-CySS探針在腫瘤部位定位激活的特性。結果表明，設計制備的“雙鎖”近紅外熒光探針CF3C4A-CySS能同時響應腫瘤缺氧和谷胱甘肽兩種刺激，高選擇性地探針腫瘤細胞和腫瘤組織，為精準的腫瘤成像和腫瘤診斷提供了技術手段。

雙鎖定近紅外熒光探針在腫瘤微環境下激活示意圖

　　該研究工作以“Noncovalent Dual-Locked Near-Infrared Fluorescent Probe forPrecise Imaging of Tumor via Hypoxia/Glutathione Activation”為題發表在Analytical Chemistry (2022, 94: 6574–6581)上，申請中國發明ZL（CN 202210077888.3）1項。

　　島津——科學研究不可或缺的工具

　　歸國20年來，師彥平開展了多項科研工作，涉及天然藥物、食品安全、治療藥物控釋、疾病早期診斷等；獲得7項甘肅省自然科學獎，400余篇SCI論文，申請ZL80余項、ZL授權30余項。

　　“做好科研，必須要有好工具；科學儀器對科研貢獻巨大。”師彥平常同學生們講：臺秤使用得再精確，沒有天平精確；天平使用得再精確，沒有質譜精確。回顧和島津20年來的合作過程時師彥平說：“我最早的研究方向是天然藥物，其中最主要的任務是結構鑒定。”2001年回國后，師彥平應用研究所已配置的島津紫外，來進行有機化合物的結構鑒定。在開展食品安全研究工作后，團隊添置了島津的液相色譜，對復雜的樣品進行分離分析和定性定量，并通過與其它標準品的對比來確定樣品類型。2019年團隊添置了島津的成像質譜，用于研究藥物釋放過程、進行疾病的早期診斷，并圍繞疫情的發展開展科研工作。

　　回顧同島津的合作師彥平表示：首先，島津的科學儀器非常全面且歷史悠久，比如紫外、原子吸收、氣相、液相，質譜亦有50年歷史。這種綜合性的優勢，有利于不同領域和學科的科研人員開展工作。

　　第二點，島津提供了貼心優質的服務。師彥平以質譜成像為例，分享了“打動”自己的幾件事。

　　2021年伊始，質譜成像運行不太穩定，而當時疫情很嚴重，“可能維修工程師很容易找個借口，就可以不來了。但接到電話后工程師立即辦手續、測核酸，2天內就趕到了實驗室。”師彥平說道，“當時疫情蔓延，島津的工程師讓我們很感動。”

　　質譜成像運轉1年多后，有個定標用的真空規的位置稍有點變化，為了使儀器達到更好的效果，島津很快更換了新部件。

　　“2020年安裝儀器伴隨者疫情的蔓延，島津對團隊提供了很多支持。如果服務稍有不好，1年半載就拖過去了。”師彥平說，“正因為儀器一直很好地運轉，有力地支持團隊每天的分析工作，因此我們近兩年完成了很多工作。”

　　質譜成像作為新興技術，師彥平團隊在研究過程中邊學邊用。團隊一開始遇到很多瓶頸性問題，發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，提供解決方案。島津日本總部也對難題提供了大量支持。正是這些良好貼心的服務，發揮了儀器的作用，保證了研究人員的科研工作。

　　第三點，島津儀器在科研工作中發揮了重要作用，并且提供了解決方案。

　　比如，島津推出的質譜成像等技術具有前沿創新，為科研人員提供了更先進的平臺。質譜成像（MSI）作為一種免標記的分子成像技術，可直接獲取藥物及其代謝物以及脂質、多肽、蛋白質等內源性代謝物在組織中的分子信息和空間分布信息，在生物、醫學等領域展現出良好的應用前景。師彥平團隊在2019年采購了島津的質譜成像，這是西北5省第一臺質譜成像，可覆蓋西北5省的科研工作。團隊應用成像質譜完成大米、枸杞等基金委的聯合項目，開展疾病診療探針和腫瘤成像等研究工作，并取得了一系列成果。

　　科學院的人才引進、國際合作、西部行動等項目中，均要求植物的結構鑒定，島津的紫外、液相色譜等儀器，在項目中發揮了很大作用。師彥平舉例說：課題組曾承擔一項科技部的重點研發支撐項目，和烏茲別克斯坦合作研究，對中草藥進行成分鑒定，島津的制備液相發揮了重要作用，制備出更高量級的高純度成分，更利于結構鑒定；而傳統的方法雜質較多，結構鑒定受到很大干擾。

　　第四點，島津一直致力于促進行業交流，大力支持甘肅和全國的色譜會議。島津通過儀器設備的研發制造，為研究者提供科學工具，銷售儀器后又支持了大量的學術活動，形成了良性循環，促進了研究人員的交流合作。

　　面向國家重大需求 繼續深入合作

　　回國20年來，師彥平團隊面向國家重大需求，在生命健康、疾病診療、新藥研發方面攻克了一個又一個難題。“科研工作不是思考出來的，大部分人不是愛因斯坦、霍金這種天才，科研探索主要依靠實驗來驗證，驗證出規律來才能變成科學。”展望未來同島津的合作時師彥平表示，“儀器在科研的整個過程中發揮巨大的作用。只要島津百年老店一直在發展，我們將來會展開更多的合作。”