布魯克總裁專訪：科學大咖靈感加磅timsTOF創新廣泛開花

　　分析測試百科網訊 東方人的思維更偏向于實用主義，比如大家常認為創新來自于應用驅動；世界上還有一種創新首先來自于技術或理論的突破，然后再去尋找應用的方向，布魯克的timsTOF便是后者。2016年發布Trapped Ion Mobility捕集離子淌度質譜后，引起了組學和臨床領域科學大咖們的廣泛興趣，這幾年的應用和隨后爆發的各種硬軟件創新層出不窮。今年受疫情影響，ASMS改為線上召開，布魯克圍繞timsTOF發布了一系列產品。不僅如此，布魯克及其合作科學家在大會上共做了97個報告，包含9個口頭報告和88個poster報告，其中來自合作科學家的口頭報告有8個，共計54個合作者。與往年相比，布魯克在ASMS 2020大會的報告數量顯著增加。

　　在ASMS召開期間，分析測試百科網也連線采訪了布魯克生命科學質譜的副總裁Rohan A. Thakur博士，他將為我們詳解布魯克timsTOF系列新品的特點以及未來廣闊的應用前景。

布魯克生命科學質譜副總裁Rohan A. Thakur博士

新產品

　　MALDI-2后電離離子源

　　2020年ASMS布魯克發布的最重頭產品是MALDI后電離離子源MALDI-2。眾所周知，近20年質譜唯一獲得諾貝爾獎項的是2002年的離子源獎項，得主是ESI和MALDI。Rohan表示：MALDI-2是繼2002年后MALDI在基礎理論上創新后的第一個商品化產品。

　　2015年，Muenster（明斯特）大學的Klaus Dreisewerd課題組在《Science》上發表了Post Ionization的MALDI技術，課題組使用第二束激光來激發MALDI一次激發出的離子流，同時配合冷卻氣（2.0-2.5 mbar），并且距離樣本約5 mm左右，實現了MALDI后的二次離子化。2020年，布魯克首先實現并完成了這項技術商品化，推出MALDI-2離子源。這種離子源的好處是：大幅提升小分子化合物的靈敏度，高達1-3個數量級，甚至有些在原有MALDI中沒有信號的小分子（如雌二醇estradiol、犬尿氨酸kynurenine）也能穩定地獲得信號。

MALDI-2原理：在MALDI源后應用第二束激光激發中性分子電離

使用MALDI-2后，小分子化合物的靈敏度得到數量級的提高

　　MALDI-2離子源研究先驅、德國明斯特大學（University of Muenster）生物醫學質譜學術帶頭人Klaus Dreisewerd教授表示：“在過去的35年中，MALDI已成為適用于多種應用、獨特而快速的分析工具。現在我們開發的MALDI-2離子源，可以顯著擴展MALDI的應用領域，例如為小分子分析提供更高的靈敏度，以及讓那些無法在傳統MALDI離子源離子化的分子產生信號。因此，配備了MALDI-2離子源的timsTOF fleX將把MALDI分析帶到新的科學研究和分析領域中。”布魯克全球質譜成像總監Michael Easterling博士補充說到：“隨著MALDI成像和SpatialOMx在藥物開發中針對用于組織模型分析價值的不斷增長，驅使人們追求更高的靈敏度與多功能性。憑借其顯著提高的靈敏度與可涉及化合物類型的增加，MALDI-2離子源現在可以進一步增強基于質譜的非靶向組織分析。”布魯克現在還為其MetaboScape?代謝組學軟件提供MALDI-2化合物譜圖庫。MetaboScape軟件在SCiLS? Lab MALDI成像軟件內可提供分析物自動注釋功能，包括直接在組織圖像中對許多代謝物、聚糖和脂質進行可靠注釋的CCS算法。

在timsTOF fleX上運用MALDI-2后，大幅提升按照CCS淌度分離的化合物的信號和成像質量

　　prm-PASEF?用于定量4D-蛋白質組學

　　2019年發布的dia-PASEF?主要用于快速、大規模的定性，新發布的prm-PASEF?主要用于定量。在布魯克的革命性timsTOF? Pro平臺上，通過將PASEF?與平行反應監測（PRM）相結合，使其非標記定量（label-free）蛋白質組學性能得到了進一步提升。這種獨特的prm-PASEF?利用了TIMS的第4維分離與PASEF的高速掃描優勢，提高了多肽離子的選擇性和靈敏度，增加了靶標離子的數目。布魯克與Skyline團隊緊密合作進行prm-PASEF?方法開發，現在Skyline軟件已經可以分析prm-PASEF?數據并生成定量分析報告。

prm-PASEF?定量分析：保留時間為59.45min，運用四極桿選擇母離子，質譜分辨率>40,000，仍存在干擾，而選擇離子淌度窗口后會消除干擾，提升定量的準確度。

基質為100ng人細胞系酶解物，同時對213個目標物進行定量分析，30分鐘梯度獲得的該肽段定量結果，濃度范圍覆蓋5 amol-50 fmol

　　來自盧森堡健康研究所的Gunnar Dittmar教授和Antoin Lesur教授共同參與了prm-PASEF?的開發，他們評論：“我們對timsTOF Pro上使用prm-PASEF?分析的早期結果印象非常深刻，與在其它平臺上已經開發多年的PRM方法相比，prm-PASEF?的靈敏度和速度已經非常具有競爭力了。”

　　哈佛醫學院達納·法伯癌癥研究所、布里格姆女子醫院副教授Jarrod Marto博士補充道：“自從開始與布魯克團隊合作開發prm-PASEF?以來，我們取得了巨大的進展。timsTOF Pro超快的采集速度與離子淌度信息的獨特結合，使我們能夠在臨床大隊列研究中能可靠地定量分析潛在的候選生物標記物。此外，利用prm-PASEF LIVE實時調整采集參數功能可進一步提高離子利用率和分析通量。”

　　Yates Lab開發‘Run & Done’實時搜索引擎用于高通量4D-蛋白質組學

　　布魯克正式宣布可以使用proteomic pipeline（IP2）引擎，該引擎是一款基于GPU計算，并集成了加州斯克里普斯（Scripps）研究所John Yates教授研發的ProLuCID數據庫搜索工具。這個GPU計算的獨特的IP2軟件由Robin Park博士開發，它允許使用者在數據采集期間實時搜索timsTOF Pro的 4D數據，數據采集完成即可得到搜庫結果。

　　John Yates III 教授和Robin Park博士表示：“計算技術的進步、質譜靈敏度的提升和掃描速度的共同發展，使人們能夠獲得更準確、更大規模的數據分析方法，讓更多生物學問題有了答案。基于GPU設計的搜索引擎能同時執行大量多線程并行計算，從而極速縮短搜索時間，并通過將搜庫結果反饋到數據采集軟件，指導質譜數據采集。非常高興我們能與布魯克合作，這個引擎能更好的利用timsTOF Pro進行科學研究。”

　　Rohan Thakur博士補充說：“IP2/GPU解決方案提供了一個軟件基礎架構，讓第三方軟件可以通過“插件應用”形式使用，并能利用高性能服務器或云計算來處理數據。我們的戰略是致力于開放數據文件格式，以促進應用生態驅動的軟件開發，包括我們第三方合作伙伴可以通過API訪問的形式從timsTOF Pro用戶生態中獲利。”

　　其它更多的創新，還包括：Matthias Mann教授團隊發表的大規模、高精度CCS測定用于深度學習，短梯度dia-PASEF和MOMA增強4D-蛋白組學性能等，詳情請見：

　　請見：布魯克亮相 ASMS 2020 引領 MALDI 和 4D-蛋白質組學技術發展

　　或查看英文發布會視頻：2020布魯克MALDI和4D-蛋白質組學新技術研討會

誰會愛上timsTOF fleX？

　　去年發布的timsTOF fleX，首次推出空間定位組學、4D組學等創新性的概念和應用，談到timsTOF fleX的用戶群，Rohan博士表示：timsTOF fleX的創新點是：可直接進行組織分析、雙向電泳板上的分析、體液細胞（如血漿、尿液）等分析。而布魯克是唯一一家能夠提供組織分析、細胞分析、血漿分析的公司。

　　由于timsTOF fleX在MALDI和ESI源電離下都可以使用離子淌度，所有的上述分析都同CCS（離子淌度碰撞截面）值聯系起來，因此它面對的主要用戶群是從事臨床醫學研究的醫院，以及任何研究癌癥和腫瘤的科研人員，比如醫院里的研究者和中藥、制藥公司等各種從事前沿的癌癥、腫瘤研究的人員。人們只需購買timsTOF fleX，就可以同時做MALDI和ESI，在購置成本、數據一致性、使用方便性等方面，timsTOF fleX都極具競爭力。

　　在新的研究領域中，如研究組織中的小分子代謝物，人們想知道細胞是如何相互交流的，這時可以研究其代謝物，配置MALDI-2的timsTOF fleX大幅提升了化合物測試和靈敏度。研究者可以開始在組織中研究小分子，做交叉的有意義的實驗，觀察脂質是如何變化的，聚糖是如何變化的，小分子代謝物又是如何變化的；然后取一些細胞，看看蛋白質組學是如何變化的，脂質組學是如何變化的。

　　Rohan表示：“我們的很多客戶都在運營研究型實驗室，timsTOF fleX有很多早期的用戶，研究范圍都涉及制藥，美國和世界其它地區的頂尖大學里都能看到這樣的研究。我們在北京的Demo Lab中已安裝timsTOF fleX，吸引了許多感興趣的用戶。在中國，除了檢驗科，timsTOF fleX將在病理科、放射科的研究中發揮重要作用。歐洲和美國在該領域從事癌癥研究的研究者們已經接受并喜歡上了timsTOF fleX，我相信中國很快也將能更好的利用該技術來助力研究。

　　ACS最新一期《Journal of proteome research》的封面上，展示了來自MALDI timsTOF fleX研究肝癌的MALDI成像圖片。市場對timsTOF fleX的反饋非常好，布魯克也積累了許多組織成像在癌癥研究中的應用。”

多組學取得的成果

　　自從推出timsTOF后，中國已安裝了近40套系統，大部分用于組學研究。如北京大學醫學部精準醫療多組學研究中心、杭州景杰生物等。

　　Rohan表示：布魯克timsTOF做出的最大貢獻就是讓蛋白質組學的轉化成為現實。由于timsTOF Pro具有出色的穩定性，人們現在可以在timsTOF Pro上運行大隊列樣本，而無需頻繁地清洗儀器；人們對運行大隊列樣本的信心顯著提高。比如，牛津大學開展了一項非常大的研究，每天運行100個血漿蛋白質組學樣本；而在timsTOF Pro發布之前，蛋白質組學每天的樣本量從未超過10或15個。現在，人們每天做50個樣本、100個樣本。PASEF的存在讓梯度更短、靈敏度更高。布魯克為蛋白質組學的科研群體提供了強大的工具，創造了想象的空間。”

牛津大學的Roman Fischer博士用TimsTOF Pro和Evosep LC，每天運行100個未去高峰度蛋白（Non-depleted）的血漿樣本，連續運行了2600個樣本，證實了TimsTOF Pro的高通量和穩健性，使轉化蛋白質組學變為現實

空間定位組學在醫學研究、臨床診斷方面取得的成果

　　自去年在timsTOF fleX上推出空間定位組學（SpatialOMx）的概念后，在組織上開展蛋白質組學研究的大門正式打開。Rohan表示，當你觀察組織，做組織成像時，空間定位組學是非常重要的，它能讓你更好地區分觀察細胞，并用LCM（激光顯微切割技術）來切割取樣。

　　現在你不再需要看10000個細胞了，只需看10個。因為你可以得到系統提升的靈敏度，你可以看到腫瘤區域的細胞如何表現，腫瘤旁的細胞如何表現，遠離腫瘤的細胞如何表現，所有的細胞都在對話（talking）。這就像GPS地圖一樣，可以了解腫瘤細胞、即將成為腫瘤細胞的細胞和遠離腫瘤的細胞之間的區別。通過研究上述區別，研究者們就可能揭開為何腫瘤會擴散、如何擴散的秘密。

　　如果你研究轉錄組（Transcriptome），同樣需要用到空間定位組，你想知道細胞中的遺傳變化，想知道細胞中蛋白質組的變化。現在你只需要10-15個細胞，用timsTOF fleX系統高通量、穩定地多次運行。而如果使用大量的細胞（比如10000個），就會得到所有這些細胞的平均值，有時你就會丟失來自15到20個細胞的低水平信號。現在你只需要10個細胞、多次實驗，空間定位組學和timsTOF fleX就能提供更多的信息。

Maastricht大學的Ron Heeren教授用timsTOF fleX精確區分乳腺癌組織，進行MALDI導向下的ROI（靶向興趣區域）LCM取樣，然后再進行深度的LC-MS/MS分析

　　相比于其它公司的離子淌度質譜技術，Rohan強調說：timsTOF最大的優勢之一，就是具有非常精確、一致的CCS值。中國、澳大利亞、德國和美國使用timsTOF的研究人員，對于一個肽能給出準確CCS值。因此布魯克是首個提出完整的CCS預測模型的企業。另外，timsTOF非常重要的是第一個字母T，它是獨一無二的被捕集的離子淌度：捕獲離子，再慢慢釋放它們，可以精確測量CCS值，這就是蛋白質組學領域快速接受timsTOF的原因。“一切正常時你看到很強的信號，當S/N變得很差時，就需要額外方法來識別肽或脂質。有效使用collision cross section（CCS）碰撞截面值的關鍵是非常精準的測量。這是timsTOF和其它離子淌度技術的本質不同。

　　最近,德國馬普生化研究所Matthias Mann教授團隊在bioRxiv上在線發表了題為《Deep learning the collisional cross sections of the peptide universe from a million training samples》（2020.05.19.102285； doi: https://doi.org/10.1101/2020.05.19.102285）的論文，研究中，他們在timsTOF Pro分析了來源于5種生物，并經過預分級的蛋白酶解物，一共采集360針樣本得到數百萬個CCS值用于深度學習模型建立，從而進行大規模多肽CCS值的預測。Matthias Mann教授說：“氣相中多肽離子的大小和形狀對于基于質譜的蛋白質組學來說是一個未充分開發的維度，現在人們可以預測來源于不同生物體的任何肽段的CCS值，從而充分利用離子淌度這一附加信息，為高級蛋白質組學工作流程奠定基礎。”

　　“布魯克開啟了一個全新的4D蛋白質組學時代，即碰撞截面、保留時間、母離子質量和離子強度。這4個維度代表了4D蛋白質組學，這是TIMS技術的真正優勢。”Rohan總結說。

MALDI技術的未來：助力人類攻克癌癥難題

　　MALDI-TOF類微生物質譜近來在臨床檢驗領域熱度很高，很多國產企業也都推出了MALDI-TOF，但目前還很難見顯著成效。大家也許有些困惑。Rohan表示：微生物MALDI-TOF解決的只是常規問題，很多醫院護士就能使用。

　　布魯克在生命科學上推出的各種基于MALDI的技術，是供研究者使用的，他們正在解決極其困難的問題。他們需要通過技術手段觀察生物學上的變化，從而研究出更好地治療病患的方法。在基因組基礎上，他們需要找到更好的技術，比如用質譜法來代替或自動化基因組測試。想象一下，這種方法就好像你使用一個非常精密的望遠鏡來觀察月球，你會看到所有不同的隕石坑、不同的山；而如果只是用肉眼去看月亮，就只能看到一個大圓盤。

　　因此，我們正在嘗試利用我們的MALDI和質譜技術，幫助那些正在研究肺癌、肝癌、乳腺癌等重大癌癥問題的科學家來解決他們的一些問題，這是一種非常特殊的應用。人類攻克癌癥是未來最重要的課題，布魯克已經提供了一些非常尖端的技術，希望能幫助到更多使用的人。

timsTOF在中國

　　談到中國市場，Rohan表示：中國是世界上一個非常重要的國家，不管是蛋白質組學、代謝組學、脂質組學等各種多組學領域，還是基礎研究、生物制藥、腫瘤學研究等，中國的許多科學研究者都對尖端技術提出了要求。目前，我們看到的是中國在組織研究方面正在積極的尋找突破，可以很快通過預前診斷的工具快速趕上。布魯克在中國已建立timsTOF演示實驗室，希望開始將組織分析和體液、血漿等分析聯系起來，預期中國頂尖的研究院所和研究型醫院將大量采用。

　　在中國，很多醫生都有科研的任務，具體體現為發表文章。談到如何更好地支持醫生團隊，Rohan表示：人們需要新型技術來幫助學習，比如在西方，頂尖的研究者有很多合作伙伴，如制藥公司、CRO實驗室、和醫院會一起工作。

　　真正的問題來自于疑難病患和對其進行診治的醫院。一線的醫生觀察到新的問題，需要與多個學科合作來嘗試和理解，只有搞清楚疾病的根本問題，才有可能治愈它。比如今天COVID-19的爆發，我們需要迅速地了解這種新疾病，看看它如何影響不同的人，最后才可能找到合適的治療方法。

　　Rohan表示，在中國，我們需要同病理科和和放射科建立更多的聯系。想象一下，病人進門來，醫生判斷他得了腫瘤。醫生把腫瘤送去分析，腫瘤病理學醫生說：“嘿，我以前從沒見過這個，我需要研究者的幫助。”他就會去醫院的研究室說：“嘿，伙計們，你們能把這個放在timsTOF fleX下看看，幫我們分析一下么？”所以儀器的工具價值在研究中得到了體現。對腫瘤患者來說，延遲一天都是個問題，因為腫瘤每天都在擴散。中國發展很快，但目前的狀態是大學里使用了這些前沿工具，中國的病理學研究者還沒有開始使用。很多病理學家和放射科醫生都在使用機器學習和人工智能來幫助他們處理這么多的數據，timsTOF fleX和MALDI可以一起幫助他們，生成更多的信息，提供更好的治療決策依據。

　　Rohan最后表示：在中國，我們已看到質譜成像的發展，看到了蛋白質組學的發展。我們希望布魯克的增長速度能超過中國市場的平均增長速度。有一些非常優秀的年輕科學家已加入布魯克中國團隊，將為蛋白質組學、質譜成像的客戶提供更好的服務，我們對布魯克中國的發展前景非常樂觀。