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(lái)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(lái)動(dòng)態(tài)示蹤抗癌藥物的作用機(jī)制。近日，分析測(cè)試百科網(wǎng)采訪了中國(guó)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(duì)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(guò)程、釋藥過(guò)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(wèn)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(guò)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(guó)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(guò)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(duì)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(guò)程，而且還可作為抗癌藥物分子（AdP）的遞送平臺(tái)。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(huì)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(kāi)啟Cy熒光的開(kāi)關(guān)，它的引入使得該偶氮基前藥具有了獨(dú)特的熒光開(kāi)關(guān)特性?；谂嫉€原酶會(huì)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(kāi)啟過(guò)程的同步性，可利用熒光成像方法對(duì)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(duì)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(guò)多模式成像方法在體內(nèi)對(duì)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(jiàn)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(shí)是分析科學(xué)的難點(diǎn)和核心問(wèn)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(kāi)啟近紅外熒光信號(hào)。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(guó)20多年來(lái)，師彥平研究員開(kāi)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(jiǎng)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(duì)科研貢獻(xiàn)巨大。”師彥平老師常給學(xué)生們講。臺(tái)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(shuō)，“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(guó)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(kāi)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(duì)藥食復(fù)雜樣品進(jìn)行分離分析和定性定量檢測(cè)，通過(guò)與標(biāo)準(zhǔn)品對(duì)照來(lái)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(guò)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(shì)有利于不同領(lǐng)域和學(xué)科的科研人員開(kāi)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(dòng)”自己的幾件事。
2021年伊始，質(zhì)譜成像儀器開(kāi)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(lái)了。但接到電話后工程師立即辦手續(xù)、測(cè)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(shuō)，“當(dāng)時(shí)疫情蔓延，島津的工程師讓我們很感動(dòng)。”
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(wèn)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(guò)去了。”師彥平研究員說(shuō)，“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(guò)程中邊學(xué)邊用。團(tuán)隊(duì)一開(kāi)始使用儀器遇到很多瓶頸，發(fā)表論文的過(guò)程中有很多針對(duì)儀器的疑問(wèn)，島津的工程師耐心地幫助解決問(wèn)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(kāi)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(tái)。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(gòu)了島津的質(zhì)譜成像顯微鏡，這是西北五省第一臺(tái)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(kāi)展了大米、枸杞等國(guó)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(shuō)，課題組對(duì)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(kāi)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(zhǎng)期致力于促進(jìn)行業(yè)交流，大力支持全國(guó)的色譜會(huì)議。島津通過(guò)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(lái)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(lái)的，大部分人不是愛(ài)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(lái)驗(yàn)證，通過(guò)驗(yàn)證找出規(guī)律并固化為科學(xué)。”展望未來(lái)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(guò)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(kāi)更多更廣的合作。”
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