劉虎威/白玉課題組在疾病生物标志物的質譜超高靈敏檢測和成像新方法方面取得重要進展

       作為臨床常見的生物标志物和藥物靶标，膜蛋白和聚糖等生物分子參與諸多生命活動過程，其異常表達與疾病的發生發展息息相關。因此，對體液、細胞及組織上膜蛋白和聚糖表達水平的準确、快速檢測及可視成像分析具有重要的科學意義和實用價值。常用的酶聯免疫測定以及基于熒光或電化學的方法雖然能夠滿足檢測靈敏度的要求，但存在譜帶重疊、背景幹擾嚴重、标記探針數量有限而難以實現多目标的同時檢測等缺陷。質譜（MS）具有高質量分辨率的優勢，可以滿足單點多目标同時檢測的需求，但基于MS的蛋白質和聚糖直接檢測也存在離子化效率低、檢測靈敏度有限的問題。可裂解探針技術通過設計特異性的探針識别和标記目标待測物，将對系列目标待測物的檢測轉化為探針上标記的MS報告基團的檢測，通過這一信号放大過程使得檢測靈敏度大大提高。

       基于此，beat365官方网站劉虎威/白玉課題組設計合成了新型羅丹明類MS标簽，并基于此發展了膜蛋白生物标志物的超高靈敏度、高通量、多目标及操作簡便的常壓敞開式質譜（AMS）免疫分析新方法。該方法可實現微升級體液中或對幾十個細胞表面的疾病蛋白标志物的原位檢測，檢測靈敏度達zeptomole（zmol）水平。相關成果以“Ultrasensitive Ambient Mass Spectrometry Immunoassays: Multiplexed Detection of Proteins in Serum and on Cell Surfaces”為題在Journal of American Chemical Society雜志在線發表（DOI: 10.1021/jacs.8b10853）；此外，該課題組針對聚糖的檢測設計了雙功能激光可裂解金納米質譜探針（LCMP），其既能作為聚糖的識别和檢測探針，又可作為激光解吸附的基質，直接實現後續的MS檢測和成像。該探針成功用于腫瘤患者組織表面聚糖的MS成像，有望為疾病的診斷和基于MS的可視化成像提供有力的工具。相關成果以“Bifunctional cleavable probe for in-situ multiplexed glycan detection and imaging using mass spectrometry”為題在Chemical Science雜志在線發表（DOI: 10.1039/C8SC04642E）。

       AMS免疫分析方法示意圖及檢測流程如圖1所示。利用該分析平台，凝血酶加标樣品的檢測限（LOD）分别為10.9 zmol（PBS）和35.1 zmol（血清）。該方法實現了血清樣品中CA125等生物标志物的檢測，有望用于卵巢癌和乳腺癌的早期診斷。該平台還可實現低至25個細胞水平的OVCAR-3和MCF-7細胞表面的重要三種生物标志物（CA125，CEA和EpCAM）的同時、原位表達差異測定，顯示了超高的靈敏度和多目标同時檢測能力，且具有普适性和可拓展性。

圖1 常壓敞開式質譜（AMS）免疫分析方法及測定流程示意圖

       針對聚糖的原位檢測及MS成像分析，設計了基于凝集素識别和3種PEG類小分子MS信号分子分别标記的雙功能LCMP探針（圖2）。該探針将對聚糖的檢測轉化為對修飾的大量PEG類MS報告基團的檢測，從而克服了聚糖離子化效率低，檢測靈敏度低，譜圖解析困難等問題。所設計的識别單元适用于凝集素、抗體和核酸适配體等體系。利用上述探針對細胞表面的單糖（甘露糖、末端唾液酸和N-乙酰葡萄糖胺）開展了的原位分析，以及腫瘤患者組織表面聚糖的MS成像。成像結果直觀反映了癌組織和癌旁組織、同一組織不同病理變化和組織中不同微觀結構區域的聚糖含量變化，不僅有助于揭示各類腫瘤發生發展過程中聚糖含量的變化，也有望應用于臨床診斷和腫瘤标志物篩選。

圖2 雙功能激光可裂解質譜探針的合成及其在聚糖檢測及MS成像中的應用

       劉虎威/白玉課題組長期緻力于複雜生物樣品的分離和檢測研究，旨在發展基于新型納米分離介質的高效樣品處理方法，基于質譜的高靈敏度、高通量、高選擇性的分析新方法以及臨床組學研究。上述論文通訊作者為白玉副教授，第一作者分别為15級博士研究生徐姝婷（J. Am. Chem. Soc，DOI: 10.1021/jacs.8b10853）和14級博士研究生馬雯（Chem. Sci，DOI: 10.1039/C8SC04642E）。研究工作得到了國家自然科學基金委和科技部國家重點研發計劃的資助。

原文鍊接：https://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/jacs.8b10853、 https://pubs.rsc.org/en/content/articlepdf/2019/sc/c8sc04642e