固液萃取式常压离子源开放平台对生物大分子的原位监测和高通量分析研究

Ambient ionization mass spectrometry is a powerful technology for in-situ monitoring and high-throughput analysis towards biological systems. However, the deficiences in desorption and ionization of biomacromolecules for most ambient ion sources limit their further applications in the area of bioanalysis. This project will employ two types of solid-liquid extraction-based ambient ion sources, nanospray desorption ionization (nanoDESI) and liquid micro junction-surface sampling probe (LMJ-SSP), which were featured by the high extraction efficiency as well as the continueous and in-situ probing mode, for direct detection of biomacromolecules (e.g., proteins and peptides) from bodily fluids, cells and tissues. In this proposal, we attempt to integrate the arrayed bioseparation interfaces into nanoDESI platform for high-throughput detection and qualitative and quantitative analysis of phosphopeptides, glycopeptides and disease markers in clinical bodily fluid samples, revealing the underlying relationships between abnormally expression of biomolecules and ocurrence or development of diseases. Furthermore, by virtue of microfluidic chips, we plan to perform the in-situ monitoring of biomolecules on the surface of cells and microorganisms in the processes of drug-induced apoptosis, autophagy and electrogenesis, finally evaluate drug efficacy and elucidate cellular processes. Lastly, nanoprobe-based drug delivery systems are designed for in vivo tumor models, and we can explore the pathological and pharmacological mechanisms based on the spatial distribution of drug and protein molecules obtained from mass spectrometry imaging on the tumor tissue sections.

常压敞开式离子源质谱的出现为开发面向生命体系的原位监测和高通量分析方法提供了强有力的技术手段。然而，该技术对生物大分子检测的短板限制了其在生命分析中的进一步应用。本项目拟着眼于以纳喷解吸电喷雾离子化（nanoDESI）和微液接式表面采样探针（LMJ-SSP）为代表的固液萃取式离子源，利用其对生物大分子的高效解吸能力和特有的连续原位分析模式，针对体液、细胞、组织样品中的生物分子，尤其是蛋白、多肽等生物大分子实施直接检测分析。研究中，拟集成阵列式生物分离界面，对临床体液样品中的磷酸肽、糖肽、疾病标志物蛋白进行高通量检测和定性定量分析，揭示异常表达生物分子与疾病发生发展的关联性；借助微芯片平台，对模型细胞、微生物的表面生物分子实施原位探测，从分子层面评价药效并解读生理过程；结合纳米探针载药活体实验，对肿瘤组织切片进行质谱成像，基于药物和蛋白分子的空间分布探讨药理学病理学机制。

生物分子信息的原位读取对于阐释生物过程机制具有重要意义，而高通量分析又是临床检测中批量样本快速筛查的理想模式。常压离子源质谱可以在生物体系真实状态下获取精确分子信息，同时，其无需样品预处理的特点也为生物分子的快速高通量检测提供了可能。本项目致力于开发对生物大分子具有高效解吸能力的固液萃取式常压离子源质谱分析方法，针对体液、细胞、组织样品中的生物分子实施直接质谱检测和成像，以期实现对体液样本中疾病相关生物分子的高通量质谱检测以及细胞过程、微生物代谢途径、病理生理过程的机制阐释。具体研究中，首先从亲和分离介质的开发入手，发展了一种结合磷酸肽富集策略与同位素标记技术的质谱分析方法，成功对慢性髓系白血病相关的多种激酶（PKA, Abl, Src）活性及抑制行为实施监测，利用亲和分离介质建立生物亲和微阵列集成纳喷解吸电喷雾离子源质谱分析平台，实现了体液样本中疾病相关磷酸肽、糖肽和蛋白分子的高通量快速测定；搭建了电化学/电致化学发光反应、微生物燃料电池常压质谱监测装置，构筑了多目标物响应的“核-卫星”结构质量条形码纳米探针，实现了电化学反应中间产物、产电微生物代谢产物以及细胞内多种蛋白酶（Caspase-3, -8, -9）活性的监测，为电化学氧化还原反应、微生物产电以及细胞凋亡过程的机制研究提供了依据；开发了分子标志物响应的可降解纳米药物载体与肿瘤微环境启动的级联催化纳米反应器，为通过质谱成像研究亚组织层面药物释放和药理机制建立纳米递药系统模型，提出了基于氮掺杂石墨烯量子点的激光解吸电离质谱成像（LDI-MSI）新方法，实现了鼠脑组织切片中小分子（分子量<500 Da）代谢物的质谱成像，研究了创伤性脑损伤模型鼠脑切片中氨基酸、脂肪酸的空间分布与病理学信息的相关性。本项目为基础研究层面生理过程、化学过程机制研究以及应用层面临床样本的高通量快速检测提供了重要的技术手段。