微流控芯片-等离子体质谱联用在单细胞金属药物代谢的应用研究

Metallodrugs metabolism in single cells is of great significance for drug discovery and understanding pharmacological activities and the pharmacokinetic behaviors of candidates as well as single-cell biology. However, up to now, reports on metallodrugs metabolism in single cells are scarce. The aim of the research proposal is achieving rapid analysis of metallodrugs and their metabolites in single cells by interfacing microfluidic chip with inductively coupled plasma mass spectrometry (MC-ICP-MS) with a piezoelectric micro-droplet aerosol generator. The make-up solution used in conventional MCE-ICP-MS systems was eliminated in the proposed MCE-ICP-MS system. For this reason, the absolute detection limit of the proposed MCE-ICP-MS system was significantly reduced with satisfactory sensitivity and resolution for single-cell metallodrugs metabolism. Qualitative and quantitative analysis of total metal in single cells by ICP-MS was achieved with microfluidic droplet-based single cell injection. We try to find out cellular uptake rule of metallodrugs for discriminating abnormal cells from healthy ones. The metal speciation method in single cells by MCE-ICP-MS would be developed for studying metallodrugs metabolites and their interaction with biomolecules as well as pharmacokinetic behaviors in single cells. The developed hyphennated system and speciation method is anticipated to be widely used in studying metal-biomolecules interaction and biological speciation analysis.

单细胞水平金属药物代谢的研究对新药研发、药理学和药效学及单细胞生物学研究等有重要意义，目前尚稀见单细胞水平金属药物代谢研究的报道。本申请用基于压电效应的微液滴喷射雾化器作为芯片与等离子体质谱(MC-ICP-MS)的直接联机接口，消除传统联机系统中补充液对样品的稀释，显著提高芯片电泳和ICP-MS联机系统(MCE-ICP-MS)进行单细胞金属药物代谢研究的灵敏度和分辨率等分析性能。建立微流控液滴引入单细胞-ICP-MS检测单细胞金属总量的定性定量方法，探索金属药物在单细胞水平的迁移规律以实现正常细胞与非正常细胞的鉴别。建立MCE-ICP-MS进行单细胞内金属形态分析的方法，研究金属药物在细胞中的代谢规律(代谢产物、与生物分子的相互作用及代谢动力学等)。该项目在金属-生物分子相互作用和生物形态分析的研究有广泛的应用前景。

单细胞水平金属药物代谢的研究对新药研发、药理学和药效学及单细胞生物学研究等有重要意义，目前尚稀见单细胞水平金属药物代谢研究的报道。为了进行生物样品和单细胞的金属药物总量和形态分析，需要对高灵敏元素特异性检测器-等离子体质谱（ICP-MS）的进样系统进行改造，提供雾化效率并降低进样速度，并依此建立ICP-MS与电泳和色谱联用的形态方法。本项目从等离子体质谱的进样系统研制、电泳-等离子体质谱联用方法、HPLC-ICP-MS联用与富集方法、电泳与电色谱柱制备与方法、电化学与质谱联用研究反应中间体及液滴两相微合成等方面开展了大量研究工作。研制成功了纳流气动雾化器和色谱柱一体化的高效雾化器，可实现纳流速至微流速样品的高效引入。应用了阵列分离通道来提高电泳与ICP-MS的灵敏度，在此基础上建立了电泳/电色谱/纳流色谱-ICP-MS的碘、溴、砷、汞形态分析方法，分析时间均在1 min以内。用反相柱和氧化石墨烯改性柱建立了汞、砷、硒、铬单个元素及同时多元素的形态分析方法，分析时间极大缩短；用巯基硅胶、氧化石墨烯等材料来富集汞形态，实现了1000倍左右的富集效果。开发了加压毛细管电泳装置及碘形态方法，发展了多颗粒柱塞的填充柱制备技术，基本实现了各种不同规格的纳流柱和电色谱柱的实验室自给，制备了一系列改性有机整体柱（氧化石墨烯、碳纳米角、β-环糊精等）和填充柱，建立了17种多环芳烃的快速分离与在线富集方法。研制了斜槽式和水平表面式两种电化学-解吸电喷雾质谱联用（EC-DESI-MS）装置，改进了联机效率（如重现性等），并研究了二苯基胺类物质（DPA）的电化学氧化机理。发展了迟滞时间为毫秒水平的电化学-电喷雾质谱联用（EC-ESI-MS）装置，首次实现了ESI-MS探测ms级的电化学反应中间体。提出了基于液滴的两相合成，反应无需相转移催化剂，反应速度快。