大咖面对面丨金属组学为空间多组学注入元素成像新维度 

导语

在生物医学研究领域，“空间组学”如同一把钥匙，正从新的视角揭示生命的奥秘。从基因组、蛋白质组到代谢组，科学家们不断拓展多组学的边界。而中国科学院高能物理研究所王萌研究员及团队，将“空间金属组”作为空间组学的新维度，凭借高灵敏的质谱成像技术，为癌症诊疗、纳米毒理、环境监测等领域注入全新视角。近日，我们走进王萌研究员的实验室，聆听他如何用“金属元素指纹”绘制生命科学的未来图景，揭秘其团队在质谱成像技术创新、单细胞分析及空间多组学融合研究中的新实践。

从技术困境到破局：金属组学的崛起

“金属组学发展了20多年，近期迎来一个快速发展阶段，这主要得益于ICP-TOF-MS及相关方法进步，有望突破技术和应用的双重瓶颈。”王萌坦言。传统的激光剥蚀-电感耦合等离子体质谱（LA-ICP-MS）系统存在成像速度很慢，空间分辨率低等问题。“技术门槛高、样本通量低，导致金属元素成像长期停留在实验室验证阶段，难以支撑实际生物医学研究。”

随着高灵敏ICP-TOF-MS的推出，团队引入新一代ICP-TOF-MS系统（icpTOF 2R），结合193 nm准分子激光高速激光剥蚀系统，将成像速度提升1-2个数量级，空间分辨率可达1 μm。

技术革新让金属成像从‘纸上谈兵’走向真实场景。新一代ICP-TOF-MS具有全元素快速分析能力，分辨率高达6000 Th/Th，可实现单颗粒中多个元素的高灵敏度检测，分析速度比传统的四极杆ICP-MS提升两个数量级。该技术正在成为元素成像、单颗粒分析、单细胞分析等金属组学前沿领域的有力工具。

icpTOF 2R电感耦合等离子体飞行时间质谱仪

更深层的挑战在于揭示体内金属元素的复杂生物功能。“金属离子通过与生物分子的作用执行生物功能，因此金属组学必须与基因组、蛋白质组、代谢组等组学研究相结合，才能揭示其生物学意义。”团队已经初步建成空间多组学质谱平台，并正在开展多项空间多组学应用研究[1,2]。

金属成像：多模态分析助力精准医疗

硼中子俘获疗法（BNCT）被认为是一种很有潜力的癌症治疗新方法，将硼药靶向递送并聚集于癌细胞内，利用中子照射产生的核反应，可以精准杀死癌细胞。BNCT的核心在于如何将足够量的硼药靶向递送至肿瘤细胞。传统分析方法虽能检测硼药物总量，却无法实现单细胞水平的精准定量。团队开发了基于质谱技术的空间多组学方法，可以在单细胞水平得到在肿瘤细胞和正常细胞中硼药含量，从而可以评价硼药的肿瘤靶向性和生物利用度。

LA-ICP-TOF-MS技术对小鼠肾脏切片的元素成像

元素指纹：快速精准解析的利器

“分析化学的主要目标是让方法转化成科学洞察力，解决实际科学问题。”团队利用ICP-TOF-MS的快速分析优势，实现了单个细胞内金纳米颗粒和银等纳米颗粒的绝对定量。团队还与中国科学院生态环境研究中心刘国瑞课题组合作，运用单颗粒多元素分析方法，开发了元素指纹-源解析模型，通过分析大气颗粒物中的“元素指纹”，辨析大气颗粒物的工业污染源[3]。王萌表示，“元素指纹可以作为大气颗粒的‘身份证’，用来破解大气颗粒来源与赋存特征。”

先进设备助力科研发展

“科学突破往往诞生于学科交叉与尖端仪器的支撑。”

王萌强调与赛默飞的长期合作。

“从2003年我所在的中科院重点实验室引入第一台赛默飞ICP-MS开始，我的科研生涯始终与ICP-MS技术紧密交织。当时我还在攻读研究生，主要聚焦元素形态分析与同位素稀释技术，我们利用那台赛默飞ICP-MS做出了很好的工作。至今这台ICP-MS还在运行，年龄比很多新来的研究生都大，算是我们实验室的元老。”

2022年，高能所建成了空间多组学质谱平台。平台集成了解吸电喷雾-静电场轨道阱质谱成像系统（维科托AFADESI和赛默飞Q Exactive高分辨液质联用仪）、激光剥蚀-电感耦合等离子体飞行时间质谱成像系统（Teledyne Iridia超快激光系统和TOFWERK icpTOF 2R）等多套先进仪器。

AFADESI-Q Exactive高分辨液质联用仪

未来已来：AI驱动空间组学

面对海量的多模态数据，如何整合不同空间组学技术的数据，如何从质谱图像中挖掘出有用的信息，这需要计算机科学与生物信息的深度融合。

比如以空间蛋白质组学研究的引领者，瑞士Bernd Bodenmiller课题组为例，团队中约三分之一的成员是计算机及生物信息学背景的专家，这样才能充分发挥空间多组学的潜力。

王萌认为，AI算法的引入将是空间多组学发展的重要驱动力。另一方面则是多组学融合发展。金属组学不再是与传统组学平行的“孤岛”，而是生命科学多维拼图中不可或缺的一块。为此，高能所建成了空间多组学质谱平台。平台希望从单细胞-组织-整体动物等不同层次，开展空间代谢组学、空间金属组学和空间蛋白质组学的分析方法学及应用研究。同时，平台也面向国内高校和科研机构提供科研测试服务，王萌表示十分期待与高校、科研院所同行交流探讨，共同为空间多组学的发展尽一份力量。

结  语

从技术突围到应用落地，元素不仅是冰冷的原子符号，更是解码生命奥秘的关键钥匙。