人類對(duì)健康的追求是貫穿古今的。在原始社會(huì)時(shí)期，人類便能認(rèn)識(shí)到疾病，并利用特定植物的催吐、瀉下和止痛作用來(lái)治療疾病。然而，人類的身體是一座極為精妙復(fù)雜的機(jī)器，疾病作為這座機(jī)器運(yùn)行時(shí)發(fā)生的故障同樣是復(fù)雜的，對(duì)疾病進(jìn)行鑒別和診斷是一件非常困難的事情。在近代科學(xué)出現(xiàn)以前，由于缺乏技術(shù)手段，人類只能簡(jiǎn)單地根據(jù)臨床癥狀辨別疾病，很多疾病難以進(jìn)行準(zhǔn)確診斷和分類。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，特別是顯微鏡的發(fā)明和細(xì)胞的發(fā)現(xiàn)，打開了現(xiàn)代醫(yī)學(xué)檢驗(yàn)技術(shù)發(fā)展的大門，使得疾病的準(zhǔn)確診斷和分類有了可能。近幾十年來(lái)，醫(yī)學(xué)、生物學(xué)、化學(xué)和儀器科學(xué)的發(fā)展使得醫(yī)學(xué)檢驗(yàn)技術(shù)逐漸走向分子水平，血糖檢測(cè)、血脂檢測(cè)、肝功能檢測(cè)、心肌損傷標(biāo)志物檢測(cè)、腫瘤分子分型檢測(cè)等分子檢驗(yàn)技術(shù)已經(jīng)在實(shí)際臨床應(yīng)用中取得了巨大的成功。不過(guò)，人們對(duì)健康的追求是永無(wú)止境的。近年來(lái)，疾病早期生物標(biāo)記物發(fā)現(xiàn)、精準(zhǔn)分型、復(fù)發(fā)預(yù)警、無(wú)特異性臨床指征疾病的精準(zhǔn)診斷等新需求不斷涌現(xiàn)，而傳統(tǒng)臨床分子檢驗(yàn)技術(shù)難以滿足這些新需求在檢測(cè)靈敏度、特異性、準(zhǔn)確度、檢測(cè)效率等方面的要求。臨床分子檢驗(yàn)領(lǐng)域正迫切需要新的技術(shù)平臺(tái)。在此背景下，臨床質(zhì)譜技術(shù)越來(lái)越廣泛地被應(yīng)用于臨床實(shí)驗(yàn)室，迎來(lái)了發(fā)展的黃金時(shí)代。

質(zhì)譜分析技術(shù)的原理較為復(fù)雜，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是使樣品中質(zhì)量各不相同的分子離子化，從而帶有電荷，進(jìn)而利用不同質(zhì)荷比的離子在靜電場(chǎng)或磁場(chǎng)中所受作用力不同的原理將其在空間上分離并進(jìn)行檢測(cè)。質(zhì)譜技術(shù)自誕生以來(lái)便對(duì)科學(xué)研究起到了巨大的推進(jìn)作用，曾有5次諾貝爾獎(jiǎng)被頒發(fā)給質(zhì)譜相關(guān)領(lǐng)域的工作。質(zhì)譜分析技術(shù)相比傳統(tǒng)分析檢測(cè)方法具有特異性強(qiáng)、準(zhǔn)確性高、靈敏度佳的特點(diǎn)，且可在單次實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)多種分子的同時(shí)檢測(cè)，十分契合臨床分子檢測(cè)的需要，過(guò)去幾十年已在臨床實(shí)驗(yàn)室中廣泛應(yīng)用。例如，目前人群維生素D缺乏和不足的首選檢測(cè)方法便為液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜法。然而，臨床樣本十分復(fù)雜，比如血漿中的蛋白種類、代謝物種類的數(shù)量均可達(dá)萬(wàn)級(jí)，臨床質(zhì)譜技術(shù)領(lǐng)域目前仍存在樣品前處理復(fù)雜、檢測(cè)自動(dòng)化程度低、操作人員知識(shí)技能要求高等問(wèn)題亟待解決。

近年來(lái)，納米材料在質(zhì)譜領(lǐng)域的應(yīng)用正逐漸成熟，很好地解決了臨床質(zhì)譜領(lǐng)域存在的一些問(wèn)題。納米材料是指在三維空間中至少有一維處在納米尺度范圍（1 nm～100 nm）或由它們作為基本單元構(gòu)成的材料，具有區(qū)別于其他材料的獨(dú)特物理、化學(xué)特性，如力學(xué)特性、電學(xué)特性、磁學(xué)特性、熱學(xué)特性等。通過(guò)對(duì)納米材料微觀形貌、表面修飾、批次重現(xiàn)性等特性的調(diào)控和優(yōu)化，科研人員正探索其在臨床質(zhì)譜領(lǐng)域作為樣品前處理材料、電離基質(zhì)材料等方面的應(yīng)用，并取得了巨大的進(jìn)展。下面，筆者就以代謝組質(zhì)譜檢測(cè)、蛋白組質(zhì)譜檢測(cè)、以及質(zhì)譜成像技術(shù)為切入點(diǎn)，具體地談一談納米材料與臨床質(zhì)譜技術(shù)的結(jié)合與應(yīng)用。

納米材料助力臨床代謝組質(zhì)譜檢測(cè)

代謝組學(xué)是以細(xì)胞、組織和生物體液中數(shù)以萬(wàn)計(jì)的小分子代謝物（分子量小于1 000）為研究對(duì)象的新興組學(xué)技術(shù)。這些小分子代謝物位于生物通路的最末端，能夠精準(zhǔn)編碼細(xì)胞功能和疾病表型，其組成隨生物體生理狀態(tài)的改變而改變。代謝組學(xué)研究的目的便是對(duì)這些小分子代謝物進(jìn)行快速、準(zhǔn)確、靈敏的定性定量分析，闡明其組成、變化規(guī)律和生物學(xué)意義。代謝組學(xué)的出現(xiàn)和發(fā)展對(duì)臨床診斷、疾病標(biāo)志物發(fā)現(xiàn)、藥物開發(fā)等領(lǐng)域具有重要意義。

質(zhì)譜是代謝組學(xué)研究的主要分析工具之一，廣泛應(yīng)用于代謝物的定性和定量檢測(cè)。然而，由于生物體系成分復(fù)雜度高，當(dāng)前質(zhì)譜技術(shù)應(yīng)用于臨床大樣本篩查時(shí)仍存在分析通量低、靈敏度不夠高等問(wèn)題。功能納米材料在上述流程中均可與質(zhì)譜耦合，憑借精密可控的結(jié)構(gòu)、組分和表面環(huán)境顯著提高質(zhì)譜檢測(cè)的通量和靈敏度。

在眾多的納米材料中，磁性納米顆粒是一類常用于生物樣本預(yù)處理的納米材料。通過(guò)對(duì)磁性納米顆粒的組分、結(jié)構(gòu)和表面官能團(tuán)進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，磁性納米顆粒表面可以在臨床生物樣本中對(duì)代謝物進(jìn)行選擇性捕獲，大幅提高檢測(cè)的靈敏度。基于這個(gè)原理開發(fā)的磁性固相萃?。∕SPE）技術(shù)解決了傳統(tǒng)的固相萃?。⊿PE）技術(shù)一致性差、需要人員值守、溝渠效應(yīng)嚴(yán)重等缺點(diǎn)，高度契合目前臨床分析的需求。

相比傳統(tǒng)的液相質(zhì)譜，新興的固相質(zhì)譜具有秒級(jí)的分析速度，大大簡(jiǎn)化了代謝組學(xué)分析的工作流程。然而，目前商業(yè)化的固相質(zhì)譜有機(jī)基質(zhì)，比如α-氰基-4-羥基肉桂酸（CHCA）、2，5-二羥基苯甲酸（DHB）等在進(jìn)行小分子檢測(cè)時(shí)會(huì)產(chǎn)生巨大的背景干擾，因此僅適用于蛋白質(zhì)等大分子的檢測(cè)。為了解決固相質(zhì)譜檢測(cè)小分子的問(wèn)題，全世界的科研工作者做了大量的探索和改進(jìn)，開發(fā)出了可用于小分子代謝物固相質(zhì)譜檢測(cè)的納米材料基質(zhì)。納米基質(zhì)具有不同的組成成分、微觀形貌、表面官能團(tuán)，這些參數(shù)與樣品的預(yù)處理速度、質(zhì)譜檢測(cè)效果、信號(hào)響應(yīng)范圍緊密相關(guān)。通過(guò)對(duì)這些關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)和調(diào)控，可以定制用于代謝組分析的輔助基質(zhì)，實(shí)現(xiàn)代謝指紋圖譜的高效采集。進(jìn)而，研究者可借助機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)識(shí)別不同群體的代謝指紋圖譜，實(shí)現(xiàn)疾病精準(zhǔn)診斷、生物標(biāo)記物發(fā)現(xiàn)、疾病亞型和分期劃分等應(yīng)用。

綜上，納米材料在質(zhì)譜代謝組學(xué)研究的貢獻(xiàn)體現(xiàn)在方方面面，包括代謝物預(yù)富集、雜質(zhì)去除、輔助解吸電離等等。我們相信隨著研究者們?cè)诩{米材料領(lǐng)域的不斷探索和創(chuàng)新，基于納米材料的質(zhì)譜代謝組學(xué)也可以得到進(jìn)一步的發(fā)展，有望進(jìn)一步推進(jìn)納米輔助質(zhì)譜代謝組學(xué)在臨床中的應(yīng)用。

納米材料助力臨床蛋白質(zhì)組質(zhì)譜檢測(cè)

蛋白質(zhì)組學(xué)是以細(xì)胞、組織和生物體液中蛋白質(zhì)分子為研究對(duì)象的組學(xué)技術(shù)。蛋白質(zhì)是生命活動(dòng)的主要承擔(dān)者。蛋白質(zhì)組學(xué)研究可以系統(tǒng)、全面地了解疾病的發(fā)生發(fā)展、細(xì)胞代謝等重要的生物學(xué)過(guò)程，對(duì)疾病早期診斷，生物標(biāo)志物發(fā)現(xiàn)以及新興藥物研發(fā)等具有重要意義。質(zhì)譜作為重要的定性定量分析技術(shù)，具有高靈敏度、高通量、高準(zhǔn)確度的特點(diǎn)，是蛋白質(zhì)組學(xué)領(lǐng)域的主要研究工具之一。

相比于基因組學(xué)，蛋白質(zhì)組學(xué)研究的目標(biāo)分子缺乏有效的擴(kuò)增技術(shù)，這限制了其應(yīng)用。具體來(lái)說(shuō)，受限于有限的檢測(cè)限，蛋白質(zhì)組學(xué)分析常無(wú)法檢測(cè)到生物樣品中的低豐度蛋白質(zhì)分子。此外，單個(gè)生物樣本中的不同蛋白質(zhì)的濃度動(dòng)態(tài)范圍很大，不同蛋白分子的濃度差異常超過(guò)10個(gè)數(shù)量級(jí)，這同樣使得低豐度蛋白質(zhì)的檢測(cè)變得極其困難。納米技術(shù)的快速發(fā)展為研究復(fù)雜生物樣品中的低豐度蛋白分子提供了良好的解決方案。相比傳統(tǒng)材料，納米材料具有較大的表面積與體積比，這有利于傳質(zhì)并提高各種肽的分離效率。例如，在超高壓液相色譜中使用有機(jī)二氧化硅納米粒子作為填料，可以在不降低分辨率的情況下，實(shí)現(xiàn)比傳統(tǒng)方法快10倍的肽分離速度。此外，納米材料的大表面積也可以被功能化以促進(jìn)肽的特異性分離。例如，納米尺寸的單分散超順磁珠可用作支持材料，以最大限度地減少樣品損失并通過(guò)磁輔助分離加快樣品處理速度。

目前，磁性納米材料是蛋白質(zhì)組學(xué)中最常見的富集蛋白/多肽的材料之一。利用磁性納米材料通過(guò)在其表面引入大量可行的官能團(tuán)修飾進(jìn)行功能化去富集生物樣品中的蛋白，功能部分通過(guò)結(jié)合親和力特異性地結(jié)合蛋白，從而有效地降低樣品中蛋白的豐度動(dòng)態(tài)范圍。同時(shí)利用磁性納米材料的強(qiáng)磁性極大地縮短了蛋白分離時(shí)間，精簡(jiǎn)了工作流程。例如，有研究者開發(fā)出了工程化的磁性納米材料，將5種功能化的磁性納米粒子進(jìn)行組合，對(duì)癌癥患者血漿樣本中的蛋白分子進(jìn)行了深度大規(guī)模富集，其蛋白檢測(cè)數(shù)量提升4倍，有效提升了診斷性能，篩選出創(chuàng)新性的腫瘤標(biāo)志蛋白，為癌癥治療提供新的藥物靶點(diǎn)。

納米技術(shù)與蛋白質(zhì)組學(xué)的有力結(jié)合推動(dòng)了蛋白質(zhì)組的大規(guī)模、高通量以及深入精確分析，對(duì)于蛋白質(zhì)水平的疾病早期診斷，生物標(biāo)志物發(fā)現(xiàn)以及藥物研發(fā)等生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用具有重要意義。

納米材料助力臨床質(zhì)譜成像

質(zhì)譜成像技術(shù)是一種將經(jīng)典質(zhì)譜與離子成像結(jié)合起來(lái)的前沿技術(shù)，可以同時(shí)可視化組織標(biāo)本中數(shù)百種生物分子（代謝物、脂質(zhì)、肽、蛋白質(zhì)等）的空間分布，并提供生物分子的結(jié)構(gòu)信息，在疾病診斷、生物標(biāo)志物發(fā)現(xiàn)、疾病分子機(jī)理解釋方面具有廣闊的前景?；|(zhì)輔助激光解吸電離質(zhì)譜（MALDI-MS）技術(shù)是目前應(yīng)用最廣泛的質(zhì)譜成像技術(shù)平臺(tái)。MALDI-MS是一種固體質(zhì)譜技術(shù)，也常常應(yīng)用于代謝組檢測(cè)中。如前文所述，傳統(tǒng)上商業(yè)化的MALDI-MS基質(zhì)通常為有機(jī)基質(zhì)，不能用來(lái)檢測(cè)小分子化合物。近年來(lái)，納米材料基質(zhì)在MALDI-MS技術(shù)中的應(yīng)用很好地解決了代謝組學(xué)研究和質(zhì)譜成像研究中固相質(zhì)譜小分子檢測(cè)的問(wèn)題。目前常用于質(zhì)譜成像的納米材料主要包括金屬氧化物、硅基材料、碳基材料等。納米粒子輔助的質(zhì)譜成像技術(shù)既可以完成非靶標(biāo)分析，也可以實(shí)現(xiàn)高靈敏度的靶標(biāo)分析，具有更高的信號(hào)檢出靈敏度與空間分辨率，可作為組織學(xué)疾病診斷的有用手段，近年來(lái)在癌癥診斷、生物標(biāo)志物發(fā)現(xiàn)等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。

具體來(lái)說(shuō)，納米粒子輔助的質(zhì)譜成像技術(shù)可以用于癌癥的早期診斷，闡明癌癥發(fā)生的分子機(jī)理，幫助發(fā)現(xiàn)癌種生物標(biāo)志物。近年來(lái)，越來(lái)越多的研究證明脂質(zhì)、糖類和小分子代謝物等在組織中的表達(dá)與癌癥的發(fā)生高度相關(guān)，可以作為癌癥診斷的依據(jù)。納米粒子輔助的質(zhì)譜成像技術(shù)能夠?qū)M織中的脂質(zhì)、糖類和小分子代謝物進(jìn)行靶向分析和直接成像，利用已發(fā)現(xiàn)的小分子生物標(biāo)志物可視化癌變組織的邊界，實(shí)現(xiàn)對(duì)癌變組織和癌旁組織的分區(qū)，并可實(shí)現(xiàn)對(duì)癌癥的不同組織學(xué)亞型進(jìn)行分類，從而為臨床上癌癥的診斷和治療提供有價(jià)值的參考。此外，納米粒子輔助的質(zhì)譜成像技術(shù)也可以監(jiān)測(cè)與這些小分子生物標(biāo)志物的代謝相關(guān)的化合物的空間分布和豐度變化，幫助發(fā)現(xiàn)癌種生物標(biāo)志物，闡明脂質(zhì)、糖類等生物分子的代謝對(duì)癌癥進(jìn)展的生理病理過(guò)程的影響，為解釋癌癥發(fā)生的分子機(jī)制提供依據(jù)。

結(jié)語(yǔ)

自人類文明誕生伊始，人們對(duì)健康的追求便從未停止。相比傳統(tǒng)檢驗(yàn)技術(shù)，臨床質(zhì)譜技術(shù)在疾病早篩、分型、診斷、個(gè)性化治療指導(dǎo)等領(lǐng)域具有無(wú)可替代的優(yōu)勢(shì)，臨床質(zhì)譜技術(shù)在中國(guó)的發(fā)展將有效提升我國(guó)人民的健康水平。然而，目前我國(guó)臨床質(zhì)譜檢測(cè)應(yīng)用尚處于起步階段，實(shí)際臨床質(zhì)譜檢測(cè)項(xiàng)目數(shù)量尚不到國(guó)際市場(chǎng)的五分之一，這既是臨床質(zhì)譜工作者的機(jī)遇，也是挑戰(zhàn)。我們應(yīng)面向人民生命健康，加快腳步，早日使臨床質(zhì)譜技術(shù)在中國(guó)落地生根，助推“健康中國(guó)”愿景的實(shí)現(xiàn)。

本文根據(jù)筆者在上海市科學(xué)技術(shù)普及志愿者協(xié)會(huì)主辦的

“海上科普論壇”上的報(bào)告撰寫而成