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。

 人物简介 

 

王萌

中国科学院高能物理研究所纳米生物效应与安全性重点实验室研究员

现在主要开展基于质谱技术的单细胞分析和生物成像方法及其应用研究。主持和参与了国家重点研发计划、国家自然科学基金、北京市自然科学基金、中国博士后基金、中国科学院仪器设备功能开发技术创新等科研项目。已发表SCI论文90余篇。现任《Atomic Spectroscopy》编委、中国检验检测学会测试装备分会原子光谱应用与技术专家委员会委员、中国分析测试协会医学质谱分会委员。

参考文献：

1. Tian X, Zheng L, Wang C, Han Y, Li Y, Cui T, Liu J, Liu C, Jia G, Yang L, Hsu Y, Zeng C, Ding L, Wang C, Cheng B, Wang M*, Xie R*. Selenium-based metabolic oligosaccharide engineering strategy for quantitative glycan detection. Nature Communications 2023, 14: 828

2. Chen L et al. Zonated Copper‐Driven Breast Cancer Progression Countered by a Copper‐Depleting Nanoagent for Immune and Metabolic Reprogramming, Advanced Science, 2025, DOI: 10.1002/advs.202412434

3. Yang Q, Yang L*, Zheng LN, Fang H, Li X, Liu H, Chen C, Yun J, Zhao C, Wang M*, Liu G, Zheng M. Atmospheric emissions of Fe-containing nanoparticles from industrial activities, Science of the Total Environment 2024, 957:177840.

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