醫(yī)學成像技術是能夠提取生物體內組織或器官的形態(tài)、結構以及某些生理功能的信息，為生物組織研究和臨床診斷提供影像信息的一門科學。隨著科學技術的進步，醫(yī)學成像技術所涉及的范圍越來越廣，有X-射線成像、超聲波成像、磁共振成像、紅外線成像和放射性核素成像等。

　　近年來，質譜分子成像(MSI)技術引起了國內外科研工作者的關注，進行MSI研究的科學家也越來越多，有關MSI的新技術、新方法不斷涌現。中國醫(yī)學科學院/北京協和醫(yī)學院藥物研究所(簡稱藥物研究所)再帕爾·阿不力孜教授帶領項目攻關組，這幾年致力于開發(fā)MSI新技術，并積極開展在新藥研發(fā)和臨床病理診斷的應用研究。近日，儀器信息網編輯采訪了再帕爾·阿不力孜教授。藥物研究所賀玖明博士陪同采訪。

再帕爾·阿不力孜教授

  什么是MSI?

　　MSI (Mass Spectrometry Imaging，質譜成像)是新興發(fā)展起來的基于質譜檢測技術的一種成像方法，在藥學和醫(yī)學領域的應用還處于起步階段。與其它影像技術相比，MSI技術無需標記，是一種深入到分子層面的成像技術，不局限于一種或者幾種分子，可以對一些目標和非目標性分子同時進行成像分析;它不僅可同時反映多種分子在空間上分布的信息，還能夠提供分子結構信息。因此，其在新藥研發(fā)、原位生物標志物的發(fā)現、醫(yī)學臨床病理診斷等方面有非常值得期待的應用前景。

　　對于MSI成像設備，由關鍵的兩部分組成：離子化探針技術和質譜分析器(含檢測技術)。目前質譜分析器已經非常成熟，涉及到的儀器主要有飛行時間型質譜(TOF)、離子阱質譜(IT)以及四極桿-飛行時間型質譜(Q/TOF)等。待測樣品被離子化并按區(qū)域依次導入質譜分析器，進一步通過軟件對質譜數據進行重構獲得成像圖，離子化效率和區(qū)域大小關系到后續(xù)成像的靈敏度和分辨率。近二十多年質譜離子化技術的突破和多樣化發(fā)展，促進了質譜成像的發(fā)展。

　　根據成像原理及其離子化技術的不同，MSI技術可以分為探針型和面陣型，其中面陣型對檢測器硬件的要求高，尚未有商業(yè)化的面陣型MSI裝置，目前主要是探針型MSI技術在發(fā)展。探針型MSI技術按照離子化方式進行分類，主要包括以下三大類型：需要在真空條件下進行離子化的二次離子質譜( SIMS)成像、基質輔助激光解吸電離(MALDI)質譜成像以及近幾年發(fā)展起來的以解吸電噴霧電離(DESI)為代表的常壓敞開式離子化質譜成像技術等。

　　SIMS技術的優(yōu)勢是不需要復雜的樣品處理，具有很高的空間分辨率，可達到納米級的空間分辨率，主要應用于樣品表面的元素以及有機小分子的成像分析。MALDI-MSI是目前最成熟、應用最為廣泛的MSI技術，尤其適合于蛋白質、多肽等生物大分子的質譜成像分析。然而，在MALDI-MSI成像分析中需要添加基質輔助電離，基質的加入會導致小分子目標物的分析受到影響，而且需將樣品引入高真空的封閉有限空間，操作不方便。納米結構啟動質譜(NIMS)是近幾年發(fā)展的與MALDI類似成像技術，它能以極高的靈敏度分析非常小的區(qū)域，從而允許對肽陣列、血液、尿和單細胞進行分析。

　　常壓敞開式離子化質譜成像技術，其特點是不需要真空環(huán)境，樣品前處理方式及實驗操作較為簡便。它主要包括解析電噴霧(DESI)、等離子體探針(LTP)、解析大氣壓化學電離(DAPCI)、空氣動力輔助離子化(AFAI)和多種輔助方式的大氣壓激光解析離子化方法等。

　　在了解了MSI的分類之后，再帕爾教授深入淺出的講解了質譜成像的樣品處理方法。對于生物組織來說首先需要制作成冷凍切片，通過掃描切片檢測分子在組織內不同區(qū)域的分布情況。MALDI-MSI需要將冰凍切片固定在導電載玻片上，還需要添加適當的基質;常壓敞開式離子化MSI，只需將冰凍切片固定在防脫的載玻片上即可。另外，如果是整體大鼠切片則需要采用大型冰凍切片機，盡可能獲得包含所有器官的整體切片。掃描一個組織器官切片獲得成像一般需要幾十分鐘，而掃描整個大鼠切片有可能要用近十小時。

AFAI解決了什么問題?

　　提到再帕爾教授和MSI，就不能不說空氣動力輔助離子化(Air Flow Assisted Ionization ，AFAI)技術。AFAI技術是由再帕爾教授牽頭，其實驗室與清華大學王曉浩教授課題組共同研制成功的新型常壓敞開式離子化技術，并于2011年在《Rapid Communication in Mass Spectrometry》期刊發(fā)表的論文中首次提出。隨后，再帕爾團隊采用AFAI技術研發(fā)出AFAI-MSI新方法，并于2013年在《Analytical Chemistry》上發(fā)表了介紹AFAI-MSI技術的論文，詳細描述了基于該技術的整體大鼠體內藥物成像分析方法，2015年在同一期刊上又發(fā)表了可獲得與藥物作用機制直接相關的內源性功能小分子及其分布特征的成像代謝組學分析方法最新研究成果。

　　再帕爾教授講到AFAI的時候，飲水思源的談到了美國普渡大學Cooks教授課題組的發(fā)明：2004年Cooks等人在《Science》上發(fā)表論文介紹了新的解析電噴霧電離方法“DESI”。ESI本來就是常壓下可電離的離子源，Cooks化繁為簡的給ESI離子源去掉了封閉外殼，實現了無需復雜前處理的樣品表面分析。這十年來，在DESI這種常壓敞開式離子化技術的研究基礎上，發(fā)展出了近40種不同原理或不同類型的常壓敞開式離子化技術，AFAI就是其中之一，也可稱之為AFA-DESI。

AFAI實景儀器圖

　　接著，再帕爾教授講述了AFAI的研發(fā)經歷：“原本我們實驗室的主要研究方向是基于質譜技術的天然產物及藥物分析方法及其新藥研發(fā)應用研究工作。DESI這種新型離子化技術的出現給我們團隊帶來了新的想法”。從2005年開始，再帕爾帶領清華大學精密儀器系的王曉浩課題組、東華理工大學的陳煥文課題組等組成研發(fā)團隊，共同開展了新型的敞開式場解析離子化技術的研發(fā)工作。開始階段，他們也曾走過彎路，例如，最初提出的離子化模型理論雖被證明，但實用性不強。在不斷探索中，他們發(fā)現在大氣壓條件下，空氣流能很好地傳輸離子或帶電液滴并促進離子化，提高了常壓敞開式離子化技術質譜分析的靈敏度和穩(wěn)定性。這項技術被不斷完善，最終命名為空氣動力輔助離子化(AFAI)，而且AFAI離子源可以與具有大氣壓接口的多種質量分析器匹配，兼容性很好。

　　與DESI相似，AFAI不需要真空也不需要復雜的樣品前處理。AFAI的最顯著特點是可以實現較遠距離或較大體積樣品的高靈敏分析，擴展了待測樣品的空間和操作靈活性。簡單來說，AFAI技術的原理是：傳輸管內有高流速空氣及外加電場，樣品離子通過傳輸管傳輸至質譜分析器的采樣錐孔富集。此過程能提高離子采集與傳輸效率，還具有促進帶電液滴脫溶劑、增加樣品離子產生的作用。它解決了常壓敞開式電離中面臨的靈敏度低、檢測樣品空間小的問題。再帕爾教授用簡單的話語通俗的說明AFAI的優(yōu)勢：“DESI等離子化技術需要被測樣品與采樣錐孔之間非常近，這樣才能保證靈敏度。這個特點限制了成像分析的實施，對于較大的組織樣品(如大鼠切片)，無法放進離子化探針所在位置，難以實現離子的有效傳輸到質譜分析器進行高靈敏分析。而AFAI借助0.5米或更長的傳輸管，實現了遠距離離子傳輸，放置樣品的空間非常充裕，且可輕松調整位置，用這樣的方法，包括大鼠切片等較大組織的成像分析難題就解決了�！�

　　由于再帕爾教授從事的工作需要，他時刻考慮用新技術來解決藥物分析中面臨的難題。藥物在整體動物體內的靶向作用、分布特征及其動態(tài)變化是新藥研發(fā)成功的必需關鍵信息。目前，主要的技術手段之一是放射性自顯影技術(WBA)，它能夠實現整體動物體內的藥物成像分析，但這種技術需要同位素標記，成本高昂，而且不能區(qū)分藥物和代謝產物。在AFAI技術成功研制以后，再帕爾教授首先想到利用AFAI從動物實驗入手進行藥物成像方法研究：“因為AFAI幾乎不需要樣品前處理，還適合遠距離大體積樣品檢測，非常適合發(fā)展成為新的質譜分子成像技術�！庇谑�，再帕爾團隊沿著該研究方向積極推動基于AFAI的質譜成像技術研究工作，就這樣AFAI-MSI技術平臺逐漸建立了起來，并首先應用于藥物及其代謝產物在動物體內的成像分析，其“整體動物體內藥物分析的質譜分子成像新方法”也在這個過程中應運而生。

整體動物體內藥物分析的質譜分子成像（AFAI-MSI）方法

　　在追問用AFAI這種新型離子化技術用于成像的優(yōu)勢時，再帕爾教授回答編者：“前面提到了AFAI具有離子傳輸管這種特殊裝置，將這種技術用于質譜成像時，遠距離和大體積樣品的成像如整體大鼠體內分子的成像問題便迎刃而解了，針對整體動物切片無需進行切割即可實現體內藥物成像分析，做到了真正意義上的整體動物分子成像。另外，AFAI實現了常壓敞開式離子化技術靈敏度的提高，在用AFAI-MSI技術進行動物體內藥物分析時，不僅可以檢測藥物及其代謝產物，也可檢測多種內源性代謝物在體內的分布。由于以上兩個特點的支持，我們這幾年開展了基于AFAI-MSI技術的代謝組學分析方法與應用研究工作，并提出了成像代謝組學新方法，在藥物作用機制及癌癥臨床病理診斷方法研究方面取得了一些新進展�！盇FAI在質譜成像技術中的優(yōu)勢比較明顯，但是再帕爾教授也表示，常壓敞開式MSI技術的主要缺點是空間分辨率不高，這是我們面臨的重大技術挑戰(zhàn)問題。因此，一方面需要繼續(xù)改進技術，另一方面今后一段時期的重點研究方向是基于AFAI-MSI技術的原位代謝組學方法研究，并致力于新藥研發(fā)相關的藥效及毒性的預測與評價、藥效作用機制和惡性腫瘤的臨床分子病理診斷研究。

MSI距實際應用還有多遠?

　　MSI技術發(fā)展的十幾年來，在生命科學、材料科學及生物醫(yī)學等領域的應用研究取得了許多突破。但作為一種新興的分子影像技術，其有待進一步發(fā)展和創(chuàng)新。談到MSI技術的研究難點和發(fā)展方向時，再帕爾教授說：“目前MSI的發(fā)展難點之一是空間分辨率有待提高，只有提高到一定程度才能實現單細胞水平的成像分析。二是靈敏度有待提高，除了生物組織中高含量脂質類物質之外，更需要實現低豐度分子的成像檢測。難點三是發(fā)現與疾病相關的生物標志物難度大，目前還沒有成熟的質譜成像儀器實現臨床醫(yī)學的應用，這個難題如果能有突破進展將對臨床分子病理診斷及早期診斷有很大幫助�！�

　　到目前為止，MSI技術已經為藥學和醫(yī)學研究領域帶來了一些新的視角。再帕爾教授總結到：“質譜成像技術的發(fā)展已經實現了整體動物成像和同時對體內數百種的內源性代謝物進行成像分析。將來的成像技術還將在分子作用機制研究方面有更廣闊的發(fā)展，不僅僅針對藥物本身分析，而且還有助于研究藥物的作用機制和藥效毒性預測，這將推動新藥研發(fā)的進度。也希望活體在線質譜成像檢測技術能在未來的研究中取得突破。同時使MSI技術真正應用于臨床分子病理診斷、惡性腫瘤的早期診斷和術中的實時指導等需求中�！�

再帕爾·阿不力孜教授課題組成員合影

再帕爾·阿不力孜教授（左）、賀玖明博士（右）與本網編輯合影

 　　采訪后記：通過對再帕爾教授的采訪，編者對MSI技術特別是AFAI有了明確而直觀的了解。對于新藥研發(fā)和臨床診斷與治療而言，不僅需要關注藥物本身在體內的分布及其變化，更需要了解藥物干預下動物體內功能分子的動態(tài)變化，從而為藥物的作用機制和毒性評價等提供整體、全面、原位的分子信息。此外，通過發(fā)現原位標志物，了解其在疾病發(fā)生發(fā)展中的變化規(guī)律，可以幫助癌癥等重大疾病的臨床早期診斷或療效評價，甚至實時指導臨床手術。愿MSI這雙“眼睛”能給生物醫(yī)學等領域帶來更多新發(fā)現。

　　自主研發(fā)我們自己的新技術甚至新裝置是我國科技領域任重道遠的重大任務。除了AFAI-MSI技術以外，我國還有許多科研工作者致力于質譜成像技術的研發(fā)，并相繼發(fā)明了大氣壓介質阻擋放電電離(DBDI)、等離子體探針(LTP)、解吸大氣壓化學電離(DAPCI)和等離子體輔助激光解析離子化(PALDI)等新型離子化及其質譜成像技術。我國的MSI技術研發(fā)與應用已經步入世界先進行列，愿我國的科學家們能夠憑借這些先進的MSI技術、結合世界前沿領域來開發(fā)更多屬于我們自己的新成果。

采訪編輯：郭浩楠

附錄 再帕爾·阿不力孜 簡歷

　　維吾爾族，理學博士，無黨派人士。現任中央民族大學副校長;中國醫(yī)學科學院/北京協和醫(yī)學院(簡稱院校)藥物研究所研究員、博士生導師，院校學術委員會執(zhí)委會委員，藥物研究院副院長，國家藥物及代謝產物分析研究中心主任，天然藥物活性物質與功能國家重點實驗室副主任。國務院學位委員會第七屆學科(藥學)評議組成員，“863”計劃項目首席專家，首批“新世紀百千萬人才工程”國家級人選，享受國務院政府特殊津貼專家。中國分析測試協會常務理事，中國物理學會質譜分會副理事長，北京質譜學會理事長，中國化學會質譜分析專業(yè)委員會副主任委員。北京市政協常委。

　　教育背景

　　1979.09-1983.07 新疆大學化學系分析化學專業(yè)學士學位

　　1985.09-1988.03 日本明星大學化學系碩士研究生，理學碩士

　　1991.04-1993.05 日本東邦大學理學院化學系招聘研究員，并獲得理學博士

　　工作經歷

　　1983.08-1985.09 新疆大學化學系助教

　　1988.04-1991.04 新疆大學化學系助教、講師、副教授

　　1993.05-1994.07 日本東邦大學藥學院客座研究員

　　1994.10-1996.11 中國醫(yī)學科學院藥物研究所博士后

　　1996.12—至今 博士后出站后作為引進人才，在藥物研究所工作至今。1997年2月被聘為研究員，2000年被評為博士生導師，1998年至今擔任所學術委員會委員

　　2001.10-2002.03 日本科學技術振興事業(yè)團及日本千葉大學分析中心客座研究員

　　2002年起先后擔任藥物研究所儀器分析中心主任、“國家藥物及代謝產物分析研究中心”副主任、主任

　　2004.06-2009.05 中國醫(yī)學科學院/北京協和醫(yī)學院(院校) 院校長助理

　　2009.05-2013.04 院�？萍脊芾硖幪庨L

　　2013.04-2014.09 研究生院常務副院長

　　2011年—至今 兼任天然藥物活性物質與功能國家重點實驗室副主任、中國醫(yī)學科學院藥物研究院副院長;2013年當選院校第六屆學術委員會執(zhí)委會委員。

　　2014.09起擔任中央民族大學副校長。

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