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  近日,我室鞠熀先教授研究组在质谱成像分析方面取得重大进展,相关成果“MALDI-MS Patterning of Caspase Activities and Its Application in theAssessment of Drug Resistance”于421日在线发表于Angew.Chem. Int. Ed., DOI: 10.1002/anie.201601096。该成果由14级博士生胡骏杰为第一作者,鞠熀先教授为通讯作者完成。

质谱技术由于高通量和免标记的优势,在酶活性分析中得到广泛关注。然而,由于生物样品的成分复杂,组分丰度的分布差异大,其应用常被复杂的样品前处理所限制。为简化繁琐的样品前处理和数据分析过程,鞠熀先教授研究组发展了质谱成像分析新技术,实现了对多种酶活性的便捷可视化分析。该工作首先需攻克质谱成像分析尤其是通常MALDI-MS检测存在的难题,大幅度提高质谱信号与信噪比,从而通过逐点扫描,获得清晰的质谱图像。该课题组以磷脂分子修饰多肽底物,利用具有两亲特性的磷脂分子保证其在疏水玻片表面的有序组装,构建模拟生物膜,从而增强MALDI芯片的表面生物相容性,以使分析对象酶更易接近其底物,大幅度提高了质谱信号;同时这一设计增加了酶反应产物的分子量,可以避免基质与生物样品中杂质的干扰,改善了检测信噪比与质谱分辨能力。他们以含半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶家族(Caspase-1, -2, -3-8)为模型,将相应多肽底物分别与磷脂骨架的分子连接并组装嵌插于疏水玻片表面,制备出用于酶活性检测的阵列芯片;在目标酶的作用下,底物被剪切产生质量位移,各酶的活性通过酶切产物的质荷比进行颜色编码,实现了多种酶活性的可视化与高通量定量检测(图1)。这一方法已成功用于细胞内水解酶家族的抑制剂筛选和化疗过程癌细胞中Caspases酶活性演化的监测,为耐药性细胞鉴别及抗癌药物筛选提供了有力工具,并可方便地扩展应用于其它酶系统,为探究更多过程中酶的作用机制提供了新途径。

1.质谱芯片的制备及Caspase酶活性的可视化分析原理

鞠熀先教授研究组自2000年开始质谱研究,以解决实际问题为出发点,建立了海洛因及其代谢物的LC/MS分析方法及鼠药的GC/MS快速检测方法等。2010年后,随着生命分析化学国家重点实验室的建立与生命科学研究的需求,该研究组将纳米技术、化学衍生及化学生物学与传统质谱分析方法结合,通过功能化碳纳米角、磁性碳纳米管等纳米材料,提出低丰度生物小分子(Chem. Eur. J., 2013, 19, 102-108)与蛋白(Nanoscale,2014, 6, 3150-3156)的选择性富集手段,建立了无需另加基质的MALDI-MS检测方法。特别是,针对阻碍MALDI-MS定量分析的瓶颈,该课题组利用分子标记实现了MALDI定量(Anal.Chem., 2014, 86, 8275-8280; Anal. Chem., 2015, 87, 4409-4414),并用于多肽和酶活性的定量检测,创造性地改变了传统认识,扩展了这一技术的应用范围。