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杭州质谱大会系列专访——再帕尔·阿不力孜教授

2023.6.02
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南州

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再帕尔·阿不力孜教授:40年质谱飞跃发展 源头创新正当其时


  导读:2020-2023年中国质谱学术大会将于2023年6月9-13日在杭州举办,本次大会是中国质谱界的一次盛会,旨在促进学界团结进步、和谐发展、共赢未来,提高学术交流水平,推动质谱技术在各大科技领域的广泛应用。大会由中国物理学会质谱分会联合中国化学会质谱分析专业委员会和中国仪器仪表学会分析仪器分会主办,浙江大学承办。大会将邀请国内外质谱领域的专家学者齐聚一堂,共同探讨交流质谱领域最新的科研进展和前沿技术。本此大会的主题为砥砺奋进四十年,共筑中国质谱梦。会议主页链接如下:http://www.cmss.org.cn/index.php?r=site%2Fcae-home&mid=19,欢迎大家报名参会。

  回溯屠呦呦获得的Nobel奖,质谱在青蒿素的结构鉴定中发挥了重大作用。今日,在药物研发到质控的全周期中,质谱技术都是最重要的一种分析工具。从离子化机理的基础研究,到发展药物分析新方法,再到研发新型敞开式离子化装置及其质谱成像技术,并应用到代谢组学的前沿,再帕尔·阿不力孜教授用自己38年结缘质谱的经历,诠释了科研工作的魅力和本质:现代科研大多数杰出的成果,均来源于对仪器装置的大胆改进,并应用到前沿探索和发现中。近日,分析测试百科网采访了中国分析测试协会副理事长、中国质谱学会原副理事长、中央民族大学原副校长和北京协和医学院特聘教授再帕尔·阿不力孜教授,他分享了自己的科研经历,并对中国质谱分会成立40年间的中国质谱发展之路提出了许多真知灼见,希望激励更多质谱同仁,一同运用质谱的强大工具来不断探索发现,为人类的健康和发展共同努力。

中国分析测试协会副理事长、中国质谱学会原副理事长、中央民族大学教授、中国医学科学院药物研究所研究员 再帕尔·阿不力孜

  1985年,24岁的再帕尔被选派为新疆维吾尔自治区第一批赴日留学生。当时,再帕尔第一次接触了质谱技术,并从事质谱离子化机理的基础研究。从那时起,他一直以质谱技术和质谱解析为自己的研究核心,迄今已经有38年的时间。“可以说,质谱是我唯一或者最重要的研究手段。”回国后,再帕尔在中国医科院药物研究所主要从事基于质谱技术的药物及中草药复杂成分分析方法研究。大约十年后,结合自己早期的离子化机理研究,再帕尔开始研发和改造离子化装置,开展敞开式离子化技术与质谱成像研究,并利用这些新手段、新方法去拓展应用,从化学结构分析,到代谢组学、疾病标志物的发现、空间分辨代谢组学等。

  2004年美国普渡大学Cooks教授等人在《science》上首次发表DESI技术,从而常压敞开式离子化技术成为近年来质谱极其活跃的创新领域。DESI需要被测样品与采样锥孔间距离非常近,才能保证足够高的灵敏度;而对于远距离或较大组织样品,难以将离子高效传输到质谱分析器进行高灵敏分析。再帕尔课题组于2011年自主研发出新型敞开式空气动力辅助离子化技术(Air Flow Assisted Ionization,AFAI,后改称为AFADESI),其基本原理及其早期应用工作最早发表于2011年的RCM上;该技术借助0.5米或更长的空气动力辅助传输管,实现了远距离离子传输,提高了离子化效率,并且放置样品的空间充裕,可轻松调整位置。在此基础上,利用该离子化技术优势与特点,发展了新型敞开式质谱成像技术(AFADESI-MSI),并应用于整体大鼠体内药物成像分析和肿瘤生物标志物的原位筛查及免标记分子病理诊断的研究,积极推动了空间分辨代谢组学方法等。相关成果相继发表在Analytical Chemistry、Acta Pharmaceutica Sinica B、Advanced Science、PNAS上。

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整体大鼠体内药物成像分析的AFADESI-MSI质谱成像技术示意图

  在2019年《PNAS》“Spatially resolved metabolomics to discover tumor-associated metabolic alterations”的研究论文中,再帕尔课题组采用AFADESI-MSI技术,建立了高灵敏的空间分辨代谢组学方法,提出一种“下游代谢物与上游代谢酶关联”的研究策略来表征肿瘤代谢改变;通过对食管癌潜在原位标志物进行代谢通路分析,并对通路上相关联代谢物的分布特征进行原位可视化表征,分析其空间变化趋势,结合免疫组化分析验证,发现并验证6个在食管癌中异常表达的代谢酶。该研究从代谢物和代谢酶两个层次深入探究食管癌的原位代谢改变,发现并可视化表征食管癌异常的代谢通路及其代谢酶。



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原位可视化表征谷氨酰胺代谢通路中关键代谢物及代谢酶的结果

质谱发展40年 变化翻天覆地

  回顾中国质谱的发展,再帕尔教授感叹:中国质谱学会成立40多年以来,中国质谱发生了翻天覆地的变化。50-60年代,我国建立分析仪器厂开始研制质谱仪,但是由于种种原因中断;中国质谱学会成立的1980年刚开始改革开放,当时国内仅有少数单位从国外引进质谱仪主要从事分析检测和一些应用研究。90年代,在国内质谱技术已作为一种常用的检测手段,当时再帕尔刚从日本留学归来,开始采用磁质谱仪开展分析检测与相关研究。90年代末开始,质谱研究队伍逐渐壮大,质谱开始成为重要的研究手段,再帕尔那时参加并参与举办过多次质谱学术研讨会。2000年后,质谱在国际和国内都开始普遍推广和应用,尤其是电喷雾电离(ESI)技术和基质辅助激光解吸电离(MALDI)技术获得2002年诺贝尔奖之后,质谱技术在生命科学领域的应用迅速拓展。今天,质谱已经成为最重要的分析手段之一。

  再帕尔感概道:“这十多年来,在我国不管是质谱学会,还是国产的质谱仪器,都发生了天翻地覆的变化。”将质谱技术作为关键研究手段的学科领域和科学家越来越多、越来越备受关注,质谱的应用领域不断扩展。很多科研与应用领域都在使用质谱技术,从把质谱作为常用的检测手段到今天已经把质谱作为重要的研究手段;从化学化工、医学医药领域已经扩展到临床、航天等许多新的领域。可以这么说,质谱现在发挥“顶天立地”的作用。因此,中国质谱经历了从开始认识、个别单位引进、到成为常用的检测手段、再到普遍使用、最后发挥重要作用的飞跃变化。

  从技术上来说,十五年以前,中国的科研人员都是用进口的仪器来开展研究。近年来,大家非常关注新技术新方法的研发,在积极推动质谱仪器与装置的自主研发。在应用方面,最初是用质谱检测后做一些图谱解析,现在通过发展质谱新技术与方法,积极推广到单细胞组学、代谢组学、蛋白质组学、临床等很多领域,并不断拓展质谱的应用。

期待源头创新

  再帕尔谈到对国产质谱的期待时说:过去我们主要以引进进口质谱仪为主,近十多年来,国家高度重视科学仪器的自主研制工作,科技部和国家自然基金委设置了仪器研发的项目,国内很多老质谱人和青年归国的人才都开始注重发展新技术新装置,近年来取得非常大的进步。现在,对于科学仪器的研制,科技部设有仪器开发专项,自然基金委有1000万以上的重大研制专项,也有1000万以下自由申报的项目。这些项目的设立,激发了许多原来侧重于做应用的科技人员,开始关注仪器研制和创新,其中质谱仪器和装置的研制是一大重点。质谱研发企业也从原来的寥寥几家发展到现在百花齐放,都在推动我国质谱仪器的进步。

  在国产质谱取得可喜进步的同时,再帕尔也对国产质谱提出了一些期待。目前在质谱仪研制的关键核心技术和许多方向上,国产质谱还是以跟踪、仿制为主,这在发展初期是必要的。但是今后,国产质谱应该迈向源头的原理创新,要认真思考如何实现弯道超车。

如何源头创新

  国外质谱企业已有数十年甚至上百年的技术积累和基础优势,我们只是跟随将很难超越,因此需要思考与谋划源头原理的创新和面向未来新技术的开发,再帕尔提出了几点思路。

  首先,除了需要满足现有市场需要的广谱型质谱外,近期人工智能备受关注,可考虑结合人工智能等学科,发展一些功能专用型或者小型化的仪器。因为在很多应用领域,都期待更快、更高效、更灵敏、更高分辨的质谱。有时候上述特点会集成于一台仪器上,也有时候只需发挥个别特点。通过上述思路,有可能进行源头创新。

  其次,离子化技术可能是一个创新点。目前质谱仍然有很多问题没有解决,比如质谱离子化技术,现在没有一种离子化技术或离子源可以对所有化合物同时实现离子化,而需要根据化合物的不同性质采用不同的离子源,这就限制了质谱技术的高效全面分析。假如有一种离子源能够使所有样品及不同性质的化合物同时离子化,将是重大的源头创新。

  第三,多学科交叉联合攻关。研制先进且面向未来的质谱仪器,实现更快、更高效、更灵敏、更高分辨的质谱技术的发展,单靠分析化学家是不够的,还需要数学家、物理学家甚至生物信息学、人工智能等领域的专家学者,与分析化学家一起组成多学科交叉联合攻关的研发队伍,更有利于发展出新原理的质谱仪。

美好希冀 永远发光

  2020-2023年中国质谱学术大会由中国物理学会质谱分会联合中国化学会质谱分析专业委员会和中国仪器仪表学会分析仪器分会主办。在此,再帕尔教授对大会召开和学会发展提出了美好期望。

  质谱大会从原来二三百人参会发展到现在的两三千人,它的未来发展非常宽广、非常具有生命力。首先,质谱具有市场大、前景好、应用宽的特点,期望能借此机会和未来发展前景,加快整合相关学会、协会力量和不同领域的科技人员,尽快实现一级质谱学会的成立。其次,年轻人是未来的希望,现在有很多优秀的青年人才,期望他们能再接再厉,早日实现质谱创新和领先。

  再帕尔曾担任过三届中国物理学会质谱分会的副理事长,并曾任中国化学会质谱分会的二届副主任委员,作为质谱学会长期的组织者之一,再帕尔深情说道:“我作为一名老质谱人,是在前辈们的扶持指导下成长起来的,未来期望能发挥我的微薄之力和余热,为质谱发展继续贡献力量。”

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