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                                        相伴6載,析維助力清華大學精密儀器系原創研究

                                        更新時間:2022-11-16      點擊次數:4381      更新時間2022-11-16

                                        許多偉大的原創研究,離不開儀器的創新。清華大學精密儀器系,正吸引著一批既懂儀器又懂應用的年輕人,開展原創性的研究工作。從清華到普渡再回到清華精儀系的馬瀟瀟正是其中一員。他的團隊開展了原創性的脂質組學研究,并正在改進現有質譜儀器設計、方法和算法,推動單細胞質譜和質譜成像朝著“非靶向、高通量、高內涵”進一步發展。近日,分析測試百科網采訪了馬瀟瀟副教授,他分享了自己的科研創新之路,和關于如何發展國產儀器的思考;而在支持國產儀器裝備方面,馬瀟瀟選擇了國產氮氣發生器,并分享了為質譜這匹好馬選擇好鞍的經歷。

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                                        清華大學精密儀器系

                                        與質譜的不解之緣

                                        在清華大型精儀系,馬瀟瀟主要開展質譜儀器系統、質譜分析方法和應用研究;研究方向涉及分子結構解析質譜儀器、單細胞深度組學質譜分析、高覆蓋多級質譜成像等。“我博士、博士后的所屬學科領域分別是分析化學和生物醫學工程,但其實一直是圍繞質譜開展研究。” 馬瀟瀟回顧了自己的研究經歷,“2007年起攻讀博士學位時,在張新榮教授指導下邁進了質譜的大門,主要開展應用研究。2012年底到美國普渡大學,在歐陽證教授和瑕瑜教授指導下,開始接觸質譜儀器及小型化和蛋白、脂質分析。2017年回國到清華精儀系工作,研究轉向通過質譜儀器開發與方法學創新,解決單細胞質譜、質譜成像等應用領域的重要問題。”

                                        馬瀟瀟目前主要從事“生命科學儀器與應用”方面的研究,團隊陣容強大,包括歐陽證教授、周曉煜副教授和張文鵬助理教授等,主要研究項目包括小型化質譜儀器基礎研究和應用集成研究、以及分子結構表征質譜和應用研究等。團隊近年來承擔了國家重點研發計劃項目、國家自然科學基金儀器研制專項和重點項目,融合利用碰撞誘導解離、紫外光解離和自由基解離等多種分子結構表征技術,建立了分子結構表征質譜系統。團隊也一直致力于小型化質譜儀器的應用和商品化,已經形成mini β、Cell多代系列產品和脂質反應器Ω Analyzer等,并與公安部、華山醫院、清華長庚醫院開展合作,推動便攜式質譜儀器在現場毒物檢測、術中快速檢測診斷等應用場景的落地。最近團隊獲批國家重點研發計劃項目,該項目將推動用于快速醫療分析的便攜式質譜系統研制。


                                        馬瀟瀟的研究工作被國際上幾十個研究團隊采用,并被Nature Methods、C&E News、Wiley等媒體報道。在Nature Communications,PNAS,Accounts of Chemical Research, Angewandte Chemie等國際期刊發表SCI論文30余篇。


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                                        具備結構分析能力的脂質組和代謝組的精準分析

                                        回顧研究的難忘經歷時馬瀟瀟說:“2014年博士后工作期間,我在瑕瑜教授指導下發展了光化學衍生輔助的脂質精細結構表征技術,并開展了生物樣本中大規模脂質的精準分析和相對定量。伴隨基因和蛋白質研究的興起,脂質研究曾一度陷入低谷。近10年來,對代謝表型和功能研究的需求和更強大代謝分析工具的出現,也在不斷推動脂質分析和功能研究?;貒?,除繼續開展一部分工作進一步提升脂質分析方法可獲得結構信息的維度外(Nature Communications 2020, 11 (1), 375),基于脂質和代謝物結構對功能研究的重要作用,主要從細胞、組織、器官等多層面開展具備結構分析能力的脂質組和代謝組的精準、多維分析。脂質組和代謝組作為架起基因組、轉錄組與飲食、藥物使用、環境等外部因素的橋梁,將為生物學和醫學研究提供更全面的視角。”


                                        當前,馬瀟瀟課題組主要關注單細胞質譜和空間代謝組學兩個方向。如何從單細胞這類極微量樣本中獲得大規模代謝物的多維度信息,一直是分析科學的挑戰。這些信息包括:分子種類、結構、空間位置、細胞形態、定量信息等。課題組將光反應與串聯MS (MS/MS)相結合,對脂質中的C═C成功定位,并對脂質C═C位置異構體和sn異構體同時定量。該方法已用于動物模型和臨床樣品的組織、血液和血漿的脂質組學分析,證明了使用脂質 C═C 或 sn 位異構體比率進行表型和疾病診斷的潛力。組織脂質異構體分離質譜成像和單細胞脂質異構體分析(Nature Communications 2021, 12 (1), 2869)也已通過正確實施上述方法得到證明,所建立的單細胞精細脂質結構和異構體定量方法,可準確鑒定出人非小細胞肺癌細胞中的耐藥細胞。受Accounts of Chemical Research期刊邀請,上述工作也一并于2021年以綜述形式發表。

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                                        具有高結構特異性的單細胞脂質組學的工作流程


                                        利用二次離子質譜技術,課題組實現了原生動物細胞中微塑料顆粒的空間定位和聚集狀態研究等。通過對生物體中環境污染物于內源性生物分子的同時檢測,為微塑料的環境毒理學效應研究提供了可靠方法。 相關成果發表在Analytical Chemistry, 2021, 93(13), 5521–5528。


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                                        非靶向、高通量、高內涵單細胞分析

                                        隨著研究的深入,馬瀟瀟發現,針對單細胞分析和高分辨質譜成像等應用場景,傳統的電噴霧和多級質譜分析模式并不適合:常規分析模式一般針對連續進樣設計,樣品絕對量足以完成質譜分析;但對于單細胞、單像素等極微量樣品而言,進樣時間很短(<1 s),采用傳統的四級桿質量掃描和基于離子阱的母離子碎裂等分析方法耗時相對較長,樣品利用率也很低。例如,在流式細胞分析中,細胞是快速、間歇進樣的,樣品絕對量低,分析時間短;采用傳統方法實現單細胞中生物分子的多級質譜分析,往往“顧此失彼”,由于樣品利用率低導致分析覆蓋度難以提升。

                                        為此,課題組提出將雙離子阱、離子淌度與多級質譜結合,通過離子預存儲等方法,顯著提升了單細胞等極微量樣品的利用率(80~90%),突破了分析通量和多維信息獲取間的內在矛盾,將分子結構覆蓋度提升了一個數量級。這項技術為非靶向單細胞組學和空間組學分析的最終實現提供了可行路徑和通用策略。以“非靶向、高通量、高內涵單細胞分析”為研究目標申請的項目近期也獲批國家重點研發計劃青年科學家項目支持。

                                        馬瀟瀟表示,在清華精儀系,生命科學儀器與應用團隊的同事有不同的專業背景,包括物理、儀器科學與技術、數學、化學、醫學等。學科交叉融合的創新氛圍有助于跳出自身專業的局限,拓寬視野;綜合運用儀器、算法和分析方法學等多學科交叉優勢,解決分析科學和生命科學領域的“真問題”。


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                                        馬瀟瀟工作實驗室


                                        氮氣發生器為質譜提供源源動力

                                        質譜在馬瀟瀟的科研工作中發揮了巨大作用,所謂好馬配好鞍,質譜儀有一個重要的外設就是氮氣發生器。我們看到,團隊實驗室的質譜配備了一系列的析維氮氣發生器。關于為何選擇析維,馬瀟瀟回顧說,2016年開始組建團隊實驗室時,曾考察過多家的氮氣發生器方案,最終選擇了上海析維醫療科技有限公司(以下簡稱“析維”)。當時主要基于兩個考慮:析維整體方案具有更高的性價比和完善的售后服務。從2016年至今,課題組使用析維的氮氣發生器已經超過6年,整體不僅運行良好,而且具有較低的后續維護成本。

                                        析維致力于“解放實驗室生產力”,16年來始終關注客戶的業務流程、投入研發,努力創新,以優質的產品、軟件及服務,助力客戶提高業務的質量和效率,先后取得了國家高新技術企業認證、ISO9001 認證等多項資質證明。


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                                        實驗室的析維氮氣發生器

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                                        國產儀器發展的挑戰和解決思路

                                        談到國產科學儀器這個大家關注的問題,馬瀟瀟表示,以質譜為例,經過近20年的發展,國內質譜領域無論是儀器整機研發、關鍵部件制造,還是儀器應用研究上都有了長足進步;但在高端儀器的核心部件、工業設計乃至真空泵等方面與國外還存在較大差距。今后還要繼續完善成果評價機制,鼓勵挖掘真問題、解決真問題的質譜儀器創新和研究。儀器制造廠商、高校等應加強交流,通過聯盟等梳理我國質譜儀器發展的路線圖,集中資源攻克關鍵核心技術,避免研發的同質化和重復研發。此外,國內科研機構與儀器廠商的互動也宜進一步加強,在合作中增進了解、發現問題、解決問題。

                                        就質譜儀而言,在中低端上已經實現了國產化,但在高端儀器上仍有不少差距。當然,這是儀器產業發展的自然規律,需要國家、企業和高校協同推進,久久為功。產品商業化的確會面臨很多實際問題,企業維持生產的動力和基礎是盈利。但在國產儀器在進入市場后往往會遇到國外公司的“降維、降價打擊”,盈利空間被壓縮,儀器采購者的心理也會發生變化,認為國產儀器的高性價比不復存在。如何解決上述問題?馬瀟瀟認為,國家的政策一定要支持、引導用戶采用國產儀器;同時儀器公司也要自立自強,未來幾十年大浪淘沙,就像新能源汽車產業的發展歷程一樣,一定能涌現出優秀的有國際競爭力和研發實力的國產儀器公司。此外,在小型化質譜儀器上,我國有一批優秀的儀器公司已經走在國際前列:站在用戶視角,以解決實際問題為導向,完善相關標準和方法,團結一致,共同將小型化質譜這一中國有望實現國際引領的方向做大做強。

                                        新機遇:人工智能和小型化質譜

                                        人工智能已經滲透到日常生活和科學研究的方方面面。拋開算法而言,深度學習要發揮作用,離不開高質量的數據。未來包括質譜在內的科學儀器在自動化、通量、分辨率、靈敏度水平上將進一步提升,以更快速地獲得更高質量的數據,結合智能算法,賦能生物醫療、食品安全、安保防控等應用領域。反過來,深度學習也有望通過智能模型的建立,加速數據生成的速度和維度。馬瀟瀟實驗室在加速質譜成像的算法方面也正積極開展工作,以期進一步提升二維和三維質譜成像的速度,促進質譜成像技術在更多場景的應用。此外,未來期待國家在小型化質譜、超高靈敏度電荷探測質譜(CDMS)等方向實現技術和應用突破,成為中國科學儀器領域自主創新的旗幟。

                                        人物簡介


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                                        馬瀟瀟,清華大學精儀系副教授,博士生導師。2017年加入清華大學精儀系,任助理教授,2020起任副教授。從事質譜儀器研制及單細胞質譜、質譜成像應用研究。任Metabolites編委,《分析測試學報》和《Chinese Chemical Letters》青年編委,Frontiers in Chemistry客座副編輯(Guest Editor)。作為項目負責人承擔國家重點研發計劃青年科學家項目、國家自然科學基金面上項目等。獲中國儀器儀表學會-金國藩青年學子獎(2019)、中國物理學會-質譜青年獎提名獎(2021)、清華大學-徐工獎教金(2022)。2020年入選教育部青年長江學者。

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                                        關于析維




                                        解放實驗室生產力!




                                        上海析維醫療科技有限公司,作為實驗室氣體供應解決方案和實驗室自動化、物聯網產品服務品牌,16年來始終關注客戶的業務流程,投入研發,努力創新,實時掌握氣體處理、自動化、物聯網等前沿技術,以優質的產品、軟件及服務,助力客戶提高業務的質量和效率。如今,析維產品在多國多地區銷售,為包括國內外各大科研院所、國內三甲醫院、國家部委、海關、第三方檢測機構在內的數千家客戶提供服務,在國際上樹立了良好的口碑,彰顯了自主創新的中國力量。


                                         

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