专注TIMS技术 加速推进转化医学研究——访布鲁克·道尔顿中国区组学与制药应用经理刘先明

当前，人类蛋白质组计划收录的质谱数据可覆盖人类约90%的蛋白，同比可映射至其他物种的蛋白。尽管如此，蛋白组学鉴定深度依旧受限于液相色谱分离能力、质谱扫描速度和灵敏度等因素。因此近些年，基于离子大小和结构在气相中进行分离的技术，离子淌度(Ion mobility spectrometry, IMS)成为质谱领域的关注焦点，并被引入到大规模蛋白质组学分析，使得蛋白质组学进入了4D新时代。4D-蛋白质组学是在3D分离即保留时间(retention time)、质荷比(m/z)、离子强度(intensity)这三个维度的基础之上增加了第四个维度，离子淌度(mobility)的分离，进而大幅度的提高峰容量、扫描速度和检测灵敏度，带来蛋白质组学在鉴定深度、检测周期、定量准确性等性能的全面提升。

　　自1960年代起，IMS和质谱检测器实现耦合，随后各种IMS方法被研发出来并不断更新。这其中包括漂移时间淌度谱(DTIMS)、行波离子淌度谱(TWIMS)、场不对称波形离子迁移谱(FAIMS)、呼吸式离子迁移谱(AIMS)和捕集离子淌度谱(TIMS)等。

　　在蛋白质组学研究蓬勃发展的大环境下，布鲁克于2016年推出了全新的质谱技术平台timsTOF，该系统的离子淌度分辨率超过了200，并将布鲁克专利TIMS(Trapped Ion Mobility Spectrometry)技术与布鲁克高性能的QTOF质谱联用，该仪器可在高分辨率下分析未知物及化合物构象。此后布鲁克专注提升TIMS核心技术性能，基于tims平台不断推陈出新，适配多组学研究中各种新兴的应用需求... 2022年，布鲁克推出timsTOF HT(High Throughput)系统，直面蛋白成像的难题与挑战，该系统搭载了第四代的TIMS技术，可实现更高灵敏度的分析、更快的扫描速度以及蛋白定性和定量的深度分析。可以说，布鲁克基于timsTOF持续进行着技术创新，并努力拓展蛋白质组学应用研究的边界。

　　在此背景下，仪器信息网特别采访了布鲁克·道尔顿中国区组学与制药应用经理刘先明，与他就timsTOF平台的里程碑产品技术、4D-蛋白质组学技术以及蛋白组学成像技术难点、未来发展趋势等话题进行了深入的交流。

　　布鲁克·道尔顿中国区组学与制药应用经理 刘先明

　　基于TIMS，但不止于TIMS

　　仪器信息网：在timsTOF的发展历程中，您认为具有里程碑意义的产品和技术有哪些?

　　刘先明：布鲁克2016年发布timsTOF第一代产品，采用了布鲁克独特的捕集离子淌度技术TIMS，超高的离子淌度分辨率可满足研究和分析的更高要求，奠定了布鲁克质谱技术拓展蛋白质组学领域的基础。

　　2017年发布的timsTOF Pro改变了蛋白组学的分析方式，在灵敏度和扫描速度上都有很大的创新性突破。比如原来常规的蛋白组学可能需要微克级别的样本分析，而在timsTOF Pro上只需要纳克级的样品就可以做到非常好的数据。

　　2019年，布鲁克发布了timsTOF fleX产品，结合质谱成像技术让4D-多组学拓展到了空间组学研究。而利用质谱成像技术在组织上分析代谢物、脂质、糖苷和蛋白质等在空间上分布的差异，会面临的一个重要挑战是成像像素点之间的相互叠加，为此，布鲁克近年接连推出了MALDI 2(二次激光电离)和MicroGRID技术，与质谱成像技术结合可大幅提升其空间分辨率和灵敏度。

　　2021年，布鲁克发布了单细胞质谱timsTOF SCP，专门针对单细胞组学应用。在这款商业化产品推出前，分析科学家们都有一个梦想，就是能否在单个细胞水平上研究蛋白组学，在细胞跟细胞之间进行差异分析。所以timsTOF SCP也是全球首款专门针对单细胞研究推出的商业化产品，可以说是单细胞领域一个划时代的产品。

　　高通量timsTOF HT 助力转化医学研究

　　仪器信息网：2022年布鲁克推出新品timsTOF HT，其关键词之一是“更宽动态范围”，timsTOF HT的哪些创新技术得以实现该特点?该技术突破能解决哪些以前解决不了的应用问题?

　　刘先明： 新品timsTOF HT，也是基于TIMS这一核心离子淌度质谱技术来打造的。首先该产品采用了第四代的TIMS XR cell技术和14位的Digitizer(数模转换器)，提升了离子容量，扩宽了分析的动态范围。不仅如此，timsTOF HT还能实现更快扫描速度(≥150 Hz)， 这有利于进一步提升蛋白质组学分析通量。针对一些生物医学领域的特殊样本，如体液蛋白组的深度鉴定，timsTOF HT在扫描速度、动态范围等核心性能的提升将为该应用领域的分析科学家提供更好的分析工具。

　　实际上，timsTOF HT的目标应用场景就是针对含有高丰度蛋白的体液样本分析和转化医学应用的临床大队列的分析，上文提到timsTOF HT在采集速度的提升上能够实现高通量分析，能够帮助临床大队列分析缩减时间成本。

　　可以说，timsTOF平台打造的每一代产品都拥有自己独特的应用特点。随着蛋白质组学研究越发精细化，早期我们关心的是样本鉴定了多少蛋白以及能定量多少蛋白。而现在蛋白组学研究的精细化体现在几个方面，一是翻译后修饰组学，其涉及的不仅是有哪些修饰、能鉴定多少修饰，更关注的是修饰的精准定位，比如在同一个修饰肽段上，在哪个位置准确鉴定和定量。另外一方面是研究方式的变化，早期研究更多基于一群细胞，现在已经发展到从单个细胞层面研究细胞表达的差异。此外，当前比较“火”的空间蛋白质组学，其需要结合质谱成像技术分析空间分布的差异。

　　新型质谱成像解决方案 直面蛋白成像的挑战

　　仪器信息网：我们关注到，布鲁克联合AmberGen推出了HiPLEX-IHC 肽编码抗体探针为timsTOF 系统推出新型的成像解决方案，并于近期将Miralys肽标签抗体试剂盒应用于timsTOF HiPLEX-IHC 工作流程中，请问该解决方案有哪些技术优势?对于质谱成像研究来说，该技术提升为质谱成像研究带来了哪些改变?

　　刘先明：质谱成像技术是基于组织的原位分析并进行分子的空间分布分析，在空间多组学研究发展如火如荼之际，基于质谱成像技术发展得较为成熟的有空间代谢组学、空间脂质组学、空间糖组学，而空间蛋白组学的分析还面临着非常多的挑战。对于MALDI技术来说，做大分子蛋白的直接成像比较困难。因此布鲁克联合AmberGen，基于HiPLEX-IHC 肽编码抗体探针标记目标蛋白，而该标签的连接是光裂解试剂，经过MALDI激光照射后，标签与抗体间的键断裂，便可以直接测定肽段的信号，肽段的信号的分布就代表了特定蛋白质在组织上的分布。此外，肽段标签的特异性更好、成本更低，因此该解决方案可以在空间蛋白组学研究中发挥更大的作用。

　　此外，HiPLEX-IHC技术目前已经拥有100多种抗体针对于不同的肿瘤的标志物，因为抗体具有特异性，可以与某些疾病的标志物进行结合，因此未来该技术有望在临床辅助诊断领域落地应用。

　　仪器信息网：您如何看待质谱成像技术未来的发展趋势?

　　刘先明：质谱成像技术在国际上已从部分前沿应用扩展到了临床辅助诊断等领域，比如欧洲一些医院已将质谱成像作为辅助工具，用在疾病临床诊断中。而制药领域中，质谱成像技术在新药开发、药物靶点研究、药物代谢等研究领域的应用也逐渐成熟。

文中提到的布鲁克2021年上市的新品——单细胞质谱timsTOF SCP，在日前由仪器信息网和我要测网联合举办的“2021年度仪器及检测3i奖颁奖盛典”上获得了2021年度科学仪器行业“优秀新品奖”，具体请见：12台仪器获殊荣！2021年度科学仪器行业“优秀新品奖”重磅揭晓