医学成像技术是能够提取生物体内组织或器官的形态、结构以及某些生理功能的信息，为生物组织研究和临床诊断提供影像信息的一门科学。随着科学技术的进步，医学成像技术所涉及的范围越来越广，有X-射线成像、超声波成像、磁共振成像、红外线成像和放射性核素成像等。
近年来，质谱分子成像(MSI)技术引起了国内外科研工作者的关注，进行MSI研究的科学家也越来越多，有关MSI的新技术、新方法不断涌现。中国医学科学院/北京协和医学院药物研究所(简称药物研究所)再帕尔·阿不力孜教授带领项目攻关组，这几年致力于开发MSI新技术，并积极开展在新药研发和临床病理诊断的应用研究。近日，仪器信息网编辑采访了再帕尔·阿不力孜教授。药物研究所贺玖明博士陪同采访。
再帕尔·阿不力孜教授
什么是MSI?
MSI (Mass Spectrometry Imaging，质谱成像)是新兴发展起来的基于质谱检测技术的一种成像方法，在药学和医学领域的应用还处于起步阶段。与其它影像技术相比，MSI技术无需标记，是一种深入到分子层面的成像技术，不局限于一种或者几种分子，可以对一些目标和非目标性分子同时进行成像分析;它不仅可同时反映多种分子在空间上分布的信息，还能够提供分子结构信息。因此，其在新药研发、原位生物标志物的发现、医学临床病理诊断等方面有非常值得期待的应用前景。
对于MSI成像设备，由关键的两部分组成：离子化探针技术和质谱分析器(含检测技术)。目前质谱分析器已经非常成熟，涉及到的仪器主要有飞行时间型质谱(TOF)、离子阱质谱(IT)以及四极杆-飞行时间型质谱(Q/TOF)等。待测样品被离子化并按区域依次导入质谱分析器，进一步通过软件对质谱数据进行重构获得成像图，离子化效率和区域大小关系到后续成像的灵敏度和分辨率。近二十多年质谱离子化技术的突破和多样化发展，促进了质谱成像的发展。
根据成像原理及其离子化技术的不同，MSI技术可以分为探针型和面阵型，其中面阵型对检测器硬件的要求高，尚未有商业化的面阵型MSI装置，目前主要是探针型MSI技术在发展。探针型MSI技术按照离子化方式进行分类，主要包括以下三大类型：需要在真空条件下进行离子化的二次离子质谱( SIMS)成像、基质辅助激光解吸电离(MALDI)质谱成像以及近几年发展起来的以解吸电喷雾电离(DESI)为代表的常压敞开式离子化质谱成像技术等。
SIMS技术的优势是不需要复杂的样品处理，具有很高的空间分辨率，可达到纳米级的空间分辨率，主要应用于样品表面的元素以及有机小分子的成像分析。MALDI-MSI是目前最成熟、应用最为广泛的MSI技术，尤其适合于蛋白质、多肽等生物大分子的质谱成像分析。然而，在MALDI-MSI成像分析中需要添加基质辅助电离，基质的加入会导致小分子目标物的分析受到影响，而且需将样品引入高真空的封闭有限空间，操作不方便。纳米结构启动质谱(NIMS)是近几年发展的与MALDI类似成像技术，它能以极高的灵敏度分析非常小的区域，从而允许对肽阵列、血液、尿和单细胞进行分析。
常压敞开式离子化质谱成像技术，其特点是不需要真空环境，样品前处理方式及实验操作较为简便。它主要包括解析电喷雾(DESI)、等离子体探针(LTP)、解析大气压化学电离(DAPCI)、空气动力辅助离子化(AFAI)和多种辅助方式的大气压激光解析离子化方法等。
在了解了MSI的分类之后，再帕尔教授深入浅出的讲解了质谱成像的样品处理方法。对于生物组织来说首先需要制作成冷冻切片，通过扫描切片检测分子在组织内不同区域的分布情况。MALDI-MSI需要将冰冻切片固定在导电载玻片上，还需要添加适当的基质;常压敞开式离子化MSI，只需将冰冻切片固定在防脱的载玻片上即可。另外，如果是整体大鼠切片则需要采用大型冰冻切片机，尽可能获得包含所有器官的整体切片。扫描一个组织器官切片获得成像一般需要几十分钟，而扫描整个大鼠切片有可能要用近十小时。
AFAI解决了什么问题?
提到再帕尔教授和MSI，就不能不说空气动力辅助离子化(Air Flow Assisted Ionization ，AFAI)技术。AFAI技术是由再帕尔教授牵头，其实验室与清华大学王晓浩教授课题组共同研制成功的新型常压敞开式离子化技术，并于2011年在《Rapid Communication in Mass Spectrometry》期刊发表的论文中首次提出。随后，再帕尔团队采用AFAI技术研发出AFAI-MSI新方法，并于2013年在《Analytical Chemistry》上发表了介绍AFAI-MSI技术的论文，详细描述了基于该技术的整体大鼠体内药物成像分析方法，2015年在同一期刊上又发表了可获得与药物作用机制直接相关的内源性功能小分子及其分布特征的成像代谢组学分析方法最新研究成果。
再帕尔教授讲到AFAI的时候，饮水思源的谈到了美国普渡大学Cooks教授课题组的发明：2004年Cooks等人在《Science》上发表论文介绍了新的解析电喷雾电离方法“DESI”。ESI本来就是常压下可电离的离子源，Cooks化繁为简的给ESI离子源去掉了封闭外壳，实现了无需复杂前处理的样品表面分析。这十年来，在DESI这种常压敞开式离子化技术的研究基础上，发展出了近40种不同原理或不同类型的常压敞开式离子化技术，AFAI就是其中之一，也可称之为AFA-DESI。
AFAI实景仪器图
接着，再帕尔教授讲述了AFAI的研发经历：“原本我们实验室的主要研究方向是基于质谱技术的天然产物及药物分析方法及其新药研发应用研究工作。DESI这种新型离子化技术的出现给我们团队带来了新的想法”。从2005年开始，再帕尔带领清华大学精密仪器系的王晓浩课题组、东华理工大学的陈焕文课题组等组成研发团队，共同开展了新型的敞开式场解析离子化技术的研发工作。开始阶段，他们也曾走过弯路，例如，最初提出的离子化模型理论虽被证明，但实用性不强。在不断探索中，他们发现在大气压条件下，空气流能很好地传输离子或带电液滴并促进离子化，提高了常压敞开式离子化技术质谱分析的灵敏度和稳定性。这项技术被不断完善，最终命名为空气动力辅助离子化(AFAI)，而且AFAI离子源可以与具有大气压接口的多种质量分析器匹配，兼容性很好。
与DESI相似，AFAI不需要真空也不需要复杂的样品前处理。AFAI的最显著特点是可以实现较远距离或较大体积样品的高灵敏分析，扩展了待测样品的空间和操作灵活性。简单来说，AFAI技术的原理是：传输管内有高流速空气及外加电场，样品离子通过传输管传输至质谱分析器的采样锥孔富集。此过程能提高离子采集与传输效率，还具有促进带电液滴脱溶剂、增加样品离子产生的作用。它解决了常压敞开式电离中面临的灵敏度低、检测样品空间小的问题。再帕尔教授用简单的话语通俗的说明AFAI的优势：“DESI等离子化技术需要被测样品与采样锥孔之间非常近，这样才能保证灵敏度。这个特点限制了成像分析的实施，对于较大的组织样品(如大鼠切片)，无法放进离子化探针所在位置，难以实现离子的有效传输到质谱分析器进行高灵敏分析。而AFAI借助0.5米或更长的传输管，实现了远距离离子传输，放置样品的空间非常充裕，且可轻松调整位置，用这样的方法，包括大鼠切片等较大组织的成像分析难题就解决了。”
由于再帕尔教授从事的工作需要，他时刻考虑用新技术来解决药物分析中面临的难题。药物在整体动物体内的靶向作用、分布特征及其动态变化是新药研发成功的必需关键信息。目前，主要的技术手段之一是放射性自显影技术(WBA)，它能够实现整体动物体内的药物成像分析，但这种技术需要同位素标记，成本高昂，而且不能区分药物和代谢产物。在AFAI技术成功研制以后，再帕尔教授首先想到利用AFAI从动物实验入手进行药物成像方法研究：“因为AFAI几乎不需要样品前处理，还适合远距离大体积样品检测，非常适合发展成为新的质谱分子成像技术。”于是，再帕尔团队沿着该研究方向积极推动基于AFAI的质谱成像技术研究工作，就这样AFAI-MSI技术平台逐渐建立了起来，并首先应用于药物及其代谢产物在动物体内的成像分析，其“整体动物体内药物分析的质谱分子成像新方法”也在这个过程中应运而生。
整体动物体内药物分析的质谱分子成像（AFAI-MSI）方法
在追问用AFAI这种新型离子化技术用于成像的优势时，再帕尔教授回答编者：“前面提到了AFAI具有离子传输管这种特殊装置，将这种技术用于质谱成像时，远距离和大体积样品的成像如整体大鼠体内分子的成像问题便迎刃而解了，针对整体动物切片无需进行切割即可实现体内药物成像分析，做到了真正意义上的整体动物分子成像。另外，AFAI实现了常压敞开式离子化技术灵敏度的提高，在用AFAI-MSI技术进行动物体内药物分析时，不仅可以检测药物及其代谢产物，也可检测多种内源性代谢物在体内的分布。由于以上两个特点的支持，我们这几年开展了基于AFAI-MSI技术的代谢组学分析方法与应用研究工作，并提出了成像代谢组学新方法，在药物作用机制及癌症临床病理诊断方法研究方面取得了一些新进展。”AFAI在质谱成像技术中的优势比较明显，但是再帕尔教授也表示，常压敞开式MSI技术的主要缺点是空间分辨率不高，这是我们面临的重大技术挑战问题。因此，一方面需要继续改进技术，另一方面今后一段时期的重点研究方向是基于AFAI-MSI技术的原位代谢组学方法研究，并致力于新药研发相关的药效及毒性的预测与评价、药效作用机制和恶性肿瘤的临床分子病理诊断研究。
MSI距实际应用还有多远?
MSI技术发展的十几年来，在生命科学、材料科学及生物医学等领域的应用研究取得了许多突破。但作为一种新兴的分子影像技术，其有待进一步发展和创新。谈到MSI技术的研究难点和发展方向时，再帕尔教授说：“目前MSI的发展难点之一是空间分辨率有待提高，只有提高到一定程度才能实现单细胞水平的成像分析。二是灵敏度有待提高，除了生物组织中高含量脂质类物质之外，更需要实现低丰度分子的成像检测。难点三是发现与疾病相关的生物标志物难度大，目前还没有成熟的质谱成像仪器实现临床医学的应用，这个难题如果能有突破进展将对临床分子病理诊断及早期诊断有很大帮助。”
到目前为止，MSI技术已经为药学和医学研究领域带来了一些新的视角。再帕尔教授总结到：“质谱成像技术的发展已经实现了整体动物成像和同时对体内数百种的内源性代谢物进行成像分析。将来的成像技术还将在分子作用机制研究方面有更广阔的发展，不仅仅针对药物本身分析，而且还有助于研究药物的作用机制和药效毒性预测，这将推动新药研发的进度。也希望活体在线质谱成像检测技术能在未来的研究中取得突破。同时使MSI技术真正应用于临床分子病理诊断、恶性肿瘤的早期诊断和术中的实时指导等需求中。”
再帕尔·阿不力孜教授课题组成员合影
再帕尔·阿不力孜教授（左）、贺玖明博士（右）与本网编辑合影
采访后记：通过对再帕尔教授的采访，编者对MSI技术特别是AFAI有了明确而直观的了解。对于新药研发和临床诊断与治疗而言，不仅需要关注药物本身在体内的分布及其变化，更需要了解药物干预下动物体内功能分子的动态变化，从而为药物的作用机制和毒性评价等提供整体、全面、原位的分子信息。此外，通过发现原位标志物，了解其在疾病发生发展中的变化规律，可以帮助癌症等重大疾病的临床早期诊断或疗效评价，甚至实时指导临床手术。愿MSI这双“眼睛”能给生物医学等领域带来更多新发现。
自主研发我们自己的新技术甚至新装置是我国科技领域任重道远的重大任务。除了AFAI-MSI技术以外，我国还有许多科研工作者致力于质谱成像技术的研发，并相继发明了大气压介质阻挡放电电离(DBDI)、等离子体探针(LTP)、解吸大气压化学电离(DAPCI)和等离子体辅助激光解析离子化(PALDI)等新型离子化及其质谱成像技术。我国的MSI技术研发与应用已经步入世界先进行列，愿我国的科学家们能够凭借这些先进的MSI技术、结合世界前沿领域来开发更多属于我们自己的新成果。
附录 再帕尔·阿不力孜 简历
维吾尔族，理学博士，无党派人士。现任中央民族大学副校长;中国医学科学院/北京协和医学院(简称院校)药物研究所研究员、博士生导师，院校学术委员会执委会委员，药物研究院副院长，国家药物及代谢产物分析研究中心主任，天然药物活性物质与功能国家重点实验室副主任。国务院学位委员会第七届学科(药学)评议组成员，“863”计划项目首席专家，首批“新世纪百千万人才工程”国家级人选，享受国务院政府特殊津贴专家。中国分析测试协会常务理事，中国物理学会质谱分会副理事长，北京质谱学会理事长，中国化学会质谱分析专业委员会副主任委员。北京市政协常委。
教育背景
1979.09-1983.07 新疆大学化学系分析化学专业学士学位
1985.09-1988.03 日本明星大学化学系硕士研究生，理学硕士
1991.04-1993.05 日本东邦大学理学院化学系招聘研究员，并获得理学博士
工作经历
1983.08-1985.09 新疆大学化学系助教
1988.04-1991.04 新疆大学化学系助教、讲师、副教授
1993.05-1994.07 日本东邦大学药学院客座研究员
1994.10-1996.11 中国医学科学院药物研究所博士后
1996.12—至今 博士后出站后作为引进人才，在药物研究所工作至今。
1997年2月被聘为研究员，2000年被评为博士生导师，1998年至今担任所学术委员会委员
2001.10-2002.03 日本科学技术振兴事业团及日本千叶大学分析中心客座研究员
2002年起先后担任药物研究所仪器分析中心主任、“国家药物及代谢产物分析研究中心”副主任、主任
2004.06-2009.05 中国医学科学院/北京协和医学院(院校) 院校长助理
2009.05-2013.04 院校科技管理处处长
2013.04-2014.09 研究生院常务副院长
2011年—至今 兼任天然药物活性物质与功能国家重点实验室副主任、中国医学科学院药物研究院副院长;2013年当选院校第六届学术委员会执委会委员。
2014.09起担任中央民族大学副校长。