血清脂质高通量高覆盖检测技术助力肿瘤诊断

 ——浙大化学系-汇健纳米医学与创新诊断技术联合实验室（Laboratory of Nanomedicine & Innovative Diagnostic Technologies）研究进展

     

     脂质分子是细胞膜的关键组分，参与多种重要的生命活动。多种疾病的发生发展与脂质代谢密切相关，如糖尿病、肥胖症、非酒精性脂肪肝等。越来越多的研究表明，在肿瘤的发生与发展过程中，肿瘤细胞通过影响脂肪酸、磷脂和胆固醇等脂质分子的摄取、合成和分解，引起脂代谢重编程。脂代谢重编程产生的信号分子可激活肿瘤相关信号通路，促进肿瘤细胞增殖、侵袭和转移。因此，研究肿瘤发生、进展和转移过程中各类脂质分子种类及含量的变化，对于揭示肿瘤发生机制、肿瘤早期诊断、复发转移监测及抗肿瘤药物靶点发现具有重要意义。

      血清作为临床诊断最常规的医学样本，蕴含丰富的脂质信息。现阶段，常规的血清生化分析仅仅提供了粗略的脂质信息，如胆固醇、甘油三脂、高密度和低密度脂蛋白等指标。这些基本的血清脂质信息可为心血管及内分泌疾病的临床诊断提供有价值得信息。然而，常规血清生化检测所提供的脂质信息不够丰富，无法建立脂质分子变化与肿瘤及其他疾病的相关性。脂质根据其结构特征分为多种亚型，包括甘油磷脂、鞘脂、游离脂肪酸、甘油酯、胆固醇、胆固醇酯、孕烯醇酮脂类、糖脂等。上述每一种亚型中又包含脂肪链长度、不饱和键数量和位置不同的多种脂质分子。因此，要揭示疾病与脂质分子的相关性，对脂质分子进行高通量高覆盖的检测极其重要。目前，脂质组分析的主要平台是液相色谱-质谱联用（LC-MS），这得益于其较高的脂质检测覆盖率（正离子模式下单次分析可同时检测约300个脂质）。然而，LC-MS平台分析过程比较耗时，每300例血清样本检测时间约为一周时间，限制了其在大队列疾病筛查及诊断中的应用。表面辅助激光解吸电离（SALDI-MS）平台作为一个高通量平台，可在数秒内完成对单个样品的分析，是大队列临床样本分析的理想平台。但由于大多数SALDI靶材对脂质检测的偏向性及不同脂质的相互抑制效应，SALDI-MS在正离子模式下对血清脂质检测覆盖率极低，单次检测仅可获得41种可鉴定的脂质信息。

近日，浙江大学化学系邬建敏教授带领的纳米医学与创新诊断技术联合实验室，在分析化学领域顶级期刊Analytical Chemistry上发表了题为 “Dual Mechanism Driven Strategy for High Coverage Detection of Serum Lipids on Novel SALDI-MS Target”的论文。

 

该实验室提出了热和电荷双驱动机制下的激光解析离子化策略，通过金属辅助刻蚀及逐步自组装的方法，成功制备金-聚多巴胺修饰的垂直硅纳米线（VSiNW-Au-PDA）。在血清脂质的SALDI-MS分析中，硅纳米线表现出极高的热驱动解析效率，而纳米金修饰所构筑的金属-硅纳米线异质结极大地提高了纳米材料表面光致电荷的积累能力，促使了电荷驱动的解析离子化过程。电荷驱动在促进极性脂质解析离子化的同时，使得中性脂质获得足够的能量分配，保证其高效离子化（图1）。

图1 脂质在新型SALDI-MS平台下的激光解析离子化及应用

该新型SALDI-MS平台实现了正离子模式下血清脂质的高覆盖率检测，单次分析可获得236个（S /N≥5）有效脂质峰信号，其中涵盖八大类脂质。在上述脂质信号中有107个脂质分析被准确鉴定。结合实验室前期开发的负离子模式下具有优异脂质检测性能的VSiNW，可实现正负离子模式下血清中479个（S/N≥5）有效脂质峰的检测（图2）。这是目前SALDI-MS平台下可检测到的最多脂质数量，将成为SALDI-MS技术的新标杆。此外，该质谱技术具有极高的检测通量，在90分钟内即可完成300例样本的测试，将为临床大队列研究和大规模疾病筛查提供重要手段。

图2 .不同SALDI-MS材料用于血清脂质分析（a）AuNPs，VSiNW，VSiNW-Au-PDA对人体血清进行SALDI-MS分析的质谱图。（b）三种纳米材料在血清脂质检测数量上的差异。（c）三种材料及其组合在血清脂质SALDI-MS分析中检测到的峰数量对比（S/N≥5）。

该平台在脂质组学临床应用中表现出巨大的潜力。实验室联合浙大附属邵逸夫医院肝胆外科专家梁霄教授开展了肝癌血清脂质组分析。采用该技术对57例HCC肝癌患者和76例健康对照者的血清样本进行了分析，所用时间仅为90min。通过多维统计分析、特征脂质的筛选以及人工神经网络模型的构建，最终对肝癌患者的诊断准确率高达94.4%，AUC值可达0.983。更加令人欣喜的是，该模型可成功诊断 26例甲胎蛋白（AFP）阴性的肝癌患者（图3），预示脂质组信息在肝癌精准诊断中具有重要价值。

图3. HCC肝癌患者与健康对照的血清脂质分析。(a)HCC肝癌患者和健康对照的血清脂质分析流程图。

(b) 训练组中HCC患者和健康对照者的 OPLS-DA 模型。(c)训练组中HCC患者和健康对照组血清样本中特征脂质相对强度的变化图。(d)验证组中3种模型的ROC曲线。(e)所有队列中使用AFP和SALDI-MS脂质模型诊断的HCC患者数量。

此项工作的第一作者是浙大化学系2019级直博生曲雪彤，研究工作受到国家自然科学基金（No. 21874118）和汇健科技的资助。基于联合实验室的上述研究基础，汇健科技开发了具有高密度样本孔阵列的Lip-Si Array® 脂质检测芯片，具有高覆盖率、高稳定性、高灵敏性、低成本的优势，可用于多种生物样本的脂质组研究及生物标志物发现。