微流控芯片-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)在細(xì)胞代謝和藥物代謝方面的應(yīng)用

細(xì)胞代謝與藥物代謝是新藥篩選和研發(fā)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，在推動(dòng)人類大健康發(fā)展進(jìn)程中具有重要意義。通常情況下，細(xì)胞代謝和藥物篩選以傳統(tǒng)細(xì)胞培養(yǎng)測定研究為主，多為靜態(tài)培養(yǎng)條件，無法很好地模擬體內(nèi)細(xì)胞動(dòng)態(tài)微環(huán)境。微流控芯片－質(zhì)譜聯(lián)用是近年發(fā)展起來的一種新型高通量分析技術(shù)。微流控芯片模塊可高度模擬細(xì)胞體內(nèi)動(dòng)態(tài)微環(huán)境，與質(zhì)譜聯(lián)用可實(shí)時(shí)在線檢測樣品物質(zhì)，具有高效、快速、簡便、樣品和試劑消耗低等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于細(xì)胞代謝和藥物代謝分析，有利于加速藥物篩選研發(fā)進(jìn)程。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，來自清華大學(xué)等科研單位的研究人員，在《分析測試學(xué)報(bào)》期刊上發(fā)表綜述文章，總結(jié)了微流控芯片-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)及其在細(xì)胞代謝和藥物代謝方面的應(yīng)用概況，并對目前存在的局限性進(jìn)行了討論和展望，以期為微流控芯片-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)在新藥研發(fā)與細(xì)胞分析領(lǐng)域的發(fā)展提供參考。

微流控芯片-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)在細(xì)胞代謝研究中的應(yīng)用

細(xì)胞代謝物的微流控芯片－質(zhì)譜聯(lián)用分析技術(shù)，除接口外，最關(guān)鍵的是芯片功能設(shè)計(jì)，目前已有各種功能的芯片被研發(fā)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康牟煌?，可靈活變化芯片表面修飾、連接電極、通道直徑、長度等相關(guān)參數(shù)，制備相應(yīng)功能的芯片開展細(xì)胞代謝分析。

圖1 微流控芯片－質(zhì)譜聯(lián)用用于細(xì)胞代謝分析：（A）微流控芯片耦合ESI-Q-TOF MS原理圖；（B）微流控芯片細(xì)胞培養(yǎng)-固相萃取（SPE）及在線電噴霧電離四極桿飛行時(shí)間質(zhì)譜（ESI-Q-TOF MS）聯(lián)用示意圖；（C）微流控芯片細(xì)胞共培養(yǎng)耦合質(zhì)譜聯(lián)用分析示意圖；（D）集成多通道微流控芯片-質(zhì)譜用于細(xì)胞代謝研究示意圖及代謝物乳酸水平測定。

微流控芯片-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)在藥物代謝中的應(yīng)用

藥物研發(fā)第一步，是明確藥物可吸收入體發(fā)揮作用，科學(xué)家們通常以藥物滲透性評價(jià)藥物吸收情況。微流控芯片－質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)用于藥物研發(fā)，藥物滲透性評價(jià)是第一步。有研究人員研發(fā)了一款穩(wěn)定同位素標(biāo)記輔助的微流控芯片電噴霧質(zhì)譜平臺（圖2A），用于細(xì)胞代謝的定性和定量分析，結(jié)果證明芯片-ESI-MS系統(tǒng)可選擇性和定量分析細(xì)胞藥物吸收和代謝物，具有高的穩(wěn)定性、靈敏度和重復(fù)性。藥物吸收入體后，明確其實(shí)際作用成分是原形藥物或藥物代謝產(chǎn)物，仍然是新藥有效性、安全性研究的重點(diǎn)。研究人員研制了一種中空纖維雙層微流控芯片以制備體外腸－肝模型（圖2B），建立藥物經(jīng)腸吸收于肝臟代謝功能，成功用于藥物的吸收和代謝研究，為體外細(xì)胞功能模型和藥物吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)和代謝提供了科學(xué)平臺。此外，有研究人員開展了一種流體分離輔助均質(zhì)流壓微流控芯片-質(zhì)譜聯(lián)用系統(tǒng)（圖2C），可實(shí)時(shí)檢測25-羥基維生素D3代謝產(chǎn)物24,25-二羥基維生素D3的表達(dá)水平，發(fā)現(xiàn)代謝產(chǎn)物在正常肝細(xì)胞和肝癌細(xì)胞中的含量有顯著差異。而通過集成微流控芯片－質(zhì)譜聯(lián)用裝置，研究人員構(gòu)建了腫瘤血管網(wǎng)絡(luò)模型和細(xì)胞共培養(yǎng)微環(huán)境（圖2D），研究了載藥納米粒子在腫瘤周圍血管生態(tài)位中的藥物傳遞與代謝分析。

圖2 微流控芯片－質(zhì)譜聯(lián)用用于藥物代謝分析：（A）微流控芯片-ESI-MS藥物代謝分析原理圖；（B）微流控腸-肝模型示意圖；（C）流體分離輔助均質(zhì)流壓芯片-SPE-MS系統(tǒng)；（D）模擬腫瘤微環(huán)境的微流控芯片-質(zhì)譜聯(lián)用示意圖及其測定紫杉醇代謝物結(jié)果。

細(xì)胞代謝與藥物代謝的微流控芯片－質(zhì)譜聯(lián)用分析中，芯片細(xì)胞培養(yǎng)從單個(gè)細(xì)胞、多細(xì)胞到器官芯片多個(gè)層次，開展了細(xì)胞自身代謝微環(huán)境、細(xì)胞與細(xì)胞之間代謝通訊、多功能器官芯片代謝及藥物作用機(jī)制等方面的研究。在現(xiàn)有研究中，以1種細(xì)胞或細(xì)胞共培養(yǎng)研究居多，針對單細(xì)胞代謝研究甚少。近年來，單個(gè)細(xì)胞分析逐漸成為人們研究細(xì)胞異質(zhì)性及其所處微環(huán)境的焦點(diǎn)，微流控芯片單細(xì)胞質(zhì)譜分析也逐漸應(yīng)用到該領(lǐng)域。

圖3 微流控芯片－質(zhì)譜聯(lián)用用于單細(xì)胞分析：（A）微孔陣列的微流控芯片結(jié)合MALDI-MS成像的單細(xì)胞磷脂質(zhì)分析示意圖；（B）基于微流控芯片的單細(xì)胞原位提取質(zhì)譜分析原理圖；（C）基于微流控芯片技術(shù)的微流體表面萃取器－質(zhì)譜（MSE-MS）聯(lián)用示意圖；（D）在開放空間平臺上使用液滴按需噴墨打印技術(shù)和MALDI-MS對腫瘤細(xì)胞進(jìn)行基于代謝的捕獲和分析的示意圖。

總體來看，經(jīng)過20多年的發(fā)展，微流控芯片－質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)已經(jīng)成為細(xì)胞生物學(xué)研究的重器，廣泛應(yīng)用于細(xì)胞代謝和藥物篩選（包括藥物吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)、代謝等）研究中，尤其是集細(xì)胞培養(yǎng)、樣品富集處理、質(zhì)譜聯(lián)用一體化，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測細(xì)胞與藥物代謝變化功能等諸多優(yōu)勢，受到廣大生命科學(xué)和醫(yī)藥科學(xué)研究工作者的青睞。