国家自然科学基金重大科研仪器研制项目《单细胞代谢毒理学效应超灵敏精准质谱分析装置研制》成果介绍

2019年，国家市场监督管理总局技术创新中心（质谱）牵头申报了国家自然科学基金重大科研仪器研制项目“单细胞代谢毒理学效应超灵敏精准质谱分析装置研制”，旨在研制一套基于气相离子选择性富集原理的超高灵敏度单细胞质谱分析装置，解决质谱分析技术在单细胞多环芳烃（PAHs）分析应用中的瓶颈问题，实现单细胞中PAHs及其代谢产物的高灵敏度检测。并开展单细胞代谢毒理学典型应用研究，为精准毒理学相关研究提供高效的测量方案。截至2024年12月，“单细胞代谢毒理学效应超灵敏精准质谱分析装置研制”圆满完成了全部研发任务。该项目自2020年1月启动，历时五年，取得了众多令人瞩目的成果，为单细胞代谢毒理学研究领域带来了重大突破。

在仪器研发方面，项目组已完成超高灵敏度四极杆-双线性离子阱串联质谱仪整机的搭建工作，包括离子源系统、多级真空系统、离子传输系统等关键部分。此外，项目组还开发了气相离子选择性富集技术，包括基于四极杆-离子阱的同步碎裂技术和基于四极杆-双压离子阱串联质谱的同步碎裂和累积技术。

图 1. 单细胞代谢毒理学效应超灵敏精准质谱分析装置整机及核心部件

在应用研究方面，项目组基于自主研制的四极杆-线性离子阱液相色谱质谱联用仪，开展了基于纳升光电离质谱离子源的单细胞PAHs测量研究，实现了单细胞内fmol量级弱极性化合物PAHs的检出。开发了基于自研质谱的极性反转纳喷雾离子化（PR-nESI）技术，实现了单细胞中羟基化多环芳烃（OH-PAHs）的准确分析，检出限达amol量级。在PAHs代谢毒理学效应研究中，使用四级杆-双线性离子阱质谱开展了全血、血清、血浆、尿液等样本中系列生物标志物和治疗药物的同位素稀释质谱方法研究，对PAHs作用后的单个细胞内的代谢物进行了准确测量，得到了不同PAHs处理组之间的代谢谱变化。结果揭示了PAHs对细胞代谢的多层次干扰效应，尤其是对脂质代谢、能量代谢及遗传物质代谢的显著影响。

图 2. 单细胞精准毒理学研究及评价方法

结语

项目执行期间共申请/授权发明专利25/12项，授权软件著作权8项，发表研究论文55篇，成果转化金额累计814.3万元。项目成果将显著提升我国质谱装置自主研发实力和单细胞分析基础科研与应用研究水平，推动学科交叉发展，促进医工结合，产出达前沿水平的研究成果，在疾病诊断、临床医疗和生态环境保护等关系我国国计民生的重要科学领域具有广阔的应用前景。

该项目不仅在技术上取得了突破，更搭建了一个开放共享的科研平台。项目组诚挚邀请其他科研团队一起合作，共享实验室资源和技术成果。依托此项目所研制的单细胞前处理装置和超灵敏质谱平台现已开放，欢迎各界科研人员前来联用，共同提升仪器性能，推动单细胞质谱研究的发展。无论您是从事基础研究的学者，还是致力于应用开发的工程师，项目组都期待与您携手，探索更多未知领域。感兴趣的科研人员可以通过邮箱jiangyou@nim.ac.cn与项目组取得联系。

该项目的成果不仅为单细胞代谢毒理学研究提供了强大的技术支持，也为相关领域的科研人员提供了一个交流合作的平台，有望推动单细胞分析领域的发展，为精准毒理学研究开辟新的道路。