回顧2017年，基于質(zhì)譜的臨床研究有一項(xiàng)突破性發(fā)現(xiàn)。普渡大學(xué)陶緯國(guó)教授團(tuán)隊(duì)在2017年3月20日的《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》(PNAS)雜志上發(fā)表文章稱，他們從人體血液中發(fā)現(xiàn)2400多種磷酸化蛋白。該發(fā)現(xiàn)首次證明了磷酸化蛋白可以作為基于液體活檢的疾病標(biāo)志物，能用于對(duì)癌癥等重大疾病更早、更精準(zhǔn)的非侵入性診斷，為 “液體活檢”提供了全新的檢測(cè)維度。近日，儀器信息網(wǎng)專訪了陶緯國(guó)。

普渡大學(xué) 陶緯國(guó)教授

　　磷酸化蛋白突破性發(fā)現(xiàn)

　　通過液體活檢來(lái)診斷腫瘤和癌癥等疾病一直是臨床科學(xué)家關(guān)注的焦點(diǎn)，研究對(duì)象多集中在循環(huán)腫瘤細(xì)胞(CTC)和循環(huán)腫瘤DNA(ctDNA)，但是二者都有局限性：由于CTC在血清中的濃度非常低，取少量血液對(duì)其檢測(cè)難度很大;癌癥有很多基因突變，而這些突變不一定會(huì)顯現(xiàn)出來(lái)，因此基于ctDNA進(jìn)行的液體活檢的診斷結(jié)果只能預(yù)測(cè)患病的概率，并不能確診。

　　蛋白質(zhì)磷酸化是調(diào)節(jié)和控制蛋白質(zhì)活力和功能的最基本，最普遍，也是最重要的機(jī)制，同時(shí)，與許多疾病的發(fā)生密切相關(guān)。在眾多腫瘤致病機(jī)理中，當(dāng)前學(xué)術(shù)界對(duì)蛋白質(zhì)磷酸化機(jī)理的研究最為清楚，80%-90%的癌癥都跟蛋白質(zhì)磷酸化有關(guān)。因此，許多抗腫瘤藥物的研制都著眼于磷酸化蛋白。理論上，磷酸化蛋白作為相關(guān)基因突變的表達(dá)，在臨床上能夠幫助醫(yī)生做出更明確的診斷。但是，有關(guān)基于液體活檢的磷酸化蛋白研究還很少。此前，有個(gè)別報(bào)道在血液中發(fā)現(xiàn)幾十種磷酸化蛋白，均是高豐度蛋白，生物學(xué)意義不大?！霸蚓褪橇姿峄鞍滓坏募?xì)胞進(jìn)入血液中就被肝臟分泌的磷酸酶水解了?！碧站晣?guó)解釋說，“所以雖然磷酸化蛋白跟癌癥關(guān)系非常密切，但人們無(wú)法對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)?！?p>　　陶緯國(guó)團(tuán)隊(duì)是如何從人體血液中檢測(cè)到大量磷酸化蛋白的呢?這要從三年前的一篇文獻(xiàn)報(bào)道說起，當(dāng)時(shí)陶緯國(guó)從這篇文章中了解到外泌體和微囊的結(jié)構(gòu)，“當(dāng)我看到類似于納米微粒的外泌體、微囊結(jié)構(gòu)時(shí)，我認(rèn)為可能會(huì)有磷酸化蛋白被包裹在外泌體中，然后進(jìn)入血液。如果真是這樣，被外泌體包裹的磷酸化蛋白可能會(huì)避免被血液中的磷酸酶水解?！庇谑翘站晣?guó)團(tuán)隊(duì)對(duì)血液中的外泌體、微囊進(jìn)行了超速離心分離、提取，然后用質(zhì)譜進(jìn)行檢測(cè)。一周以后，實(shí)驗(yàn)結(jié)果讓所有人都驚呆了，他們從中發(fā)現(xiàn)了幾千個(gè)磷酸化蛋白。這個(gè)突破性的發(fā)現(xiàn)使得臨床科學(xué)家們今后可以在1毫升血漿里找到幾千個(gè)磷酸化的位點(diǎn)，并從中篩選出不同疾病的生物標(biāo)志物。之后，陶緯國(guó)團(tuán)隊(duì)對(duì)乳腺癌病人血清中的磷酸化蛋白做了研究，發(fā)現(xiàn)乳腺癌病人體內(nèi)的磷酸化蛋白與其病癥密切相關(guān)。

　　那么，磷酸化蛋白液體活檢何時(shí)能夠應(yīng)用臨床呢?陶緯國(guó)回答說：“雖然現(xiàn)在還不好斷言，但我認(rèn)為3-5年內(nèi)都有可能?！彼M(jìn)一步解釋，隨著質(zhì)譜技術(shù)的顯著提升，一些原來(lái)檢測(cè)不到的生物標(biāo)志物現(xiàn)在能夠檢測(cè)了，后面的工作主要是考察重復(fù)性有多好，假陽(yáng)性有多低。

　　談及未來(lái)的工作，陶緯國(guó)表示，一方面會(huì)繼續(xù)做乳腺癌的磷酸化蛋白生物標(biāo)志物確認(rèn)的工作;另一方面也會(huì)做其他疾病磷酸化蛋白生物標(biāo)志物找篩的工作，“還有很多其它疾病，比如阿爾茨海默病、帕金森綜合征等，也都是蛋白磷酸化有關(guān)。”

　　質(zhì)譜用于生物大分子檢測(cè)的思考

　　陶緯國(guó)教授做蛋白組學(xué)研究至今已有十幾年，用到的研究工具主要是質(zhì)譜。在攻讀博士期間，陶緯國(guó)師從普渡大學(xué)著名質(zhì)譜專家Graham Cooks教授。博士畢業(yè)后，陶緯國(guó)加入了西雅圖系統(tǒng)生物研究所，在Leroy Hood教授(自動(dòng)DNA測(cè)序儀發(fā)明人)和Ruedi Aebersold教授(著名蛋白質(zhì)組學(xué)專家)課題組繼續(xù)博士后研究。從那時(shí)起，陶緯國(guó)就開始了他的磷酸化蛋白質(zhì)組學(xué)檢測(cè)的研究，“重回普渡教書以后，我的工作基本上是圍繞著怎么去提高磷酸化蛋白分析手段來(lái)開展的。質(zhì)譜在我的工作扮演著中心角色，包括方法開發(fā)，蛋白生物標(biāo)志物早篩，全靠質(zhì)譜來(lái)做。”首先是早篩，用質(zhì)譜(Orbitrap)篩選出相關(guān)的生物標(biāo)志物(磷酸化蛋白);然后對(duì)病人的樣本進(jìn)行檢測(cè)，用統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行分類;最后，分析統(tǒng)計(jì)學(xué)上有意義的、跟病人相關(guān)的磷酸化蛋白。

　　在過去二三十年里，質(zhì)譜在生物大分子檢測(cè)方面有幾個(gè)重要的技術(shù)突破。首先，80年代末90年代初， ESI和MALDI的出現(xiàn)，使質(zhì)譜能夠用于分析生物樣品;第二，近十幾年來(lái)，高分辨質(zhì)譜的飛躍發(fā)展，大大提升生物大分子的分析效率?！拔易x博士后時(shí)(2002年)，很多儀器還是低分辨的，生物樣品還是挺難做的，做完一個(gè)磷酸化的蛋白，單是數(shù)據(jù)庫(kù)檢索就要三天，而且，相對(duì)來(lái)說，得到的數(shù)據(jù)假陽(yáng)性高?，F(xiàn)在的高分辨質(zhì)譜解譜很容易，差不多半個(gè)小時(shí)就夠了，假陽(yáng)性也降低很多。”此外，陶緯國(guó)還說到，“UPLC與質(zhì)譜的結(jié)合在技術(shù)上是很大的進(jìn)步，使色譜的分離效率趕上了質(zhì)譜的速度，現(xiàn)在一個(gè)小時(shí)能檢測(cè)到幾千個(gè)蛋白，非?？??！?p>　　同時(shí)，陶緯國(guó)也指出了目前利用質(zhì)譜來(lái)檢測(cè)生物大分子的難點(diǎn)。第一，生物樣品基體復(fù)雜?！跋裎覀儗?shí)驗(yàn)室做磷酸化蛋白，它本身豐度就很低，假如樣本不經(jīng)過任何分離的話，譜圖上將會(huì)只能看到高豐度蛋白。”第二，質(zhì)譜檢測(cè)假陽(yáng)性比較高?！捌鋵?shí)還是需要統(tǒng)計(jì)學(xué)算法方面的開發(fā)，來(lái)解決假陽(yáng)性率高的問題，這也是現(xiàn)在很多質(zhì)譜開發(fā)者在做的工作?！?p>　　現(xiàn)如今質(zhì)譜產(chǎn)品更新迭代非?？欤瑢?duì)于質(zhì)譜工作者來(lái)說，是好，也是壞。“新產(chǎn)品的確掃描速度更快了，精度更高。但是，也給質(zhì)譜工作者帶來(lái)了不小的壓力。特別是像我們這種使用高分辨大儀器的，沒有那么多錢換來(lái)?yè)Q去?？墒侨绻阆胍o跟前沿，這些新儀器又十分必要?！碧站晣?guó)說，這是目前質(zhì)譜工作者普遍面臨的兩難境地。

　　整合臨床大數(shù)據(jù)

　　2017年，陶緯國(guó)作為海外高層次人才被東南大學(xué)引進(jìn)回國(guó)。談及回國(guó)的初衷，陶緯國(guó)表示，國(guó)內(nèi)擁有更多、更豐富的病人樣本，這是他選擇回國(guó)的原因之一。此外，國(guó)內(nèi)對(duì)于高分辨質(zhì)譜等大型儀器的投入力度也更大，有助于前沿研究的開展。談到選擇東南大學(xué)的原因，陶緯國(guó)說到：“東南大學(xué)的生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院有轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)，有生物，然后又有工程，包括產(chǎn)業(yè)化，比較適合我?！?p>　　現(xiàn)在國(guó)內(nèi)，整合醫(yī)學(xué)大數(shù)據(jù)來(lái)服務(wù)大健康的概念很熱，“在全國(guó)，包括南京，都已經(jīng)有相關(guān)工作在開展”。從臨床檢測(cè)這個(gè)角度來(lái)說，陶緯國(guó)希望找到辦法來(lái)整合DNA檢測(cè)，microRNA檢測(cè)，磷酸化蛋白檢測(cè)幾個(gè)維度的數(shù)據(jù)，從而獲得更為精準(zhǔn)的臨床診斷結(jié)果?！氨热鐧z測(cè)一個(gè)腫瘤，通過對(duì)DNA、mRNA、磷酸化蛋白、糖基檢測(cè)多維度數(shù)據(jù)的不斷積累，數(shù)據(jù)會(huì)越來(lái)越多，結(jié)合人工智能、計(jì)算機(jī)算法，檢測(cè)結(jié)果會(huì)越來(lái)越精準(zhǔn)。 我回來(lái)能趕上這個(gè)機(jī)會(huì)也是不容易?！碧站晣?guó)如是說到。

　　目前，醫(yī)學(xué)大數(shù)據(jù)的采集方式主要為第二代、第三代測(cè)序?！暗?，質(zhì)譜也是很重要的一塊兒。”陶緯國(guó)指出，“比如乳腺癌，基因突變僅僅代表一種患病的可能性，但是到底有沒有癌癥還是要通過蛋白檢測(cè)來(lái)確定，所以用質(zhì)譜來(lái)檢測(cè)蛋白的存在、活性、功能，比基因?qū)用娓煽?。所以，質(zhì)譜檢測(cè)肯定會(huì)慢慢跟上來(lái)?！?p>　　陶緯國(guó)在東南大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院的新實(shí)驗(yàn)室是電子生物國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。對(duì)于自己的工作重心，陶緯國(guó)表示，現(xiàn)在是過渡時(shí)期，未來(lái)會(huì)逐步將重心轉(zhuǎn)至國(guó)內(nèi)?！皣?guó)內(nèi)實(shí)驗(yàn)室剛剛開始，看起來(lái)前途光明。”

　　熱衷學(xué)界公益事務(wù) 出任CASMS主席

　　作為質(zhì)譜生物大分子檢測(cè)方面的專家，陶緯國(guó)于2017年6月份當(dāng)選北美華人質(zhì)譜學(xué)會(huì)(CASMS)主席。該學(xué)會(huì)匯聚了眾多頂尖的華人質(zhì)譜學(xué)者，已經(jīng)成為質(zhì)譜學(xué)界重要的華人力量。在一年一度的“美國(guó)質(zhì)譜年會(huì)(ASMS)”期間舉行“北美華人質(zhì)譜學(xué)術(shù)會(huì)議”已經(jīng)成為CASMS的傳統(tǒng)。據(jù)陶緯國(guó)介紹，CASMS已有二三十年的歷史，目前注冊(cè)人數(shù)在800人左右，覆蓋了北美地區(qū)絕大部分優(yōu)秀的華人質(zhì)譜學(xué)者。ASMS每年參會(huì)人數(shù)6000-7000人，相當(dāng)一部分是華人，中國(guó)面孔越來(lái)越多?！霸诿绹?guó)，有很多華人學(xué)者做了非常出色的工作，但他們并沒有獲得相匹配的影響力和威望?！? 陶緯國(guó)說，“我們學(xué)會(huì)的宗旨就是提升華人質(zhì)譜學(xué)者在世界質(zhì)譜領(lǐng)域的影響力。當(dāng)然， 中國(guó)本身的國(guó)際地位的重要性是顯而易見的?！?p>　　CASMS的另一個(gè)宗旨是促進(jìn)世界華人質(zhì)譜界的互相交流。每?jī)赡暾匍_一次的“世界華人質(zhì)譜學(xué)術(shù)研討會(huì)”是全世界華人的質(zhì)譜盛會(huì)，匯聚了中國(guó)內(nèi)地、臺(tái)灣、香港、新加坡和北美地區(qū)的質(zhì)譜學(xué)者，CASMS是該會(huì)議4個(gè)主辦方之一。2016年，CASMS主辦了第六屆“世界華人質(zhì)譜學(xué)術(shù)研討會(huì)”，這是該會(huì)議首次在美國(guó)召開，恰逢該會(huì)議召開十周年?！拔艺J(rèn)為非常有意義，促進(jìn)了兩岸三地華人質(zhì)譜學(xué)者的交流合作。我的親身體會(huì)是通過這個(gè)會(huì)議結(jié)識(shí)了很多優(yōu)秀學(xué)者，而在此前很多同仁相互間是不認(rèn)識(shí)的?！?p>　　未來(lái)，除了重要的線下會(huì)議組織工作，陶緯國(guó)希望通過加強(qiáng)線上日常交流，來(lái)使學(xué)會(huì)內(nèi)部聯(lián)系更為緊密。

　　后記：臨床質(zhì)譜技術(shù)被認(rèn)為是醫(yī)學(xué)診斷的下一個(gè)“基因測(cè)序”，應(yīng)用前景被普遍看好。質(zhì)譜用于臨床檢驗(yàn)具有靈敏度高、特異性高、重現(xiàn)性好的優(yōu)點(diǎn)，可在臨床多個(gè)領(lǐng)域?qū)鹘y(tǒng)診斷方法學(xué)進(jìn)行替代。陶緯國(guó)教授團(tuán)隊(duì)的磷酸化蛋白研究進(jìn)一步提升了臨床質(zhì)譜應(yīng)用的含金量?；谠撗芯浚R床科學(xué)家們將會(huì)找到更多可靠的疾病標(biāo)志物，從而實(shí)現(xiàn)癌癥等重大疾病的早期發(fā)現(xiàn)和精準(zhǔn)診斷。

采訪編輯：李博