导语

基因组、转录组、蛋白质组与代谢组围绕生物大分子搭建了传统多组学研究框架，构成现代生命科学的核心解析体系。但该体系存在固有局限：其分析范畴仅覆盖有机生物大分子，难以系统解析无机元素对基因转录、蛋白酶活及细胞稳态的调控效应，无法完整阐释生命活动的完整调控网络，难以形成中心法则上下游的完整调控闭环。

无机元素贯穿机体结构构建、酶促反应、细胞信号传导全程，是生命稳态的底层支撑；元素失衡会诱发肿瘤、神经退行性疾病、遗传性金属代谢病等各类病变。

金属组学作为新兴交叉学科，专门解析生物体内金属 / 类金属的分布、功能及分子互作：超 40% 蛋白质可结合金属离子，酶促生化反应高度依赖金属参与，且各组织具备独特金属特征，如神经元富集铜锌支撑神经传递、肌肉富集镁保障收缩功能。

在此基础上，空间金属组学作为金属组学核心细分分支，侧重从原位、空间维度开展研究，重点解析常量 / 微量元素在组织、细胞、细胞器尺度的原位空间分布、动态转运规律与原位生物学功能，弥补了传统金属组学仅能检测整体元素含量、丢失空间位置信息的短板，实现从 “总量定量” 到 “原位空间可视化” 的升级，补齐传统分子多组学缺失的无机元素空间调控维度，完成从有机大分子到无机金属离子的全维度生命机制闭环解读。

肿瘤微环境的元素分布具有高度异质性，LA-ICP-MS 如今贯穿肿瘤诊断、分型、药物研发、预后评估全流程，是肿瘤研究的核心工具之一。

• 肿瘤识别与分型：在结直肠癌组织切片中，研究发现钙磷比值可作为区分肿瘤细胞的关键指标；乳腺癌组织内 Zn 含量与肿瘤分子亚型、恶性程度正相关；肝癌组织的铜同位素分布与正常肝脏存在显著分异。
• 铂类化疗药存在肾、耳毒性，LA-ICP-MS 组织成像证实顺铂富集于肾近曲小管与耳蜗血管纹，蓄积区与损伤区重合，阐明毒性机理；同时可观测药物肿瘤渗透、分布及耐药肿瘤药物分区特征，为优化给药、克服耐药提供支撑。

• 肿瘤转移与侵袭评估：研究人员利用金纳米簇、镧系元素标记肿瘤特异性蛋白（如基质金属蛋白酶 MMP-11），结合 LA-ICP-MS 成像（图 3），可精准定位蛋白表达区域，MMP-11在主要由浸润肿瘤细胞和炎症细胞（CD45）组成的微型中含量较高，而基质区内则较低，主要由成纤维细胞和炎症细胞形成。

图 3 通过免疫组化辅助的LA–ICP–MS在非转移性乳腺癌组织中对MMP11的可视化，比较传统 IHC 染色。肿瘤生态位（蓝色箭头）和间质室（黑色箭头）

针对 LA-ICP-TOFMS 单细胞生物成像现有细胞膜标记试剂通用性差、成本高、难以实现荧光与质谱同源交叉验证、亚微米分辨率下信号不足等难题，该研究团队构建了基于小麦胚芽凝集素（WGA）的 F-WGA/M-Anti-WGA 双标记策略，该方法利用 WGA 广谱识别细胞膜聚糖的特性实现不依赖组织类型的通用膜染色，无需抗原修复、耐受胰酶处理，仅需 30 分钟室温一步预孵育染色即可同步获得荧光成像与金属质谱成像信号，可完成两种模态结果互证，经皮肤石蜡切片与肿瘤细胞离心涂片体系验证，通过优化染色浓度实现 250–500 nm 亚微米超高分辨成像，能用于组织切片与肿瘤细胞金属药物亚细胞分布检测，解决传统膜标记通用性差、难做多模态验证的痛点。

图 4： 细胞涂片 WGA 标记对比与 LA-ICP-TOFMS 用于 HCT116 亚细胞铂成像。(A) 涂片后染色 / 悬液预染色膜信号，1 μm 分辨率；(B) 奥沙利铂处理细胞膜、核、铂元素LA-ICP-TOFMS图谱，500 nm 分辨率

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