微流控芯片-质谱联用技术在细胞代谢和药物代谢方面的应用

细胞代谢与药物代谢是新药筛选和研发的关键环节，在推动人类大健康发展进程中具有重要意义。通常情况下，细胞代谢和药物筛选以传统细胞培养测定研究为主，多为静态培养条件，无法很好地模拟体内细胞动态微环境。微流控芯片－质谱联用是近年发展起来的一种新型高通量分析技术。微流控芯片模块可高度模拟细胞体内动态微环境，与质谱联用可实时在线检测样品物质，具有高效、快速、简便、样品和试剂消耗低等特点，广泛应用于细胞代谢和药物代谢分析，有利于加速药物筛选研发进程。

据麦姆斯咨询报道，近期，来自清华大学等科研单位的研究人员，在《分析测试学报》期刊上发表综述文章，总结了微流控芯片-质谱联用技术及其在细胞代谢和药物代谢方面的应用概况，并对目前存在的局限性进行了讨论和展望，以期为微流控芯片-质谱联用技术在新药研发与细胞分析领域的发展提供参考。

微流控芯片-质谱联用技术在细胞代谢研究中的应用

细胞代谢物的微流控芯片－质谱联用分析技术，除接口外，最关键的是芯片功能设计，目前已有各种功能的芯片被研发。根据实验目的不同，可灵活变化芯片表面修饰、连接电极、通道直径、长度等相关参数，制备相应功能的芯片开展细胞代谢分析。

图1 微流控芯片－质谱联用用于细胞代谢分析：（A）微流控芯片耦合ESI-Q-TOF MS原理图；（B）微流控芯片细胞培养-固相萃取（SPE）及在线电喷雾电离四极杆飞行时间质谱（ESI-Q-TOF MS）联用示意图；（C）微流控芯片细胞共培养耦合质谱联用分析示意图；（D）集成多通道微流控芯片-质谱用于细胞代谢研究示意图及代谢物乳酸水平测定。

微流控芯片-质谱联用技术在药物代谢中的应用

药物研发第一步，是明确药物可吸收入体发挥作用，科学家们通常以药物渗透性评价药物吸收情况。微流控芯片－质谱联用技术用于药物研发，药物渗透性评价是第一步。有研究人员研发了一款稳定同位素标记辅助的微流控芯片电喷雾质谱平台（图2A），用于细胞代谢的定性和定量分析，结果证明芯片-ESI-MS系统可选择性和定量分析细胞药物吸收和代谢物，具有高的稳定性、灵敏度和重复性。药物吸收入体后，明确其实际作用成分是原形药物或药物代谢产物，仍然是新药有效性、安全性研究的重点。研究人员研制了一种中空纤维双层微流控芯片以制备体外肠－肝模型（图2B），建立药物经肠吸收于肝脏代谢功能，成功用于药物的吸收和代谢研究，为体外细胞功能模型和药物吸收、转运和代谢提供了科学平台。此外，有研究人员开展了一种流体分离辅助均质流压微流控芯片-质谱联用系统（图2C），可实时检测25-羟基维生素D3代谢产物24,25-二羟基维生素D3的表达水平，发现代谢产物在正常肝细胞和肝癌细胞中的含量有显著差异。而通过集成微流控芯片－质谱联用装置，研究人员构建了肿瘤血管网络模型和细胞共培养微环境（图2D），研究了载药纳米粒子在肿瘤周围血管生态位中的药物传递与代谢分析。

图2 微流控芯片－质谱联用用于药物代谢分析：（A）微流控芯片-ESI-MS药物代谢分析原理图；（B）微流控肠-肝模型示意图；（C）流体分离辅助均质流压芯片-SPE-MS系统；（D）模拟肿瘤微环境的微流控芯片-质谱联用示意图及其测定紫杉醇代谢物结果。

细胞代谢与药物代谢的微流控芯片－质谱联用分析中，芯片细胞培养从单个细胞、多细胞到器官芯片多个层次，开展了细胞自身代谢微环境、细胞与细胞之间代谢通讯、多功能器官芯片代谢及药物作用机制等方面的研究。在现有研究中，以1种细胞或细胞共培养研究居多，针对单细胞代谢研究甚少。近年来，单个细胞分析逐渐成为人们研究细胞异质性及其所处微环境的焦点，微流控芯片单细胞质谱分析也逐渐应用到该领域。

图3 微流控芯片－质谱联用用于单细胞分析：（A）微孔阵列的微流控芯片结合MALDI-MS成像的单细胞磷脂质分析示意图；（B）基于微流控芯片的单细胞原位提取质谱分析原理图；（C）基于微流控芯片技术的微流体表面萃取器－质谱（MSE-MS）联用示意图；（D）在开放空间平台上使用液滴按需喷墨打印技术和MALDI-MS对肿瘤细胞进行基于代谢的捕获和分析的示意图。

总体来看，经过20多年的发展，微流控芯片－质谱联用技术已经成为细胞生物学研究的重器，广泛应用于细胞代谢和药物筛选（包括药物吸收、转运、代谢等）研究中，尤其是集细胞培养、样品富集处理、质谱联用一体化，实时动态监测细胞与药物代谢变化功能等诸多优势，受到广大生命科学和医药科学研究工作者的青睐。