超越光学技术的元素条形码技术：用于新兴高通量诊断的金属同位素悬浮阵列

《Accounts of Chemical Research》：Elemental Barcoding Beyond Optics: Metal-Isotopic Suspension Array for Emerging High-Throughput Diagnostics

精准医疗依赖多组学分子特征分析，悬浮阵列技术通过金属同位素标记实现高通量检测，突破光学标记的容量限制，但面临信号放大和标准化编码的挑战。本研究提出金属纳米颗粒自组装编码方案，结合质谱流式细胞术提升检测灵敏度和多标记能力，推动液体活检在精准医学中的应用。

　　

概述

精准医疗正在通过分层和个性化治疗改变医疗保健方式，这得益于我们日益提高的能力，能够全面分析病变组织和液体活检中的分子特征。基因组学、转录组学、蛋白质组学和代谢组学分析的进步不断重塑疾病诊断方式，使监测范式从依赖少数单一生物标志物转向能够系统级捕捉生物复杂性的高度多重化平台。特别是在液体活检分析中，悬浮阵列作为一种强大的方法，能够覆盖广泛的生物标志物，利用“条形码”识别技术实现从有限数量的条形码单元出发的指数级多重化检测。自20世纪80年代初以来，悬浮阵列技术一直在流式细胞术框架内不断发展，同时光学条形码技术也持续创新。然而，光学条形码技术仍面临颜色范围有限和光谱串扰的问题，这限制了其多重化能力。

随着金属同位素条形码技术与电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）的结合，光学条形码带来的多重化挑战得到了显著缓解。金属条形码技术使用具有不同原子质量的多种非放射性金属同位素的组合模式来编码样本身份，从而实现本质上正交的检测，最小化串扰，并允许在单次检测中同时量化更多的分析物。在这一技术类别中，专为单细胞（单颗粒）分析优化的质谱仪（ICP-MS）平台能够以高精度解析多达135个质量通道，其中超过60个通道可以用于分子标记或条形码编码。这些技术为高度可扩展的悬浮阵列技术奠定了基础。尽管取得了这些进展，但仍存在两个关键挑战：（1）缺乏能够快速且可重复构建高容量条形码库的模板化、可扩展的条形码框架；（2）需要放大生物标志物信号以提高检测灵敏度，同时不牺牲条形码的准确性。

为了解决这些挑战，我们的团队自2010年以来一直致力于研究金属纳米颗粒标记技术，以提升混合样本生物检测的灵敏度和多重化能力。我们最初通过在基于ICP的质谱技术中使用金属纳米颗粒作为“信号放大器”来进行探索。除了持续改进金属纳米标签的信号增强技术外，我们最近关于可控纳米颗粒积累和自组装的条形码策略的研究，重新激发了人们对易于实现且可扩展的条形码设计的兴趣，这些条形码设计适用于可定制的质谱悬浮平台。本文概述了细胞悬浮阵列技术的发展历程，并重点介绍了金属同位素条形码在可扩展性方面的关键突破。我们总结了这些条形码技术的原理、设计考虑因素及其在高通量生物检测中的应用。特别强调了我们的概念框架、最新进展以及金属纳米颗粒标记技术在实现高灵敏度生物检测和可编程条形码方面的持续进展。我们认为，从光学条形码到质谱技术的条形码技术迭代可能会深刻改变生物发现、多重化能力和临床诊断方式，进一步开启后荧光时代的超灵敏度和高通量精准医疗。