综述：单细胞质谱流式分析技术与多重成像平台：先进纳米材料、纳米粒子及纳米污染物的生物学研究视角

《Nano Today》：Single-cell mass cytometry and multiplexed imaging platforms: Biological insight of advanced nanomaterials, nanoparticles, and nanopollutants

　　

摘要

纳米技术的进步带来了多种具有巨大应用潜力的纳米材料，这些材料在药物递送、成像、免疫疗法以及诊断等领域都有着重要应用。然而，这类材料在临床和环境领域的日益广泛应用也引发了关于其与生物系统相互作用、安全性以及长期影响等方面的紧迫问题。飞行时间单细胞质谱技术（CyTOF）以及基于成像的单细胞质谱技术，作为一种强大的高维分析平台，能够以单细胞水平解析复杂的生物-纳米相互作用。本综述首次全面总结了CyTOF技术与多重成像技术在纳米材料及环境中的应用，为探讨其在生物医学和环境领域的综合影响提供了理论框架。重要的是，本综述并非简单地将两个领域结合在一起，而是构建了一个统一的框架来阐释纳米-生物相互作用机制。我们发现，纳米材料引发的细胞反应在生物医学和环境背景下都遵循相同的单细胞机制，这些共同规律是单独分析无法发现的。文中还介绍了CyTOF技术在纳米材料研究中的应用，展示了它如何实现对不同细胞群体中纳米材料吸收、生物分布、免疫调节以及细胞应激反应的定量、多参数分析。文中总结了金纳米粒子、银纳米粒子、石墨烯、MXenes、过渡金属硫属化合物、纳米塑料以及先进纳米载体等材料的相关研究，体现了CyTOF技术在生物医学和环境纳米毒理学领域的广泛应用。该技术能够将细胞表型分析与纳米材料追踪相结合，从而为了解材料的免疫相容性、治疗效果以及潜在不良反应提供机制层面的见解。尽管取得了这些进展，但要将CyTOF技术与转录组学、蛋白质组学以及成像质谱技术相结合，构建多组学框架以实现精准纳米医学，仍面临诸多挑战。总体而言，本综述强调了CyTOF技术在连接纳米技术与系统生物学方面的独特作用，为开发更安全、更有效且更具临床应用价值的纳米疗法指明了方向。

章节节选

CyTOF技术与空间质谱技术的基本原理

为了解释先进纳米材料如何与复杂的生物系统相互作用，人们越来越需要高维单细胞分析技术，因为细胞异质性、微环境因素以及罕见的免疫细胞亚群都会显著影响反应结果。CyTOF技术和多重成像技术能够同时以单细胞分辨率量化表型、功能以及与材料相关的信号，从而有效解决这一需求。在本节中，我们将介绍

先进纳米材料与纳米粒子对生物系统的影响：来自CyTOF技术的启示

纳米材料是一类快速发展的工程结构，其尺寸、成分以及表面化学性质均可调控，因此能够精确控制药物递送、成像对比度以及生物传感效果。它们独特的物理、化学和生物特性为诊断、治疗以及环境健康领域带来了诸多应用可能。如表1所示，各类金属基、碳基以及软物质纳米材料都具有多种不同的特性

纳米材料检测面临的主要挑战

虽然CyTOF技术能够实现高维表型分析以及系统级特征描述，但它存在一个重大局限性，即难以用于分析非金属纳米材料，尤其是碳基纳米材料[67]、[91]。因为CyTOF技术依赖于检测原子质量在特定范围（75–209?Da）内的同位素纯金属标记物，这样的选择是为了减少与体内生物信号的重叠，从而产生清晰、可量化的信号峰，便于检测

CyTOF技术在纳米医学中的应用：从未被充分利用到早期应用阶段

随着先进纳米材料在生物医学和环境科学领域的广泛应用，人们需要具备相应分析能力，以解析它们与生物系统之间复杂且多样的相互作用。尽管CyTOF技术及相关高维成像技术为从细胞类型特异性以及多参数功能角度解析纳米-生物界面提供了绝佳机会，但其在纳米材料研究中的应用仍然不够充分。不过，正如文中所述

结论

先进纳米材料正在迅速改变生物医学和环境科学的发展格局，但由于其生物效应受多种因素影响且存在显著的细胞异质性，因此很难准确预测其作用效果。正如本综述所强调的，CyTOF技术和空间质谱技术为在高维度层面研究纳米-生物相互作用提供了极为强大的工具，有助于深入理解不同细胞类型对纳米材料的吸收机制、免疫调节作用以及功能重编程过程。这些技术

CRediT作者贡献说明

Olla Elkhatib：撰写——综述与编辑，研究工作。Linda Giro：撰写——综述与编辑，研究工作。Laura Fusco：撰写——综述与编辑，指导工作，概念设计。Lucia Gemma Delogu：撰写——综述与编辑，指导工作，概念设计。Maha Alhosani：撰写——初稿，研究工作，数据整理。Roberta Cagliani：撰写——综述与编辑，研究工作，数据整理。

利益冲突声明

作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了哈里法科技大学石墨烯与二维材料研究与创新中心（RIC2D）通过MX创新项目（RIC2D 2022年公开招标项目；项目编号：OC077）、欧盟的“地平线欧洲”计划下的玛丽·居里行动项目（项目编号：101086184，MX-MAP项目），以及意大利国家恢复与韧性计划下的PRIN 2022项目“WoundXene”（MUR代码：202274SLX8；CUP编号：C53D23002300001）的资助

Maha Alhosani|Roberta Cagliani|Olla Elkhatib|Linda Giro|Laura Fusco|Lucia Gemma Delogu

阿联酋阿布扎比哈里法科技大学生物科学系