综述：激光诱导碰撞等离子体质谱（LA-ICP-MS）在生物医学和临床研究中的前沿应用：从细胞培养和动物模型到人类样本的探索

《Analytica Chimica Acta》：Biomedical and Clinical Frontiers of LA-ICP-MS: Insights from Cell Cultures and Animal Models to Human Samples

　　

摘要

激光烧蚀-电感耦合等离子体质谱（LA-ICP-MS）已成为生物医学和临床研究中分析元素和生物分子的强大工具，可实现对元素的空间分辨。本综述涵盖了仪器设备、样品制备、校准和标记方面的最新进展，这些进展大多发表于2014年至2026年之间，极大地扩展了LA-ICP-MS在生物系统中的应用范围，从单细胞和球形细胞到动物模型及人体组织。我们重点讨论了决定高分辨率成像的实验参数，以及定量生物成像的主要挑战，包括基质效应、内标化以及认证参考物质（CRMs）的有限可用性。文中还介绍了当前的定量方法，如明胶和羟基磷灰石基标准品以及同位素稀释质谱技术。此外，还讨论了使用金属标记的免疫探针（包括镧系螯合物、金属螯合聚合物和金属纳米颗粒）对内源性元素和生物分子的成像应用。通过具体案例展示了单细胞和组织水平的定量分析，并介绍了将LA-ICP-MS与基质辅助激光解吸/电离、光学显微镜或磁共振成像结合的多模态工作流程，涵盖了纳米颗粒和金属药物的生物分布以及神经退行性疾病、癌症和毒理学研究。最后，我们批判性地评估了限制LA-ICP-MS广泛应用的挑战，特别是缺乏与基质相匹配的CRMs和标准化样品制备方案，这些问题阻碍了可追溯的定量分析和实验室间的比较。预计多模态和多参数方法将发挥越来越重要的作用，但它们在生物医学和临床实践中的常规应用还需要进一步完善方法标准。

引言

微量元素和生物分子在许多生物过程中起着关键作用，包括细胞信号传导、代谢甚至免疫反应。它们的浓度或空间分布变化与多种疾病有关。因此，开发能够准确测定目标分析物浓度及其在生物结构中分布的分析方法在生物医学和临床研究中变得越来越重要。能够对生物样品进行空间分辨分析的分析技术（即生物成像）提供了关于生物异质性的宝贵信息，这些信息可以直接与它们在病理学、毒理学过程和治疗反应中的作用相关联。

在现有的生物成像技术中，激光烧蚀与电感耦合等离子体质谱（LA-ICP-MS）结合技术已成为直接分析生物样品的强大方法[1],[2],[3]。LA-ICP-MS结合了出色的灵敏度、多元素和同位素检测能力、最小的样品制备需求以及低微米级别的空间分辨分析能力。此外，近年来激光技术和ICP-MS仪器的进步显著提高了灵敏度、采集速度和空间分辨率，实现了单细胞水平的高分辨率成像[4],[5]，适用于不同类型的样品，包括体外培养细胞和组织切片。此外，LA-ICP-MS还可以用于软组织和硬组织的成像[6],[7],[8]。这些发展拓展了LA-ICP-MS的应用领域，如纳米颗粒的吸收、药物靶向、金属药物监测，以及生物医学和临床研究中的营养补充剂和有毒金属暴露评估[10]。此外，利用金属标记的生物探针（例如，带有金属标签的特异性识别分子），可以检测和测定蛋白质、适配体和核酸等生物分子。在这种情况下，需要分别进行免疫组织化学（IHC）或免疫细胞化学（ICC）分析。

尽管已经取得了显著进展，但在生物医学和临床领域应用LA-ICP-MS仍需解决一些挑战。特别是处理高度空间异质性样品时，样品制备和内标化问题仍然至关重要。同时，对定量和多重成像日益增长的需求要求开发改进的标记策略和可靠的校准标准。鉴于此，本综述讨论了LA-ICP-MS分析生物样品的最新进展，重点介绍了在体外培养细胞、动物模型组织切片以及临床相关人体样品（包括生物液体、软组织和硬组织）中的成像应用。同时指出了方法上的不足并提出了改进方向。

章节摘录

生物基质的特性

与地质或合成材料相比，生物标本对LA-ICP-MS分析提出了独特的挑战。其固有的特性，如高水分含量、脆弱的结构、化学异质性和易受元素重新分布的影响，极大地影响了分析过程。理解这些特性对于开发可靠的工作流程至关重要。

将LA-ICP-MS应用于生物流体时，存在一些关键的方法学问题

成像与空间分辨率

要通过LA-ICP-MS实现高分辨率成像，需要满足几个关键条件。需要高度敏感的质谱技术来最小化烧蚀区域的大小，特别是在单细胞成像等特定生物场景中，每次烧蚀区域可能仅为1微米。此外，还需要精细调整激光条件，以实现精确且高效的材料去除。最近在仪器设备和数据处理软件方面的进步显著提高了这些性能

不同生物尺度上的应用：从细胞到细胞上

本节总结了LA-ICP-MS在生物成像方面的最新应用进展，涵盖了多种样品：从体外培养细胞和球形细胞的单细胞分析（第4.1节）到动物模型组织（第4.2节）和人体样本（第4.3节）。讨论了当前协议和未来临床应用的方向。此外，还探讨了实现组织高分辨率成像的最新进展

挑战与未来方向

目前，LA-ICP-MS在细胞和组织成像方面展现了巨大潜力，尤其是在需要定量信息的情况下。然而，尽管过去十年取得了显著进步，但在该技术能够在生物医学研究和临床实践中得到常规应用之前，仍需解决一些挑战。主要限制之一是缺乏与生物组织相匹配的CRMs，这影响了分析准确性的评估

CRediT作者贡献声明

Beatriz Fernández：撰写——审稿与编辑，撰写——初稿，概念构思。Rosario Pereiro：撰写——审稿与编辑，撰写——初稿。Clara de Lorenzo：撰写——初稿。Jaime Martínez-García：撰写——初稿

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

利益冲突声明

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致谢

本工作得到了由MCIN/AEI/10.13039/501100011033/FEDER、UE资助的项目PID2022-137319OB-C21，以及由阿斯图里亚斯亲王国政府和欧盟的FEDER计划通过SEKUENS机构资助的项目IDE/2024/000694的支持。J. Martínez-García感谢Severo Ochoa计划的资助（Ref）。BP21-041（阿斯图里亚斯亲王国）；C. de Lorenzo感谢FPI项目的资助（PREP2022-000181）。

Beatriz Fernández是奥维耶多大学（西班牙）分析化学系的教授。她在获得博士学位后，在法国IPREM（CNRS）完成了博士后研究，开发了用于使用固态技术测定固体样品中异质原子的分析方法。她的研究重点是空间分辨分析方法，最近则专注于基于纳米颗粒的标记方法在复杂生物样品中蛋白质的测定。她已经开发了相关策略

Jaime Martínez-García|Clara de Lorenzo|Beatriz Fernández|Rosario Pereiro

奥维耶多大学物理与分析化学系，Julian Clavería街8号，33006，奥维耶多，西班牙