美国西北大学及其生命过程化学研究所(CLP)、美国阿贡国家实验室的先进光子源(APS)和几所领先的研究型大学联合发起了第一个跨学科、金属组学研究和创新的国家中心。
美国国家卫生研究院(NIH)已经向西北大学提供了一笔为期五年、价值820万美元的资金，用于建立生命科学定量基础图谱资源(QE-Map)。这笔资金来自美国国立卫生研究院的生物医学技术研究资源(P41)项目。
QE-Map将使人们对金属和其他无机(非生物)元素在人类健康和疾病中的作用有前所未有的了解。
托马斯·奥哈洛伦奇地图将由西北大学的托马斯·奥哈洛伦指导，他是查尔斯·e和艾玛·h·莫里森化学教授和温伯格文理学院分子生物科学教授。领导团队包括Chris Jacobsen, Argonne杰出研究员，同时也是温伯格大学物理和天文学教授，以及西北大学麦考密克工程学院的张皓教授和孙成教授。
qs – map将利用西北大学在生物光子学、细胞生物学、无机化学和x射线物理学等领域的专业知识，开拓前沿成像和探测技术，加深对金属和生物过程相互作用的理解。
CLP的创始董事、西北大学定量生物元素成像中心(QBIC)主任O’halloran说:“金属波动在许多生物过程中发挥着关键的调节作用。”
“例如，锌或铜供应量的波动往往会触发细胞改变其功能或发育阶段，”奥哈洛伦说。锌的波动可能是卵子排卵或第二个精子不进入卵子的信号。大脑中锰含量过高会引发帕金森氏症。大脑中的病理铁化学与阿尔茨海默病有关，等等。这些发现在医学、生物学和生理学领域引起了极大的兴趣。”
新成像技术的试验台
资源将支持75个教师研究项目在温伯格,麦考密克和西北大学Feinberg医学院以及合作者从阿贡,霍华德·休斯医学研究所的Janelia研究中心,乔治亚理工大学,约翰霍普金斯大学,麻省理工学院,加州大学伯克利分校,南卡罗来纳大学和德克萨斯大学奥斯汀分校。
研究人员将为金属分析和定位的新成像技术、工具、软件和定量方法提供测试平台。这些新方法将应用于心脏病、受精发育、神经退行性疾病和代谢性疾病的前沿研究。
西北大学神经生物学助理教授Yevgenia Kozorovitskiy说:“描绘金属和大脑中的金属动力学的能力为神经科学研究，神经发育和神经退行性疾病，以及对神经元如何交流的基本理解开辟了重要的新途径。”
她说:“长期以来，该领域一直关注神经元中的钙信号，但锌和其他金属在神经元中扮演着关键的突触信号角色，除了它们作为重要神经蛋白的辅助因子的功能外，人们对它们的了解还很有限。”
通过LA-ICP-TOF-MS获得的小鼠大脑定量元素图:绿色区域对应于高浓度的锌，尤其是在海马结构中普遍存在。蓝色区域表示室周区铜的富集，红色区域表示铁的富集。(样本由Kozorovitskiy和O’halloran团队提供，分析软件来自Tofwerk AG)。
由QBIC操作的一种新的质谱分析工具将能够对组织切片中的细胞进行快速的2D和3D成像。进展将包括开发一个完全集成的系统，具有实时多元素成像能力，处理低温保存生物组织的标准化程序，以及一个通用的冷冻样品安装系统，该系统可以在多种不同的技术之间移动，以地图和分析元素分布。
更快、更灵敏的x射线成像
该资源还将使用大样本格式扫描x射线荧光显微镜(SXFM)，利用美国最亮的同步加速器辐射源之一:先进光子源，美国能源部科学用户设施，位于阿尔贡国家实验室。SXFM将为研究人员提供有关金属分布的全组织信息。
Jacobsen是x射线显微镜和微量金属定量方面的专家，他将努力提高SXFM的速度、成本效益和成像灵敏度，并将低温保存生物组织的方法标准化，以便跨平台通用。
生命过程化学研究所成员雅各布森说:“我们希望进一步突破x射线成像的极限，将其应用于生物系统。”“阿贡实验室的APS是激发x射线荧光的一种很好的方式，它比以往任何时候在实验室系统中都能实现更高的速率和更高的空间分辨率。”
超声波探测器可以“听到”颜色的声音
第三种资源技术——光声光谱(PAM)是由张和孙开创的。PAM部署了一种高度新颖的模块化超声波探测器，结合了独特的化学过程，以前所未有的分辨率为冷冻样本和活体组织成像。这种方法的工作原理是用激光扫描样品，使热量和颜色强度增加，并触发可通过声学探测的冲击波。程和孙将与合作者一起设计分子探针，以满足特定的实验需要。这些进展将为特定金属离子浓度随时间变化的波动提供更好的成像方法。
“这几乎就像听到一种颜色的声音，”奥哈洛伦说。“有障碍的人类大脑的感官输入感到困惑,但在这种情况下,我们使用一个光子的吸收一定波长的光,产生颜色的观察,创建一个声波,将帮助我们定位的图像材料。通过聆听光声探测器，我们可以根据声音模式创建一张地图。这是一个难以置信的想法，从来没有被展示过。”
在nih资助的40个国家资源中，qi – map作为研究金属在健康和疾病中作用的唯一先进技术，将占有独特的地位。
奥哈洛伦说:“我们将与来自全国各地的几十个生物医学研究团队合作，目的是了解各种金属相关疾病的分子机制，从威尔逊病、门克斯病和阿尔茨海默病，到帕金森病、心脏病和糖尿病。”“全国各地的调查小组都有一个特别的问题，他们需要知道样本中有多少金属，以及这些金属对样本有什么影响。我们可以帮助回答所有这些问题。”
新闻旨在传播有益信息，英文原版地址：https://news.northwestern.edu/stories/2020/06/northwestern-launches-a-national-resource-to-unlock-role-of-metals-in-human-health/