在生命科學(xué)領(lǐng)域，蛋白質(zhì)是生命活動(dòng)的核心，其功能不僅取決于自身的組成，更與其在細(xì)胞或組織內(nèi)的具體空間位置密切相關(guān)。因此，精確解析蛋白質(zhì)的空間分布，對(duì)于揭示疾病發(fā)生機(jī)制和推動(dòng)藥物研發(fā)具有至關(guān)重要的意義。隨著研究的深入，科學(xué)家們致力于繪制蛋白質(zhì)在復(fù)雜組織環(huán)境中的三維分布圖譜，這對(duì)用于樣本前處理的精密器械，特別是能夠?qū)崿F(xiàn)微米級(jí)結(jié)構(gòu)操控的工具，提出了極高的標(biāo)準(zhǔn)需求。
美國(guó)紐約州立大學(xué)布法羅分校的曲峻（Jun Qu）教授團(tuán)隊(duì)所開發(fā)的微型支架輔助空間蛋白質(zhì)組學(xué)（MASP）方法取得了關(guān)鍵突破。該方法的核心創(chuàng)新之一，是引入了一種特制的六邊形微型支架，能夠?qū)⑼暾慕M織樣本進(jìn)行精確的微區(qū)室化分割。研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)采用摩方精密的微納3D打印系統(tǒng)，成功制備出微孔達(dá)到50微米的高精度六邊形微型支架，為后續(xù)實(shí)現(xiàn)高通量、高靈敏度的蛋白質(zhì)組學(xué)分析奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，提供了研究全組織水平蛋白質(zhì)空間分布的全新解決方案。
01 技術(shù)瓶頸：微納制造挑戰(zhàn)生命科學(xué)極限
在曲峻教授團(tuán)隊(duì)開發(fā)的MASP方法中，實(shí)現(xiàn)全組織蛋白質(zhì)空間分布精準(zhǔn)測(cè)繪的關(guān)鍵，在于一種能夠?qū)⑼暾M織樣本進(jìn)行精確微區(qū)室化分割的微型支架。這類微型支架需同時(shí)滿足微米級(jí)精度與適宜的機(jī)械穩(wěn)定性兩大條件，以確保在復(fù)雜生物樣品處理過(guò)程中維持結(jié)構(gòu)完整，避免交叉污染。
然而，傳統(tǒng)微加工技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)兼具高精度與復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)的微型支架批量制備。盡管已有技術(shù)路線如雙光子聚合3D打印能夠?qū)崿F(xiàn)超高的打印精度，但其加工效率低、成型尺寸受限，且設(shè)備成本高昂，難以支撐大規(guī)模、可重復(fù)的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用需求。微型支架的制造精度直接關(guān)系到組織分割的準(zhǔn)確性，進(jìn)而影響后續(xù)蛋白質(zhì)組學(xué)分析的空間分辨率和數(shù)據(jù)可靠性。
然而，當(dāng)微型支架存在結(jié)構(gòu)不均一或尺寸偏差的問(wèn)題時(shí)，將會(huì)導(dǎo)致蛋白質(zhì)定位信息失真，嚴(yán)重影響研究結(jié)論的準(zhǔn)確性。因此，微納3D打印技術(shù)因其高精度與良好的可控性，是制備微型支架的理想方案。
圖1. 顯微鏡下的微型支架結(jié)構(gòu)。
02 創(chuàng)新突破：實(shí)現(xiàn)極限特征支架制造
基于由摩方精密的面投影微立體光刻（PμSL）技術(shù)（nanoArch? S140，精度：10μm）制備出的六邊形微型支架，研究團(tuán)隊(duì)成功構(gòu)建了一套完整的空間蛋白質(zhì)組學(xué)分析流程，其主要環(huán)節(jié)包括：
組織微區(qū)室化與精準(zhǔn)采樣：利用定制設(shè)計(jì)的微型支架對(duì)完整組織樣本進(jìn)行結(jié)構(gòu)規(guī)整的微區(qū)劃分，在空間上隔離不同功能區(qū)域，為后續(xù)分析提供定位準(zhǔn)確的微量樣本。
微尺度樣本前處理與酶解：在每個(gè)微區(qū)室內(nèi)完成蛋白質(zhì)提取、酶解等步驟，用于液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用分析。
蛋白質(zhì)圖譜構(gòu)建與數(shù)據(jù)分析：整合質(zhì)譜鑒定結(jié)果與微區(qū)室空間坐標(biāo)信息，重建全組織范圍內(nèi)的高分辨率蛋白質(zhì)分布圖譜。
圖2. 微型支架輔助空間蛋白質(zhì)組學(xué)方法示意圖。
圖3. 通過(guò)PμSL技術(shù)制備的六邊形微型支架，分辨率、效率和機(jī)械強(qiáng)度顯著提升。
03應(yīng)用成果：推動(dòng)空間蛋白質(zhì)組學(xué)進(jìn)入新時(shí)代
基于經(jīng)過(guò)高精度支架升級(jí)的MASP平臺(tái)，本研究繪制了健康小鼠全腦內(nèi)約1萬(wàn)種蛋白質(zhì)及3萬(wàn)多個(gè)磷酸化位點(diǎn)的高分辨率空間分布圖譜，并驗(yàn)證了圖譜的可靠性。
研究更一步揭示了以往難以觀測(cè)到的精細(xì)空間分布模式，在不同腦區(qū)結(jié)構(gòu)中識(shí)別出大量新的區(qū)域富集蛋白。改進(jìn)后的MASP方法還拓展至藥物研究領(lǐng)域，使得研究人員能夠可視化抗體藥物在腦內(nèi)的分布，為藥物遞送及其局部組織反應(yīng)的研究提供了新的視角。
據(jù)研究團(tuán)隊(duì)稱，在制備所需的高保真微型支架方面，僅有摩方精密的打印系統(tǒng)能夠滿足要求，其他技術(shù)方案均無(wú)法實(shí)現(xiàn)如此高的精度。曲峻教授曾這樣評(píng)價(jià)到：“摩方精密的微納3D打印系統(tǒng)所具有的精確性和可靠性，使得我們能夠以前所未有的深度和準(zhǔn)確度，繪制全組織層面的蛋白質(zhì)空間信息圖譜。在摩方技術(shù)的支持下，我們團(tuán)隊(duì)成功開發(fā)了能夠推動(dòng)空間生物學(xué)邊界的新方案，這為生物醫(yī)學(xué)和藥物研究中的組織異質(zhì)性研究帶來(lái)了新的機(jī)遇。”
圖4. MASP技術(shù)生成的全組織蛋白質(zhì)分布圖，展示了空間蛋白質(zhì)組圖譜的高靈敏度特征。
04技術(shù)展望：微納制造賦能生命科學(xué)的未來(lái)
摩方精密在空間蛋白質(zhì)組學(xué)領(lǐng)域的突破，只是微納制造技術(shù)賦能生命科學(xué)的一個(gè)縮影。隨著相關(guān)技術(shù)不斷迭代，高精度3D打印在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用展現(xiàn)出廣闊潛力。
從演進(jìn)路徑來(lái)看，高精度3D打印技術(shù)正朝著多功能集成與智能化制造的方向深化發(fā)展。摩方精密已在此方向積極布局，其技術(shù)體系逐步向精度極限不斷逼近、材料體系持續(xù)擴(kuò)展、制造流程日益智能化演進(jìn)。
在市場(chǎng)覆蓋方面，摩方精密的超高精度3D打印系統(tǒng)已服務(wù)全球40個(gè)國(guó)家的近3000家科研機(jī)構(gòu)與工業(yè)企業(yè)，客戶涵蓋國(guó)際頂尖的醫(yī)療器械企業(yè)、精密連接器制造商以及消費(fèi)電子行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者。即便在德國(guó)、日本、美國(guó)等具有深厚精密制造基礎(chǔ)的國(guó)家，其設(shè)備也在穩(wěn)步支撐多個(gè)前沿科學(xué)領(lǐng)域的創(chuàng)新研究。
當(dāng)高精度制造技術(shù)真正融入實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景，其核心價(jià)值——精度，才得以充分彰顯。
