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黃超蘭：為達(dá)人類健康終極目標(biāo) 構(gòu)建精準(zhǔn)醫(yī)療新路徑

2021.5.27

　　分析測(cè)試百科網(wǎng)訊新冠疫情肆虐下的全球，無(wú)數(shù)科學(xué)家正在努力破解COVID-19致病和診療的難題。2020年11月17日，黃超蘭教授課題組和高福院士合作的課題在《自然.通訊》上發(fā)表^[1]，從蛋白質(zhì)組學(xué)的角度揭示了新冠病毒感染后輕及普通癥的免疫抑制和到重癥的“雙階段”現(xiàn)象，并發(fā)現(xiàn)了疾病變化階段的一系列標(biāo)志物。這是黃超蘭教授到北京大學(xué)醫(yī)學(xué)部精準(zhǔn)醫(yī)療多組學(xué)研究中心（CPMMR）履任后的又一個(gè)新成果。中學(xué)移民香港再到美國(guó)John Yates實(shí)驗(yàn)室多年然后回國(guó)，黃超蘭教授本人與眾不同的成長(zhǎng)經(jīng)歷塑造了她獨(dú)特的思維方式和個(gè)性。近日，分析測(cè)試百科網(wǎng)采訪了黃超蘭教授，她在2015年就提出的Med Map：開(kāi)發(fā)生物標(biāo)志物的新路徑，有可能為多組學(xué)真正轉(zhuǎn)化為臨床可用的精準(zhǔn)醫(yī)療打開(kāi)新思路，希望對(duì)所有關(guān)心多組學(xué)和精準(zhǔn)醫(yī)療的研究者們有啟發(fā)。

北京大學(xué)醫(yī)學(xué)部精準(zhǔn)醫(yī)療多組學(xué)研究中心主任黃超蘭教授

　　深厚背景解決挑戰(zhàn)性問(wèn)題的高手

　　黃超蘭教授習(xí)慣別人叫她Catherine 或Cathy。她的背景可能很多人已了解，香港大學(xué)攻讀物理化學(xué)博士，用電-磁扇形質(zhì)譜研究氨基酸和短肽離子在氣相中的裂解機(jī)理，隨后到美國(guó)John Yates實(shí)驗(yàn)室用質(zhì)譜研究蛋白質(zhì)組學(xué)，開(kāi)發(fā)各種方法如：Shotgun定性、定量、蛋白相互作用、翻譯后修飾等。去除所有的個(gè)性化色彩，Cathy談到自己的特點(diǎn)：“我喜歡解決有挑戰(zhàn)性的問(wèn)題，很多合作正是由此而來(lái)。有機(jī)會(huì)創(chuàng)造一個(gè)新方法，解決問(wèn)題，從而得到新的發(fā)現(xiàn)是我最感興趣的?！?/p>

　　Cathy非常感謝自己的求學(xué)經(jīng)歷中的機(jī)遇和遇到過(guò)的幾位導(dǎo)師。包括在港大打下的物理化學(xué)、質(zhì)譜機(jī)理的根基、在John Yates組多年的實(shí)戰(zhàn)等，對(duì)多種質(zhì)譜儀器的原理和應(yīng)用的深度專業(yè)，使她在解決問(wèn)題時(shí)，比一般組學(xué)同行能更好地針對(duì)課題，選擇合適的儀器和方法，更得心應(yīng)手。解決問(wèn)題更快、有更多靈感正是Cathy作為“組學(xué)醫(yī)生”的特點(diǎn)，她提到了在美國(guó)的第一個(gè)難忘經(jīng)歷，“那時(shí)我剛剛到Y(jié)ates Lab，賓夕法尼亞大學(xué)的合作者Anna Kashina，要我們幫她用質(zhì)譜鑒定一個(gè)精氨酸化的翻譯后修飾。這是一個(gè)特別的修飾，作用于ATE1下，氨基酸R會(huì)被加到肽段的N端（尾端）。之前的實(shí)驗(yàn)室同事已經(jīng)做了一段時(shí)間毫無(wú)發(fā)現(xiàn)，開(kāi)始懷疑修飾的真實(shí)性。John說(shuō)，Catherine要不你試試？（大概因?yàn)槲沂切聛?lái)的）。我先仔細(xì)看了她們生物學(xué)的各種證據(jù)覺(jué)得那shift得很明顯的條帶不像是假的。然后我再想，精氨酸非常堿性，加到肽段N端后，根據(jù)裂解機(jī)理，二級(jí)譜圖一定會(huì)有明顯的b離子特征。于是我很肯定我一定能做成。后來(lái)果然就成功鑒定到了這個(gè)真實(shí)的修飾， 2006年就發(fā)表到了Science^[2]。從此打開(kāi)了這個(gè)研究領(lǐng)域的新“大門(mén)”。后面我們看到這個(gè)修飾在微血管生成上有重要的功能，能解析心腦血管的疾病機(jī)制?！?/p>

　　“蛋白組學(xué)本質(zhì)上是一個(gè)“forgiving”的技術(shù)，特別是近年來(lái)幾大公司的推動(dòng)下，質(zhì)譜儀器變得越來(lái)越powerful，更加拉低了組學(xué)入門(mén)的門(mén)檻。只要有錢(qián)買幾臺(tái)高性能質(zhì)譜，接受一些培訓(xùn)，拿一套固定的前處理，色譜、質(zhì)譜、搜庫(kù)的條件參數(shù)，一個(gè)普通的技術(shù)員基本都能得到一套不錯(cuò)的組學(xué)數(shù)據(jù)。但要如何能在蛋白組學(xué)技術(shù)上有真正的突破和創(chuàng)新，并促進(jìn)生命科學(xué)中的新發(fā)現(xiàn)，那還只有很少人能做到?！?Cathy 說(shuō)。

　　文化碰撞時(shí) 換位思考和溝通很重要

　　談到個(gè)性，一定會(huì)讓人想起Cathy的飆車和紫、綠的染發(fā)。她說(shuō)：“因?yàn)閺男〗邮芪鞣轿幕w制的教育，我養(yǎng)成了實(shí)事求是，獨(dú)立自主的價(jià)值觀?！?/p>

　　既然這么“西方”，回國(guó)后是否會(huì)處處碰壁呢？ “開(kāi)始肯定有cultural shock，后來(lái)學(xué)會(huì)了設(shè)身處地、換位思考理解的溝通方式”。Cathy很感謝幫助過(guò)她的朋友和前輩。他們讓她學(xué)會(huì)了如何順應(yīng)體制的不同而改變溝通方式?！爸灰宰鹬貫榍疤?，以做成事情為目標(biāo)，其它都不是問(wèn)題了?！?Cathy 說(shuō)。

　　回國(guó)前，黃超蘭教授在美國(guó)Scripps研究所任長(zhǎng)聘資深科學(xué)家，2011年被邀請(qǐng)回國(guó)參加?xùn)|方論壇，并以專家身份對(duì)國(guó)家將投資建設(shè)的大科學(xué)設(shè)施——蛋白質(zhì)科學(xué)中心（上海）提供了質(zhì)譜儀器采購(gòu)的建議。隨后中心的幾位負(fù)責(zé)領(lǐng)導(dǎo)，包括前生化細(xì)胞所所長(zhǎng)林安寧、雷鳴等幾番到圣地亞哥動(dòng)員黃超蘭回國(guó)，建設(shè)中心的質(zhì)譜平臺(tái)。黃超蘭在美國(guó)時(shí)就從零開(kāi)始創(chuàng)建了Scripps的蛋白質(zhì)組學(xué)中心 (CPP)，并參與酵母資源中心（YRC）多年，在建設(shè)多學(xué)科交叉合作中心方面，的確是最合適的人選?！癥RC是個(gè)運(yùn)行了至少35年的center grant，John是發(fā)起者之一，還有現(xiàn)在很有名的David Baker。當(dāng)年每個(gè)月要去西雅圖的華盛頓大學(xué)開(kāi)一次YRC會(huì)議，對(duì)David的印象一直就是非常聰明和帥氣?！?Cathy 回憶說(shuō)。 “國(guó)家投了那么多個(gè)億，一定不能被浪費(fèi)?！本蜑榱诉@唯一一個(gè)單純的想法，黃超蘭帶著剛出生的孩子回國(guó)，從毛坯房開(kāi)始，一手一腳地親手建立了國(guó)家蛋白質(zhì)科學(xué)中心（上海）的質(zhì)譜平臺(tái)，并于2015年4月順利完成國(guó)家發(fā)改委的驗(yàn)收。

　　雖然大科學(xué)設(shè)施主要定位于服務(wù)平臺(tái)，黃超蘭也一直堅(jiān)持研發(fā)，她說(shuō)“如果沒(méi)有R&D，如果不緊貼國(guó)際前沿技術(shù)發(fā)展，平臺(tái)一定會(huì)越做越差?！?2015-2017兩年間，中心的質(zhì)譜系統(tǒng)助力生物學(xué)家發(fā)表了30多篇高水平的文章。比如助力中科院院士、西湖大學(xué)校長(zhǎng)施一公團(tuán)隊(duì)在Science上發(fā)表了兩篇有重大科學(xué)意義的論文^[3-4]，利用高分辨質(zhì)譜技術(shù)對(duì)剪接體復(fù)合物的成分進(jìn)行準(zhǔn)確鑒定，和利用交聯(lián)質(zhì)譜技術(shù)對(duì)剪接體復(fù)合物組成蛋白的分子間相互作用進(jìn)行預(yù)定位分析，為酵母剪接體結(jié)構(gòu)解析提供了除冷凍電鏡之外最直接有效的數(shù)據(jù)。

　　黃超蘭教授還和當(dāng)時(shí)的同事，中科院生化細(xì)胞所許琛琦教授合作，先開(kāi)發(fā)了基于質(zhì)譜的絕對(duì)定量蛋白質(zhì)組新方法，用以觀察 T細(xì)胞受體-共受體（TCR-CD3）復(fù)合物絡(luò)氨酸在不同抗原刺激下的動(dòng)態(tài)磷酸化修飾全貌。他們根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)了一條亞基CD3ε的單磷酸化新功能，此功能在CAR-T免疫治療上有很好的效果，有望應(yīng)用在臨床上對(duì)于腫瘤的CAR-T免疫治療有新的提高。這一研究2020年8月發(fā)表在《Cell》上^[5]。

　　在上海蛋白質(zhì)中心期間，黃超蘭教授還聯(lián)手浙江大學(xué)方群教授一起攻關(guān)單細(xì)胞蛋白質(zhì)組學(xué)，這是蛋白質(zhì)組學(xué)領(lǐng)域的圣杯。把微流控芯片體系融合進(jìn)蛋白質(zhì)組流程中，在真正意義上的單細(xì)胞蛋白質(zhì)組領(lǐng)域中，成為了第一個(gè)開(kāi)創(chuàng)者。第一代芯片成果發(fā)表在《Analytical Chemistry》上^[6]。這里還有一個(gè)小插曲，當(dāng)時(shí)學(xué)生優(yōu)化的方法被同組的師兄偷偷帶到美國(guó)換了另外一個(gè)名稱“挪用”了。Cathy 說(shuō)，“某人偷走了我們的原創(chuàng)概念和優(yōu)化條件到美國(guó)換了另一個(gè)名字讓人家以為是他的原創(chuàng)，這種現(xiàn)象在科研界不少見(jiàn)，我覺(jué)得我們‘正名’的方式是，要做得更加超越他。目前我們的技術(shù)已經(jīng)進(jìn)行到了第三代，在真正的單個(gè)細(xì)胞，不用booster等方法下，鑒定的蛋白量領(lǐng)跑著單細(xì)胞蛋白質(zhì)組學(xué)的國(guó)際水平?！?/p>

　　實(shí)現(xiàn)理想的舞臺(tái)：精準(zhǔn)醫(yī)療多組學(xué)研究中心

　　“上海中心驗(yàn)收后，我覺(jué)得我的階段性使命也完成了”，Cathy 說(shuō)，“轉(zhuǎn)變是在2015年，精準(zhǔn)醫(yī)療開(kāi)始在中國(guó)走紅。其實(shí)2000年美國(guó)就開(kāi)始做‘基因-蛋白組’和‘系統(tǒng)生物學(xué)’這件事了。當(dāng)時(shí)大家一提精準(zhǔn)醫(yī)療，就直接把它和基因測(cè)序畫(huà)了等號(hào)。大概因?yàn)槲沂亲龅鞍捉M的，就感到有點(diǎn)不服，人體里面大小那么多不同的分子，憑什么就只提基因？必須是‘多組學(xué)’啊。所以2015年我就開(kāi)始向廠家及后來(lái)引進(jìn)我到北大醫(yī)學(xué)的柯?lián)P校長(zhǎng)、詹啟敏主任提多組學(xué)的概念?！钡降自鯓硬拍茏龊镁珳?zhǔn)醫(yī)療？經(jīng)過(guò)大半年深入的思考，黃超蘭終于得出了一個(gè)新的計(jì)劃和藍(lán)圖，于是決定毅然離開(kāi)上海北上，加入北京大學(xué)醫(yī)學(xué)部這個(gè)中國(guó)著名的國(guó)家隊(duì)醫(yī)學(xué)院，實(shí)現(xiàn)她精準(zhǔn)醫(yī)療新范式的規(guī)劃。她得到北醫(yī)領(lǐng)導(dǎo)的多方支持，2018年在北大醫(yī)學(xué)部成立了精準(zhǔn)醫(yī)療多組學(xué)研究中心的新體制二級(jí)實(shí)體機(jī)構(gòu)。

　　對(duì)于當(dāng)今流行的“AI大數(shù)據(jù)”，黃超蘭也有自己的獨(dú)特看法：“我們從IBM 的Dr Watson 為什么失敗，DeepMind 的Alpha 系列為什么成功，大概就能看到對(duì)AI大數(shù)據(jù)來(lái)說(shuō)，什么是最重要的了。”就臨床數(shù)據(jù)來(lái)說(shuō)，就算再多再大，如果不知道數(shù)據(jù)背后隱含的意義，那也不會(huì)得到最終想要的結(jié)果，甚至是錯(cuò)誤的答案?！爱?dāng)時(shí)我們實(shí)驗(yàn)室有個(gè)同事就是MD Anderson數(shù)據(jù)團(tuán)隊(duì)成員，聽(tīng)完他說(shuō)的整個(gè)和IBM合作的過(guò)程，就覺(jué)得Dr Watson那時(shí)注定會(huì)失敗。當(dāng)你完全不了解醫(yī)療、臨床的數(shù)據(jù)的性質(zhì)和meaning，即使有最好的算法團(tuán)隊(duì)也不行。

　　闡述COVID-19發(fā)病機(jī)制

　　11月17日，黃超蘭課題組和高福院士合作的課題在《自然.通訊》上發(fā)表，從蛋白質(zhì)組學(xué)的角度揭示了COVID-19感染后從輕癥到重癥的轉(zhuǎn)化機(jī)制，并發(fā)現(xiàn)了轉(zhuǎn)化階段的一系列標(biāo)志物。同流感相比，新冠住院者的死亡率平均是流感的3倍，新冠病毒非?！敖苹薄⒉∪藴y(cè)核酸時(shí)有時(shí)無(wú)。該研究發(fā)現(xiàn)：早期的新冠感染患者存在著顯著的免疫抑制，并首次提出COVID-19的發(fā)病機(jī)制或存在“兩階段”模式：第一階段涉及免疫系統(tǒng)抑制、緊密連接受損以及大規(guī)模的代謝紊亂；第二階段涉及部分免疫應(yīng)答激活，可能進(jìn)一步導(dǎo)致細(xì)胞因子風(fēng)暴和器官損傷的發(fā)生。

新冠病毒感染的“兩階段”機(jī)制

　　研究發(fā)現(xiàn)新冠的一個(gè)很重要特點(diǎn)是發(fā)病早期的免疫并沒(méi)有很多同SARS、MERS類似的細(xì)胞因子風(fēng)暴，而是處在抑制的狀態(tài)，因此剛開(kāi)始使用針對(duì)白介素細(xì)胞因子的妥珠單抗往往無(wú)效。而提高病人的免疫力，觀測(cè)體征對(duì)癥（如咳嗽）治療，防止肺內(nèi)液體堵塞，對(duì)病人進(jìn)行很好的照顧，早期服用中藥、鋅鐵補(bǔ)充劑、營(yíng)養(yǎng)品增強(qiáng)免疫力，往往奏效。

　　質(zhì)譜發(fā)揮的作用和未來(lái)趨勢(shì)

　　《自然.通訊》這篇文章使用的質(zhì)譜是布魯克公司的timsTOF Pro。黃超蘭談到了同布魯克合作的歷史以及該質(zhì)譜的特點(diǎn)。

基于DIA-PASEF方法的定量蛋白質(zhì)組學(xué)分析流程

　　“那是全中國(guó)第一臺(tái) timsTOF Pro 的儀器呢。”Cathy 驕傲地說(shuō)。讀化學(xué)的人都會(huì)知道布魯克，因?yàn)槊總€(gè)化學(xué)系都有核磁（NMR），現(xiàn)在只有極少數(shù)公司生產(chǎn)NMR，絕大部分由布魯克提供，而且布魯克還制造質(zhì)譜的終極儀器FTICR-MS。 “2019年布魯克總裁Frank Laukien來(lái)到我們中心參觀，我們就質(zhì)譜及其它高端儀器在多組學(xué)上的應(yīng)用和發(fā)展前景進(jìn)行了深入的探討?！?/p>

黃超蘭教授和布魯克總裁Frank Laukien

　　“目前，timsTOF Pro已經(jīng)成為了我們中心的主力軍，它們新穎的PASEF采集模式大幅提升duty cycle（占空比）至100%，在靈敏度上飛躍式的進(jìn)步，4D-DIA方法，都使得我對(duì)這臺(tái)儀器刮目相看！”

北京大學(xué)醫(yī)學(xué)部精準(zhǔn)醫(yī)療多組學(xué)研究中心質(zhì)譜實(shí)驗(yàn)室

　　“軌道阱Orbitrap和Q-TOF儀器的很大的一個(gè)本質(zhì)區(qū)別是它們屬于兩種不同的“分析器串聯(lián)”的方式，前者是時(shí)間串聯(lián)，后者是空間串聯(lián)，這首先會(huì)對(duì)二級(jí)譜造成最大的影響?！盋athy 用她的專業(yè)畫(huà)龍點(diǎn)睛了兩款超高分辨質(zhì)譜儀，也做了個(gè)形象比喻，“如果把二級(jí)譜鑒定的蛋白比作珍珠，Orbitrap給你的是非常清晰的5顆珍珠，幾乎沒(méi)有雜草；timsTOF能給你8顆珍珠，但混在雜草里。有些人因?yàn)楹?jiǎn)單更喜歡5顆不帶雜草的珍珠，有些人想要更多的珍珠，愿意去雜草里挑選，并且在挑選的過(guò)程中還會(huì)有意想不到的發(fā)現(xiàn)?！?由于非常專業(yè)和客觀，在美國(guó)時(shí)黃超蘭是知名質(zhì)譜公司推出新產(chǎn)品前很好的測(cè)試者，她會(huì)到廠家對(duì)關(guān)鍵性能進(jìn)行測(cè)試，比如有一次就測(cè)出產(chǎn)品的一個(gè)bug，廠家雖為此推遲了上市時(shí)間，但最終推向市場(chǎng)的是一臺(tái)更完美的儀器。

　　對(duì)于布魯克的其它幾款產(chǎn)品，黃超蘭表示：自己日后有錢(qián)的話會(huì)買一臺(tái)scimaX FTICR質(zhì)譜儀；timsTOF系列的質(zhì)譜也有技術(shù)更新，新推出的timsTOF fleX相比timsTOF Pro就增加了MALDI功能，使用了非常前沿的激光器，如果要做影像組學(xué)會(huì)非常有用。

　　作為質(zhì)譜的“超級(jí)玩家”，黃超蘭也回顧自身經(jīng)歷中質(zhì)譜技術(shù)的變化。最初自己用磁質(zhì)譜，當(dāng)時(shí)用EI和FAB（快原子轟擊）離子源，測(cè)定化合物小分子。第一個(gè)變化是從小分子到大分子，比如后來(lái)實(shí)驗(yàn)室購(gòu)置了兩臺(tái)離子阱液質(zhì)。第二個(gè)變化是軟件大幅提升了體驗(yàn)，尤其是更簡(jiǎn)單地獲得結(jié)果。對(duì)于質(zhì)譜未來(lái)的期望，黃超蘭希望是：更靈敏、更快！而對(duì)于組學(xué)來(lái)說(shuō)分辨率不是最重要的考慮?！巴渴钱?dāng)前的瓶頸。”黃超蘭說(shuō)，“基因測(cè)序的特點(diǎn)是能夠擴(kuò)增獲得大量樣本，大幅提高通量。質(zhì)譜由于是起源于物理技術(shù)的測(cè)量工具，目標(biāo)物不能擴(kuò)增，必須一個(gè)一個(gè)測(cè)定，通量就受到限制。期待某天質(zhì)譜儀會(huì)有一個(gè)根本性的突破?！?/p>

　　終極目標(biāo)

　　黃超蘭認(rèn)為，此前蛋白質(zhì)組學(xué)發(fā)現(xiàn)的各種生物標(biāo)志物，真正用到精準(zhǔn)醫(yī)療的路徑尚未打通。目前臨床質(zhì)譜應(yīng)用中主要還是小分子，蛋白標(biāo)志物方面未建立很好的方法?！霸贑ell那篇文章^[4]中，我嘗試發(fā)展一套絕對(duì)定量的質(zhì)譜方法。相比抗體和Elisa試劑盒方法，質(zhì)譜靈敏度更高、特異性強(qiáng)、并可進(jìn)行多標(biāo)志物定量，是未來(lái)發(fā)展的方向?！苯陙?lái)，隨著賀福初院士等科學(xué)家推動(dòng)的PDPM，人們對(duì)精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)中蛋白質(zhì)組的作用了解更多也更重視。

　　盡管黃超蘭發(fā)表了很多好的論文，但這并不是她的終極目標(biāo)，黃超蘭做了一個(gè)比喻：馬斯克的終極目標(biāo)是把人類送上火星，特斯拉、回收火箭，都是實(shí)現(xiàn)目標(biāo)路上的副產(chǎn)品?！拔业哪繕?biāo)是：通過(guò)Med Map的理念，能真正把成果貢獻(xiàn)于人類的健康！”

　　參考文獻(xiàn)：

　　1.Immune suppression in the early stage of COVID-19 disease. Nature Communications volume 11, Article number: 5859 (2020)

　　2.Arginylation of β-Actin Regulates Actin Cytoskeleton and Cell Motility, August 2006 Science 313(5784):192-6.

　　3.Structure of a yeast spliceosome at 3.6-angstrom resolution. Science, 2015, 349(6253), 1182-1191

　　4.The 3.8 ? structure of the U4/U6.U5 tri-snRNP: Insights into spliceosome assembly and catalysis. Science, 2016, 351(6272), 466-475

　　5.Multiple signaling roles of CD3ε and its application in CAR-T cell therapy. Cell, 2020, 182(4): 855-871.e23

　　6.Nanoliter-Scale Oil-Air-Droplet Chip-Based Single Cell Proteomic Analysis. Anal. Chem. 2018, 90, 8, 5430–5438

精準(zhǔn)醫(yī)療黃超蘭

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