第二期原子光谱沙龙活动报道
多元素分析的生物学意义与面临的问题
北京大学医药卫生分析中心生命元素组学实验室 王京宇教授
首先来自北京大学医药卫生分析中心生命元素组学实验室的王京宇教授为大家带来了有关《多元素分析的生物学意义与面临的问题》的报告。
元素组学提出的背景
王教授首先向大家介绍了元素组学提出的背景。2001年王教授根据自己实验室的特点，提出了生命元素总谱的概念，即把生命体中所有元素的存在形式进行了一个综合的分析，用正常人群的生命元素组和异常人群的生命元素组进行比对，从而有助于疾病的早期诊断、治疗效果的跟踪以及未来的治疗方向等。02年，日本分析化学家Haraguchi教授提出了金属组学的概念，但生命现象中不仅仅是金属蛋白、金属酶在起作用，除此之外还有很多非金属元素也起到了至关重要的作用，所以元素组学的概念更为宏观。在此基础上，北京大学医学院在04年成立了生命元素组学实验室。
生命元素组学的定义为生命体中具有生物学意义的、以各种形态存在的所有无机元素的集合。其研究范畴包括生命体中无机元素的种类、浓度、分布、比例、价态、形态及相应的生物学功能;元素组与其他组(如基因、蛋白、代谢组)之间的关系。近年来，王教授主要运用元素组学进行人体样品中元素的分布于形态及其与疾病之间的关系、以多元素分析为基础的疾病诊断技术、多元素分析基础上的生物无机指纹图谱以及中草药无机指纹图谱等领域的研究。
研究发现生命体中元素存在三种“比例关系”
王教授通过研究发现，生命体中元素存在三种“比例关系”，分别为“特征比例关系”、受迫比例关系”和“渐变比例关系”。王教授分别通过实例说明了生命体中元素存在“特征比例关系”、 “受迫比例关系”和“渐变比例关系”。
1、“特征比例关系”——取决于生命体中自身的天然结构与功能，标志着生命体是否正常或者变异；
比如，轻稀土元素在大鼠不同脏器中存在这种特征比例关系。一般，自然界中的稀土元素存在“奇偶规律”，即原子序数为偶数的稀土元素浓度要高于相邻的两个原子序数为奇数的元素。但通过实验发现，大鼠的股骨脏器中的稀土元素浓度和自然界中的稀土元素浓度规律相反，呈现倒置的关系，王教授指出在人骨中也发现了类似的异常分布。
2、“受迫比例关系”——取决于生命体的生存环境和对环境元素的“域值”，在某种程度上是“可逆”的；
和前述实验类似，对大鼠进行稀土饲料添加剂灌胃，经试验发现，当在低供给量的条件下，大鼠股骨中的La、Co、Pr、Nd这四个稀土元素呈现“奇高偶低分布”的“特征比例关系”;随着供给量的增加(从低剂量、到中剂量、到高剂量)，发现股骨中的稀土元素趋于“受迫比例关系”，说明在动物体内对于元素有一定抵御性的域值，一旦突破该域值，元素浓度便会随外界的给予量而变化。当对大鼠停止灌胃一个月后，高剂量(排毒组)组元素含量明显降低，说明这种“受迫比例”是可逆的。
另外，各种不同剂量的实验中，股骨中的Sm元素的浓度始终没有变化，推测Sm元素是人体中必须元素，在股骨中起到结构功能的作用。
3、“渐变比例关系”——取决于生命体内元素之间的交互作用，反应生命体“由量变到质变”的渐进过程。
把大鼠随机分为3组，每组25只，分别对其染毒40、80、120天，取全血并测定40种元素含量，经统计学发现，暴露时间会影响相关元素对的比值， 比如Fe/Zn或Cu/Zn元素对的浓度比随染毒时间变化是不同的。王教授指出，如果设计专门实验，则会得到更好的“相关元素对 vs 暴露时间”的函数关系，从而判断被监测对象是“短期高剂量铅暴露的结果”，还是“长期低剂量铅暴露的结果。”还可能通过检测数据来判断染毒时间的长短，应用于对儿童中毒时间的临床检测中。
多元素组学新应用
肺癌和癌旁组织中微量元素的对比分析
王教授所在实验室在04~05期间，对人体17份肺癌和癌旁组织进行比对试验。采用AAS、AFS、ICP、ICP-MS相结合的检测方法，对肺癌和癌旁组织的55种微量元素含量进行分析比较，发现Mg、P、K、Cu、Zn、Se、Rb、Ge等8种元素在肺癌组织中的含量显著高于癌旁组织;Be、Sc、Fe、Co、Ga、Ag、Cd、In、Sn、Sb、Pb、Bi等12种元素在癌旁组织中的含量显著高于肺癌组织。在上述这20个元素中有14个元素尚未在相关文献中报道。
王教授指出，通过实验发现肺癌组织中的富集元素以人体必需元素为主，癌旁组织中的富集元素以非必需元素及有害元素为主，由此便引来了一个新的研究课题：这些富集元素是导致肺癌发生的原因还是癌症产生的结果?
上述检测的这55种元素，在肺癌和癌旁这两个组织中共形成了2970个元素对，其中807个元素对具有相关性，肺癌组织中存在305对，癌旁组织中存在502对。在肺癌组织中有140个特异元素对，癌旁组织中有422个特异元素对。说明了在同一器官的正常组织和癌变组织中，元素存在着各自的特征比例关系。
毒品产地检测：特异相关元素对
王教授最后例举了利用元素组学理论为基础鉴别毒品产地的实例。传统鉴定毒品产地的方法常为有机指纹图谱法，但该方法的准确率仅在70%以下。为了提高鉴定的准确率，王教授所在实验室采用了无机指纹图谱的方法，从统计结果表明，在所测定的50个元素中存在15个浓度差异具有产地特征的元素，其中仅有铀浓度最适合做地域差异的判据，汞次之。但是由于元素浓度很低，所以检测结果有待进一步确定。
为了进一步提高数据的准确性，王教授便把元素组学中特异相关元素对的概念引入到实验中。例如，Nd元素如果以浓度单位表示，是无法作为地域差异的判据的。当对Nd元素进行Cd归一化处理后，作为Nd/Cd元素对来考虑时，便可发现Nd元素存在明显的地域差异性。王教授通过实验指出，把待测元素进行“3C归一化”(Cr、Cd、Ce)处理后，两地元素差异性显著增强，更适合作为鉴别毒品产地的判据。由元素浓度和“3C归一化”形成的组合判据，更会显著提高毒品产地鉴定的准确性，准确性高达87.5%。
王教授课题组提出的上述元素组学研究新方法，结合了大量的实验和统计学的理论，引起了在座者的浓厚兴趣。但是，相对于蛋白质组学，元素组学在国际、国内的发展都还处于起步阶段，还有大量需要探索的领域。但无疑，在中药、产地鉴别、疾病诊断、石油勘探等复杂体系、协同作用等领域，将会给研究者一种新的解决问题的思路和方法，有可能掀起新一股学术研究的热潮。
