许多药物，特别是基因毒性抗肿瘤药物必须穿透细胞膜，进入细胞内部与生物分子作用才能发挥其药效功能。但是，由于缺少针对小分子药物分子的免标记、高灵敏单细胞原位分析技术，药物与生物靶标分子相互作用研究，以及药物靶标的发现和验证大多在溶液状态下进行，导致许多候选药物在进入临床前研究或临床试验阶段出现脱靶效应，或产生严重的毒副作用而被淘汰，造成经济和时间上的巨大浪费。飞行时间-二次离子质谱（ToF-SIMS）具有 200 纳米左右的空间分辨率，不仅能够获得单原子离子的质谱信号和空间分布信息，还可以获得小分子化合物的特征碎片离子，甚至分子离子的信号，因此特别适合于对顺铂等含贵金属的小分子药物进行单细胞原位成像分析，在纳米尺度观察药物的细胞摄入和亚细胞分布。然而，受硬离子化原理限制，生物大分子的 SIMS 分析始终存在离子碎片化，信噪比差等问题，无法进行细胞内特定蛋白质分子的直接成像分析。结合荧光蛋白或小分子荧光探针标记技术，激光共聚焦显微成像是在单细胞水平上可视化特定蛋白质亚细胞分布的有力工具。因而，充分发挥 SIMS 和激光共聚焦荧光显微成像分别在小分子药物和蛋白质可视化领域的优势，建立光学和 SIMS 联用显微成像新方法，在单细胞水平上原位研究药物分子和生物靶标的相互作用，将能极大地促进药物发现的研究进程。

中国科学院化学研究所的汪福意研究员和赵耀副研究员近年来致力于发展基于 ToF-SIMS 的显微成像新方法。他们在实现 ToF-SIMS 原位可视化铂、钌类金属抗肿瘤化合物的细胞摄入和分布（Inorg. Chem. 2016, 55, 4595-4605; Inorg. Chem. Front. 2018, 5, 413; Front. Chem. 2020, 8, 210）的同时，基于自制的可寻址硅片样品板，发展了一种激光共聚焦荧光成像和 ToF-SIMS 成像联用技术，实现了金属抗癌配合物在亚细胞水平的定位和分布研究（Chem. Commun., 2017, 53, 4136）。

近期，他们和方晓红研究员合作，结合荧光蛋白融合标记技术，先以激光共聚焦显微成像定位细胞内一种特异性结合顺铂损伤 DNA 的 HMGB1 蛋白，再以 ToF-SIMS 成像可视化顺铂在同一个单细胞内的分布（图 1），实现了单细胞水平上顺铂与生物靶分子相互识别和相互作用的原位研究，首次观察到细胞内 HMGB1 与顺铂损伤 DNA 的特异性结合（图 2）。他们还应用建立的联用成像方法，发现了顺铂对基因 DNA 的损伤阻碍关键转录因子 SMAD3 与 DNA 结合，令其转录活性显著下降（图 3）。这项工作拓展了质谱成像的应用范围，直接在单细胞水平上原位观测药物-生物大分子，以及生物大分子之间的相互作用，使传统上在溶液中进行的研究在细胞水平上可视化，为分子生物学和药理学研究提供了新的有力工具。

该研究以“Single cell imaging reveals cisplatin regulating interactions between transcription (co)factors and DNA”为题，发表在英国皇家化学会的旗舰期刊 Chemical Science 上，并入选为期刊内封面文章(Inside Front Cover)。该工作共同通讯作者为中国科学院化学研究所的汪福意研究员，方晓红研究员和赵耀副研究员。

• Single cell imaging reveals cisplatin regulating interactions between transcription (co)factors and DNA
  Yu Lin, Kui Wu, Feifei Jia, Ling Chen, Zhaoying Wang, Yanyan Zhang, Qun Luo, Suyan Liu, Luyu Qi, Nan Li, Pu Dong, Fei Gao, Wei Zheng, Xiaohong Fang,*（方晓红，中国科学院化学研究所） Yao Zhao*（赵耀，中国科学院化学研究所） and Fuyi Wang*（汪福意，中国科学院化学研究所）
  Chem. Sci., 2021, 12, 5419–5429  
  http://doi.org/10.1039/d0sc06760a