微量元素是維持人體正常新陳代謝和生命活動的重要物質，對于人體健康的影響非常復雜，部分高濃度微量元素可能對人體有害，而必需微量元素的過度消耗，則可能會導致由酶功能障礙引起的人體代謝平衡失調。微量元素失衡與多種地方病及疑難病的發生發展有關, 其臨床檢測受到越來越多的關注。因此，掌握人體微量元素檢測的關鍵技術，能準確了解人體內微量元素的平衡狀態。[1]


1、離子組學概述

離子組學(Ionomics)是一門研究機體內元素組成、分布與累積以及這些元素隨機體生理狀況、生物與非生物刺激、發育階段、環境和遺傳等因素的變化及其機制的新興學科，其研究對象包括所有的金屬、類金屬和非金屬。離子組學利用現代高通量元素分析手段，如電感耦合等離子質譜（ICP-MS），結合生物信息學和功能基因組學等手段來研究檢測樣本中的離子含量、分布、轉運代謝規律等。


2、應用方向

功能離子組學：研究機體和細胞如何調控其全部離子的科學，通過功能離子組學的研究,還可以繪制出功能離子組圖。利用這種圖譜,可以鑒定出具有離子調控功能的基因,并確定其分布位置。

植物營養學：研究植物體內元素組成、分布與累積以及這些元素隨植物生理狀況、生物與非生物刺激、發育階段和遺傳等因素的變化及其機制。

復雜疾?。何⒘吭貜V泛參與體內多種酶、輔酶、激素和核酸等生物分子的合成與代謝，在酶的催化過程中起著關鍵作用，參與體內氧化還原過程中電子傳遞，也有些在生物大分子中起穩定結構的作用。

另外，離子組學還可以應用于農業、冶金、環境修復、地質、化工、生物醫藥、食品等研究領域。


3、案例分享

案例1：離子組學研究人類代謝異常機理

研究人員利用ICP-MS檢測技術，結合生物信息學的手段研究了正常、患代謝綜合征、糖尿病和肥胖的中年患者血漿中離子譜網絡調控規律。結果顯示，單個或作為模塊/網絡的離子與代謝紊亂存在潛在關聯。研究不僅發現血漿銅和磷與肥胖、代謝綜合征、Ⅱ型糖尿病均具有顯著的關聯，還發現不同元素在與代謝性疾病的相互關聯中所起作用的模式各不相同：鉀和鉻比較傾向于單獨發揮作用；鐵在Ⅱ型糖尿病中更趨向于與其它元素如銅等互相影響而發揮作用；銅既可以單獨在肥胖代謝中發揮作用，也可以與其它離子互作從而影響肥胖代謝。[2]



Fig 3. 肥胖、代謝綜合征和Ⅱ型糖尿病相關離子網絡


案例2：LA-ICP-MS技術研究水稻突變體節點中礦物元素的分布變化

水稻節點內的維管間轉移是將礦物質元素傳遞到發育組織中所必需的，研究使用激光剝蝕-電感耦合等離子體質譜法(LA-ICP-MS)技術在細胞水平上對水稻節點多種元素進行生物質譜成像，并比較了野生型水稻和突變體水稻之間的元素分布輪廓。總體來看，宏量營養物質如鉀、鎂在韌皮部積累較多，而微量營養物質如鐵、鋅在節點的維管間組織中積累較多。在Zn轉運酶OsHMA2突變體中，Zn在節點組織中的定位模式與WT無明顯差異；然而，鋅的積累量與野生型水稻相比，表現為在管間組織較節點一偏低較節點三偏高。相比之下，Si的積累量在三種Si轉運酶突變體Lsi2、Lsi3、Lsi6顯示不同的模式，與這些轉運蛋白的定位相一致。[3]



Fig 4. 水稻節點的多元素成像

樣本量要求：
動物組織、臨床組織標本：200 mg/sample
血清、血漿：200 μL/sample
尿液：2 mL/sample
植物樣本：200~500 mg/sample
糞便：200 mg/sample
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參考文獻：
1.熊嬋，等．人體微量元素檢測方法及臨床應用的研究進展．中國全科醫學 2018，doi：10.3969/j.issn.1007-9572.2017.00.268
2.Sun L, et al. Associations between Ionomic Profile and Metabolic Abnormalities in Human Population. PLoS One 2012, doi:10.1371/journal.pone.0038845
3.Naoki Y, et al. Bioimaging of multiple elements by high-resolution LA-ICP-MS reveals altered distribution of mineral elements in the nodes of rice mutants. The Plant Journal 2019, doi: 10.1111/tpj.14410