微量元素是维持人体正常新陈代谢和生命活动的重要物质，对于人体健康的影响非常复杂，部分高浓度微量元素可能对人体有害，而必需微量元素的过度消耗，则可能会导致由酶功能障碍引起的人体代谢平衡失调。微量元素失衡与多种地方病及疑难病的发生发展有关, 其临床检测受到越来越多的关注。因此，掌握人体微量元素检测的关键技术，能准确了解人体内微量元素的平衡状态。[1]


1、离子组学概述

离子组学(Ionomics)是一门研究机体内元素组成、分布与累积以及这些元素随机体生理状况、生物与非生物刺激、发育阶段、环境和遗传等因素的变化及其机制的新兴学科，其研究对象包括所有的金属、类金属和非金属。离子组学利用现代高通量元素分析手段，如电感耦合等离子质谱（ICP-MS），结合生物信息学和功能基因组学等手段来研究检测样本中的离子含量、分布、转运代谢规律等。


2、应用方向

功能离子组学：研究机体和细胞如何调控其全部离子的科学，通过功能离子组学的研究,还可以绘制出功能离子组图。利用这种图谱,可以鉴定出具有离子调控功能的基因,并确定其分布位置。

植物营养学：研究植物体内元素组成、分布与累积以及这些元素随植物生理状况、生物与非生物刺激、发育阶段和遗传等因素的变化及其机制。

复杂疾病：微量元素广泛参与体内多种酶、辅酶、激素和核酸等生物分子的合成与代谢，在酶的催化过程中起着关键作用，参与体内氧化还原过程中电子传递，也有些在生物大分子中起稳定结构的作用。

另外，离子组学还可以应用于农业、冶金、环境修复、地质、化工、生物医药、食品等研究领域。


3、案例分享

案例1：离子组学研究人类代谢异常机理

研究人员利用ICP-MS检测技术，结合生物信息学的手段研究了正常、患代谢综合征、糖尿病和肥胖的中年患者血浆中离子谱网络调控规律。结果显示，单个或作为模块/网络的离子与代谢紊乱存在潜在关联。研究不仅发现血浆铜和磷与肥胖、代谢综合征、Ⅱ型糖尿病均具有显著的关联，还发现不同元素在与代谢性疾病的相互关联中所起作用的模式各不相同：钾和铬比较倾向于单独发挥作用；铁在Ⅱ型糖尿病中更趋向于与其它元素如铜等互相影响而发挥作用；铜既可以单独在肥胖代谢中发挥作用，也可以与其它离子互作从而影响肥胖代谢。[2]



Fig 3. 肥胖、代谢综合征和Ⅱ型糖尿病相关离子网络


案例2：LA-ICP-MS技术研究水稻突变体节点中矿物元素的分布变化

水稻节点内的维管间转移是将矿物质元素传递到发育组织中所必需的，研究使用激光剥蚀-电感耦合等离子体质谱法(LA-ICP-MS)技术在细胞水平上对水稻节点多种元素进行生物质谱成像，并比较了野生型水稻和突变体水稻之间的元素分布轮廓。总体来看，宏量营养物质如钾、镁在韧皮部积累较多，而微量营养物质如铁、锌在节点的维管间组织中积累较多。在Zn转运酶OsHMA2突变体中，Zn在节点组织中的定位模式与WT无明显差异；然而，锌的积累量与野生型水稻相比，表现为在管间组织较节点一偏低较节点三偏高。相比之下，Si的积累量在三种Si转运酶突变体Lsi2、Lsi3、Lsi6显示不同的模式，与这些转运蛋白的定位相一致。[3]



Fig 4. 水稻节点的多元素成像

样本量要求：
动物组织、临床组织标本：200 mg/sample
血清、血浆：200 µL/sample
尿液：2 mL/sample
植物样本：200~500 mg/sample
粪便：200 mg/sample
其他样本类型或较低样本量请咨询Biotree销售工程师

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参考文献：
1.熊婵，等．人体微量元素检测方法及临床应用的研究进展．中国全科医学 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