胃液代谢异常通常直接反映胃粘膜的病理变化。精准的原位胃液代谢动力学获取对于了解胃部疾病的发生和发展至关重要，但具有挑战性。

近日，湖南大学分子科学与生物医学实验室（MBL）陈卓教授团队在期刊《Biomaterials》上发表了最新研究成果“In Vivo Spatiotemporal Acquisition of Metabolic Vibrational Signatures for Unraveling Gastric Ulcer Genesis”。该研究开发了一种集成的磁等离子体系统（MPS），用于体内长期时空代谢信息分析和胃溃疡评估。采用同轴静电纺丝技术制备了MPS，其由多孔海藻酸钙-银等离子体水凝胶外壳和铁钴石墨纳米囊（FeCo@Graphene）磁芯组成。MPS通过富集、过滤筛分、磁驱动泵送胃液，对游离代谢物的捕获具有协同效应，效率提高了9.76倍。在苛刻的模拟胃液（SGF）环境和离体胃模型中同时获得了多重代谢物振动指纹图谱。

该研究获得了大鼠胃内的原位代谢信息，源自时间分辨表面增强拉曼光谱（SERS）的边缘直方图表明不同阶段代谢物水平呈正相关。此外，通过使用光谱降维和随机森林分类器，可以高精度地实现溃疡指认。代谢物相关性分析表明，溃疡发病后，1602 cm-1和2112 cm-1处的拉曼信号呈强正相关。该研究首次对胃内的原位代谢信息进行了分析，并探讨了它们在疾病发生过程中的相关性，显示了其在辅助临床诊断方面的应用潜力。论文第一作者为湖南大学化学化工学院博士生程玉琦和硕士生赵令今，通讯作者为陈卓教授、蔡芯琪博士和董倩博士。

图1 活体胃液代谢信息时空获取与溃疡诊断

图2 MPS的制备和表征

该研究利用静电喷涂技术大规模制备了具有良好生物相容性的磁等离子体系统（MPS）。直径38.8±4.0 nm的银纳米颗粒（AgNPs）被限域在水凝胶三维孔道中，通过三维时域有限差分（FDTD）模拟证明封装的AgNPs产生的最强局域电磁场强度是游离AgNPs的24.4倍。高饱和磁化率（181.9 emu•g-1）的铁钴石墨纳米囊（FeCo@Graphene）磁芯的引入使MPS在外加静态磁场和动态磁场下分别以5.6 mm/s和541 μm/s的速度做加速和圆周运动。同时，流变和循环压缩曲线表征证明了MPS的柔韧性。

图3 离体胃模型分析和活体时间分辨SERS研究

为了验证MPS的应用潜力，作者考察了其在小鼠离体胃模型中的可行性。在小鼠离体胃模型中分别添加了一系列已知浓度的代谢物混合物。对腺嘌呤、Tyr和Phe的最小可检测浓度变化分别为0.0054、0.018和0.33 g/L。为了进一步证明MPS在体内获取代谢信息的能力，作者给大鼠口服三种代谢物（10 mM）来模拟胃液中的代谢过程。对不同时间段内的腺嘌呤、Tyr和Phe进行时间分辨SERS研究。利用边缘直方图追踪胃液中三种代谢物水平变化与不同阶段的相关性，表明它们之间存在一定的正相关关系。因此，MPS显示实时分析活体动物胃液代谢的能力。

图4 胃溃疡代谢分析和精准分类

作者用10 mL/Kg无水酒精诱导大鼠2小时后，以MPS研究胃溃疡代谢动力学。利用t-分布随机近邻嵌入（t-SNE）对高维光谱降维并可视化分子代谢变化，发现正常大鼠与溃疡大鼠很容易区分。同时，作者也利用随机森林分类器实现了二者的区分，其预测准确率可以达到100%，采用接受者操作特征曲线（ROC）来评价该模型的分类精度，得到的曲线下面积（AUC）值为1，说明该分类器具有显著的分类效果。因此，机器学习支持的SERS光谱实现了正常大鼠和溃疡大鼠的分类，为区分胃部疾病提供了可能。

图5 代谢物相关性分析

随后，通过代谢物-代谢物相关性分析讨论了溃疡发生过程中代谢组学的变化。作者探究了数据集中多个变量之间的相互作用。散点图矩阵图明确地显示了正常大鼠和溃疡大鼠之间不同代谢物的相关性。氨基酸与胺具有较强的相关性，提示它们可能是溃疡发生的潜在标志物。该方法在研究代谢产物相互作用方面是一种很有前途的策略，并展示了其在胃疾病诊断中的潜力。

综上所述，该研究建立的MPS在胃液代谢组学信息的获取和测定方面具有强大的功能，这有希望揭示胃部相关疾病的发生发展，也为精准医疗时代胃部疾病的分子诊断提供新的见解。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2025.123383

人物简介：

陈卓，湖南大学环境科学与工程学院院长，化学生物传感全国重点实验室教授，博士生导师。国家杰青、国家优青、青年长江学者获得者。现任中国生物医学工程学会医学检验工程分会委员会、中国化学会纳米化学专业委员会等委员，Targets副主编，Journal of Analysis and Testing编委，应用化学编委，物理化学学报高级编委，分析测试学报编委及分析化学编委等。陈卓教授长期致力于材料化学、分子生物学和医学等多学科交叉的前沿基础研究，主要研究方向为纳米生物化学分析方法、环境与健康，包括光谱分析化学、基于功能材料的胃部疾病诊疗等，已取得了一系列高水平研究成果。承担多项国家自然科学基金、国家重大科学仪器设备开发专项子项、国家重点基础研究发展计划项目课题等科研基金。荣获国家自然科学二等奖（第4完成人）、湖南省部自然科学一等奖（第3完成人）、浙江大学沈善洪杰出青年学者奖等荣誉十余项。目前已在Nat. Biotechnol.、Nat. Commun.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、ACS Nano、Nano Lett.、Adv. Mat.、Adv. Sci.、Anal. Chem.等国际知名期刊上发表SCI论文120余篇，授权16项专利，已独立培养博士和硕士研究生50余名。

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