鉀（K）、鈣（Ca）是太陽(yáng)系和地球的重要組成元素，也是人體和其他生命體內必需的營(yíng)養元素。鉀是生命體細胞內最富集的金屬陽(yáng)離子，鈣是人體骨骼和牙齒的主要組成元素，它們參與多種重要的生理過(guò)程，如維持細胞滲透壓平衡、參與蛋白質(zhì)和能量代謝、維持神經(jīng)傳遞的正常功能、維持正常的肌肉收縮等。近年來(lái)，隨著(zhù)多接收等離子體質(zhì)譜儀（MC-ICP-MS）技術(shù)的發(fā)展，使獲得高精度鉀、鈣穩定同位素成為了可能，尤其是配備碰撞池的新型儀器能夠消除鉀、鈣同位素測定過(guò)程中同質(zhì)異位素的干擾。然而，目前關(guān)于鉀、鈣同位素在生命科學(xué)上的應用分別集中于對植物和骨鈣平衡的研究，嚴重缺乏關(guān)于不同器官中鉀、鈣穩定同位素組成及其分餾機制的研究工作。因此，探究不同器官中鉀、鈣穩定同位素組成特征對深入理解生命體中鉀、鈣循環(huán)及生命體的健康具有重要意義。
針對上述問(wèn)題，中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所博士研究生崔夢(mèng)萌、導師蘇本勛研究員與法國巴黎地球物理研究所Frédéric Moynier教授團隊合作，利用碰撞反應池MC-ICP-MS（Nu Sapphire）對不同性別、基因學(xué)背景的10只小鼠體內不同器官（包括大腦、骨骼、肝臟、腎臟、肌肉、血液）開(kāi)展了高精度鉀、鈣穩定同位素分析測試工作，取得主要認識如下：
（1）小鼠不同器官之間鉀穩定同位素分餾高達約2‰，大腦和紅細胞之間具有最大的鉀同位素差異，其中大腦富集輕鉀同位素（δ41K = -1.13~-0.09 ‰）而紅細胞富集重鉀同位素（δ41K = 0.67~0.08 ‰）。相比于大腦和紅細胞，肝臟、腎臟和肌肉中的鉀同位素差異較小，平均δ41K值分別為-0.12 ± 0.58 ‰、-0.24 ± 0.57 ‰和0.01 ± 0.53 ‰（圖1）。通過(guò)分析不同因素對小鼠不同器官之間鉀同位素組成差異的影響，發(fā)現不同性別及基因學(xué)背景差異對鉀同位素影響較小，而不同器官的自身特性差異是控制鉀同位素分餾的主要因素。此外，大腦和紅細胞的鉀同位素呈現較好的相關(guān)性，表明大腦中鉀的消耗直接影響血液中的鉀（圖2）。因此，可通過(guò)檢測容易獲得的血液樣本中鉀同位素組成特征來(lái)分析大腦中鉀同位素的變化，以此來(lái)為研究與鉀失衡相關(guān)的大腦疾病（如阿爾茨海默病）提供一定的指示意義。
圖1 小鼠不同器官中鉀同位素組成特征
圖2 小鼠不同器官中鉀同位素的斯皮爾曼相關(guān)性熱力圖
（2）小鼠不同器官之間鈣穩定同位素分餾可達約1‰（圖3），其主要受控于不同器官之間的鈣代謝差異，而與性別和基因學(xué)背景的差異無(wú)關(guān)。相比于血液和其他軟組織（肝臟、腎臟、肌肉），骨骼明顯富集輕鈣同位素（δ44/40Ca = 0.10 ± 0.55‰），表明骨形成過(guò)程中優(yōu)先吸收輕鈣同位素。腎臟相比于血液富集重鈣同位素（δ44/40Ca = 0.86 ± 0.31‰），表明腎臟代謝過(guò)程中只有較少部分的重鈣同位素進(jìn)入尿液，而大部分重鈣同位素經(jīng)重吸收作用進(jìn)入血液參與其他生理過(guò)程。相對于其他器官，大腦具有異常輕的鈣同位素組成（δ44/40Ca = 0.10 ± 0.53‰），表明具有輕鈣同位素特征的游離鈣離子在動(dòng)力學(xué)同位素效應下優(yōu)先從血液進(jìn)入大腦中（圖4）。這些特征揭示了鈣同位素在研究鈣失衡相關(guān)疾病（如阿爾茨海默病、骨質(zhì)疏松、腎結石等）方面的巨大潛力。
圖3 小鼠不同器官中鈣同位素組成特征
圖4 小鼠不同器官之間的鈣同位素運輸模型
該研究系統地分析了小鼠不同器官中鉀、鈣穩定同位素組成特征，并分析了造成其同位素差異的主要因素，為今后利用鉀、鈣穩定同位素研究人體健康提供了參考，同時(shí)也推動(dòng)了金屬穩定同位素在生命科學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展。
研究成果發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊Metallomics和Analytical and Bioanalytical Chemistry，該研究受法國國家科學(xué)研究中心（CNRS）橫向和跨學(xué)科創(chuàng )新任務(wù)（MITI）、巴黎地球物理研究所（IPGP）多學(xué)科項目（PARI）共同資助。
1. 崔夢(mèng)萌，Frédéric Moynier，蘇本勛，戴維，胡妍，Dimitri Rigoussen，Brandon Mahan，Marie Le Borgne. Stable potassium isotope distribution in mouse organs and red blood cells: implication for biomarker development[J]. Metallomics, 2023, 15(7): 1-11. DOI: 10.1093/mtomcs/mfad033.
2. 崔夢(mèng)萌，Frédéric Moynier，蘇本勛，戴維，Brandon Mahan，Marie Le Borgne. Distinctive calcium isotopic composition of mice organs and fluids: implications for biological research[J]. Analytical and Bioanalytical Chemistry, 2023, 415: 6839-6850. DOI: 10.1007/s00216-023-04962-7.
