具有“单细胞”分辨率的MALDI质谱成像技术

　　质谱技术是一种领先的、能对生物大分子做快速表征分析工具。作为质谱技术的重要分支，质谱成像技术可以将待分析物的定量分析、定性分析与其在生物组织中的空间位置信息有机地结合起来。为了最大限度地获取信息，最关键的步骤就是优化空间分辨率和谱图质量。在以下的MALDI质谱成像应用报告中，布鲁克·道尔顿质谱成像应用开发经理Shannon Cornett博士将结合实验数据，对如何优化空间分辨率并给出高质量的成像谱图进行了全面的解析。

　　样品制备与实验条件

　　在本实验中，以实验鼠的小脑和睾丸为样本，利用冷冻切片机分布切片至10μm厚度 并附着于ITO载玻片上。在真空干燥器中放置一小时后，采用升华法来施加DHB基质。采用布鲁克ultrafleXtreme™、autoflex™ Speed 以及solariX™质谱系统，针对样本中的脂质分子，在10 μm的空间分辨率下进行MALDI质谱成像数据采集。在MALDI成像实验之后，用乙醇洗去基质，采用标准操作流程进行H&E染色，并置于显微镜下观察并拍摄照片。

　　结果与讨论

　　利用MALDI-TOF质谱成像技术，完成了图1-图2的成像数据采集。在图1A中，分子量为815.7Da的分子（用红色表示）主要分布在脑白质上；分子量为849.7Da的分子（用蓝色表示）主要分布在颗粒层上；分子量为878.9Da的分子（用绿色虚线表示）主要分布在浦肯野细胞上。在图1B中，分子量为825.5Da的分子的空间分布展现出了鼠小脑的解剖学特征。

　　图1：利用MALDI-TOF质谱仪对鼠小脑切片进行质谱成像数据采集，（A）三个选定分子的分布热图描绘出了细胞位置的轮廓。（B）两个选定分子的分布热图展现出两者空间分布显著的差异性。（C）鼠小脑切片的光学图片，蓝线圈出的区域为MALDI质谱成像区域。

　　图2显示了分子量为878.9 Da分子空间分布的放大图。如图2B所示，878.9 Da分子的空间分布图与该区域H&E染色所呈现的浦肯野细胞形成了一一对应关系，表明该分子只存在于浦肯野细胞中。由于浦肯野细胞的直径约为30μm，与之对应的图2B为3×3的质谱成像像素，充分地证明了本次MALDI质谱成像实验所采用的空间分辨率为10 μm。

　　图2：高分辨的MALDI成像热图可以将鼠小脑中的单个浦肯野细胞区分开，(A) 只存在于浦肯野细胞中的磷脂分子的分布热图。(B) 对A图放大以显示单个的浦肯野细胞。(C) 对B图的区域做H&E染色。

　　利用MALDI-MRMS质谱成像技术，完成了图3A-图3C的成像数据采集。从图3A可以看出，以10 μm的空间分辨率进行质谱成像数据采集，所得到的分子分布热图能很好地展现出小管腔（蓝色）、基底层（绿色）、胞间空隙（红色）三者的相对位置和空间分布情况。图3B分别给出了808.582Da和808.585Da两个同重素分子在睾丸切片上的分布热图；两者分子量仅相差3个毫道尔顿，但是却展现出具有极大差异的空间分布。808.582Da分子主要分布在胞间空隙上，而808.585Da分子主要出现在小管腔中。

　　首先MRMS拥有极高的质量分辨率，在本次所采用的宽范围扫描中，平均质量分辨率为47万，808.58192和808.58554两个质谱峰被有效地区分开（如图3C所示），因而得到两种分子各自的空间分布。其次MRMS能给出极高的质量精度，能够对808.58192和808.58554这两个分子量进行有效的分子式预测；其中，808.58192 Da所对应的分子式是[C44H84NNaO8P]+（质量误差为0.94 ppm）；808.58554 Da所对应的分子式是[C46H83NO8P]+（质量误差为0.14 ppm）。

　　图3：利用MALDI-MRMS成像技术，对鼠的睾丸切片进行10 μm空间分辨率的质谱成像数据采集。（A）用蓝、绿、红三种颜色代表分别位于小管腔（蓝色）、基底层（绿色）和胞间空隙（红色）的三种分子的分布热图。（B）分别位于小管腔和胞间空隙的两种同重素分子的分布热图。（C）B图中两种同重素分子的质谱峰以及预测出的分子式。

　　结论

　　样品制备和仪器本身的性能参数是制约MALDI质谱成像技术空间分辨率的决定性因素。以升华法施加基质，作为一种干法样本制备技术，基质结晶的尺寸足够小并且限制了待分析物的自由移动，有效地保证了高空间分辨率。结合了以上的样本制备策略，布鲁克ultrafleXtreme、autoflex Speed和solariX质谱系统能给出可达10 μm空间分辨率的成像热图。