质谱成像技术：药物研发与临床应用的革新利器

质谱成像（MSI）作为一种无标记的分子成像技术，弥补了传统液质联用等分析技术空间分辨能力的不足，已被广泛应用于小分子代谢物、脂质、多肽及蛋白质的组织分布研究。随着 MSI 技术灵敏度和空间分辨率的不断提高，该技术在精确定位药物组织分布、可视化药物代谢过程、追踪药物递送等研究领域备受关注，为药物临床前研究提供了新技术和新方法。本文介绍了近年来 MSI 技术在药物有效性及安全性评价、药物组织分布研究、药物递送、中药分析等领域的应用，以期拓展 MSI 技术在药物研发中的应用，推动药物研发进程。

图1 抗肿瘤药物伊马替尼在肾脏组织中的分布

图2 氯苯苄唑在肝片吸虫体内吸收和分布的动态变化

MSI 技术可以定量分析组织切片中的药物浓度，为药代动力学、药效及药物安全性评价等研究提供重要参考。MSI 定量策略主要包括标准曲线法，将一系列不同浓度的标准品溶液滴加在空白对照组织切片或组织匀浆切片的不同位置上，干燥后测定各个浓度标准品点所在区域的峰强度，归一化后绘制峰强度与标品浓度的标准曲线，定量分析组织切片中待测物的含量。

中国药科大学天然药物活性组分与药效国家重点实验室，开发了内标相关策略的定量MALDI成像技术，测定了汉防己甲素在大鼠多个器官（肺、肝、肾、脾和心脏）内的分布和含量。基于该策略的定量MALDI成像技术的结果与常规的LC-MS/MS数据具有很好的相关性。

图3 汉防已甲素在不同组织上的定量曲线

图4 汉防己甲素在大鼠肾脏组织的分布

脂质作为蛋白调控的下游代谢产物，在生命活动中扮演着重要的角色。通过空间代谢组学进行可视化研究，为质谱成像技术在临床病理诊断领域应用提供理论基础及实践证明，最终对病理形态学难诊断及无法诊断的病例进行质谱成像，实现对这些病例的可靠诊断。

质谱成像（MSI）在肺癌研究中实现了10 μm高分辨率分子成像，精准区分肿瘤不同区域的特异性脂质分布（如侵袭区PC(32:1)、坏死区LPC(16:0)），并发现Cer(42:2)等潜在生物标志物。该技术通过<2 ppm质量精度和Δm/z=0.01的严格区分，克服了传统方法的局限性，首次在空间维度揭示脂质代谢与肿瘤微环境的关联。这些发现为肺癌的精准诊断、预后评估和靶向治疗提供了新型分子依据，展现了MSI在转化医学中的独特价值——既能发现未知标志物，又能保持组织形态学关联，为肿瘤异质性研究开辟了新途径。

图5 肿瘤生物标志物检测

图6 脂质分子在动物组织（膀胱）中的特异性空间分布

药物的肝、肾毒性与药物的理化性质、体内ADME特性以及个体遗传背景等多方面因素密切相关，是药物安全性评价研究中的重要组成部分。

该研究通过结合质谱成像和非靶向代谢组学方法，揭示了杀虫剂茚虫威对红火蚁的亚致死效应及其毒性机制。研究发现，茚虫威显著干扰了红火蚁体内碳水化合物、氨基酸和嘧啶等关键代谢物的水平，并影响了相关代谢通路（如嘧啶代谢、天冬氨酸代谢等）。质谱成像技术在此研究中发挥了重要作用，首次实现了红火蚁体内代谢物的空间分布可视化，例如木糖醇、天冬氨酸和尿嘧啶分布于全身，而蔗糖-6''-磷酸和甘油主要富集在腹部。这一技术为理解杀虫剂对目标生物的空间特异性毒性提供了新视角，并为精准防控红火蚁提供了科学依据。

图7 空间代谢组学在解析红火蚁对茚虫威毒性响应机制中的工作流程示意图

图8 红火蚁全身组织中各类脂质的空间分布

图9 经茚虫威处理48小时后红火蚁代谢通路紊乱示意图

红色与蓝色标注分别表示上调和下调的代谢物

药物递送旨在将药物更好地递送至病灶部位，增加药物在靶部位的累积，改善药物ADME，提高治疗效果，降低不良反应。

利用基质辅助激光解吸/电离质谱成像（AP SMALDI-MSI）技术，可视化非诺贝特在大鼠胃肠道中的分布、代谢及其与内源性分子（如胆汁盐和磷脂）的共定位关系。该研究为口服药物（尤其是前药）的胃肠道吸收过程提供了新的可视化方法，有助于优化制剂设计和理解药物-宿主相互作用。

图10 观察前药通过大鼠胃肠道中的过程

图11 博来霉素在猪皮皮肤组织中的分布

利用 MSI 技术分析药物及候选药物在组织中的分布情况，可以为药物效应评价提供重要参考依据。

图12 空间代谢组学分析显示黄葵胶囊治疗逆转了肾脏中核心生物标志物的含量

图13 黄葵胶囊对T2DN db/db小鼠视黄醇代谢和鞘脂代谢通路中关键蛋白表达的影响

图14 MALDI MSI辅助药物和渗透增强剂的体外转运研究

MSI 技术被广泛用于中药研究，包括药用植物空间代谢、中药质量评价、中药活性成分体内过程等研究。

图15 牡丹和芍药根药物成分结构鉴定

该文基于MALDI质谱成像（MALDI-MSI）技术，揭示了三七“狮子头”中活性成分和植物激素的空间分布特征。研究发现，人参皂苷Rb₁在皮层特异性富集，而生长素、玉米素核苷和茉莉酸在根瘤形成初期于原基区域高浓度积累。质谱成像不仅直观呈现了这些成分的局部动态分布规律，还为其与三七品质形成的关联提供了直接证据，例如“狮子头”数量与皂苷含量呈正相关。这一技术为解析植物形态发育与次生代谢的协同调控机制提供了关键的空间分子信息。

图16 人参皂苷Rb₁在三七“狮子头”的空间分布

该研究利用LC-MS和MALDI质谱成像（MALDI-MSI）技术，系统分析了苦荞麦籽粒发育过程中代谢物的时空动态变化。研究发现，黄酮类（如槲皮素、山奈酚及其糖苷）和酚酸类物质的积累具有显著的发育阶段和品种特异性：黄酮醇苷在胚胎中富集，而甲基化黄酮醇和原花青素则集中分布于种皮。MALDI-MSI技术直观揭示了代谢物的组织特异性分布规律，例如绿色籽粒阶段的黑苦荞具有更高的抗氧化活性成分。质谱成像不仅验证了LC-MS的定量结果，还提供了代谢物空间分布的动态信息，为苦荞品质评价和功能食品开发提供了分子层面的理论依据。

图17 苦荞瘦果发育过程中主要黄酮类化合物相对时空分布MALDI MSI图

该研究首次构建了紫皮石斛染色体级别的高质量基因组，结合单细胞转录组和代谢组分析，系统解析了其花卉发育过程中花色（黄斑与紫尖）和唇瓣边缘流苏结构的分子机制。研究发现黄斑主要由类胡萝卜素合成基因（如PSY2、BCH2）在表皮和维管细胞中高表达驱动，而紫色区域则与花青素合成基因（如OMT2、UGT7217）的时空表达相关。质谱成像在此研究中发挥了关键作用，通过空间定位技术直接揭示了花青素（如矢车菊素-3-芸香糖苷）和类胡萝卜素（如玉米黄质）在唇瓣不同区域的分布差异，为花色形成的代谢基础提供了直观证据。此外，研究还通过伪时序分析揭示了表皮细胞分化为流苏结构的调控网络，为兰花育种和进化研究提供了重要资源。

图18 紫皮石斛中类黄酮和类胡萝卜素生物合成途径相关基因的表达模式

该研究通过多组学技术解析了灵芝子实体中灵芝酸的时空分布与生物合成机制。研究首次组装了灵芝端粒到端粒（T2T）高质量基因组，构建了单细胞转录组图谱，鉴定了6种细胞类型，并揭示了壳层细胞的发育轨迹。质谱成像（MALDI-MSI）在研究中发挥了关键作用，通过高分辨率空间定位技术直接可视化灵芝酸在灵芝原基和子实体中的分布，发现灵芝酸主要富集于壳层区域（如边缘和管孔），为代谢产物的组织特异性积累提供了直观证据。此外，研究通过功能验证鉴定了一个新型细胞色素P450酶（GICYP512A3），可催化GA-HLDOA转化为灵芝酸E和F，填补了灵芝酸下游修饰途径的空白。该成果为灵芝酸的生物合成调控及工业化生产提供了重要理论依据。

图19 灵芝时空景观的揭示：灵芝酸分布与生物合成的研究

该研究揭示了藜麦中三种糖基转移酶（CqCsI2、CqUGT73FG1和CqUGT74BB3）在三萜皂苷生物合成中的催化作用。研究发现，CqCsI2负责C-3位的葡萄糖醛酸化，CqUGT73FG1催化C-2''位的糖基化，而CqUGT74BB3则在C-28位进行糖基化反应。通过分子对接和定点突变实验，确定了CqUGT74BB3的关键催化残基（His13和Asp104）。此外，质谱成像（MALDI-MSI）技术直观展示了三萜皂苷在藜麦果皮中的特异性分布，为理解其空间积累模式提供了直接证据。研究还通过体外和烟草体内的实验验证了这些酶的活性，为藜麦的代谢工程和品种改良提供了重要依据。

图20 藜麦三萜皂苷代谢组学分析

这篇文章结合单细胞测序和质谱成像技术，揭示了人参中三萜类化合物（如人参皂苷）的多细胞区室化分布模式。研究发现，人参皂苷主要分布在根的栓皮层、茎的表皮和叶的上表皮细胞中，而与其生物合成相关的基因则在保卫细胞和栅栏叶肉细胞中高表达。质谱成像技术（MALDI-MSI）在此研究中发挥了关键作用，通过高分辨率的空间分布分析，直观展示了人参皂苷在不同组织中的定位和相对含量，为理解植物次生代谢产物的合成与储存机制提供了重要依据。

图21 不同年份人参根、茎、叶中皂苷的MALDI-MSI图谱

在化学药物研发领域，技术的革新对推动药物疗效提升、加速研发进程起着至关重要的作用。高分辨率AP- SMALDI质谱成像技术凭借其独特优势，在抗结核药物研发中展现出了巨大的应用潜力，为该领域带来了全新的研究思路与方法。以下将通过同一课题组的三篇文章，详细阐述这一技术在抗结核药物研发不同阶段的应用。

课题组率先将高分辨 MALDI 技术融入抗结核药物研发，实现吡嗪酰胺、利福平等一线及二线药物的可视化分析。通过精准识别药物特征离子峰，构建从样本制备到结果分析的完整工作流程，成功应用于小鼠临床前研究，显著缩短药物筛选周期，降低研发成本。

图22 抗结核药物AP-SMALDI检测的方法开发

针对药物病灶渗透难题，研究人员依托IL - 13tg小鼠病理模型，运用高分辨率AP-SMALDI质谱成像技术，优化成像参数提升分辨率与灵敏度。同时，创新开发药物渗透分析工具，精准绘制药物渗透曲线，直观呈现不同药物及给药方案下的渗透差异，为剂型优化与给药方案设计提供科学指引。

图23 抗结核药物AP-SMALDI检测的方法优化

借助AP - SMALDI - Orbitrap系统，以10μm超高空间分辨率监测小鼠坏死性肉芽肿中临床阶段药物BTZ-043的动态分布，清晰捕捉药物在病灶内的浓度变化过程。这一成果不仅揭示药物作用机制，为结构优化提供依据，更展现该技术在药物研发与疾病研究领域的广阔应用前景。

图24 临床阶段抗结核药物BTZ-043在坏死性肉芽肿中的有效渗透和积累

质谱成像（MSI）技术凭借其无标记、高分辨、高特异性的优势，已成为药物研发与临床应用中的革命性工具。从精准定位药物在组织中的分布（如伊马替尼在肾脏的富集），到可视化药物代谢动态（如三氯苯达唑在寄生虫体内的吸收过程），MSI为药代动力学研究提供了前所未有的空间维度解析能力。在中药领域，MSI揭示了牡丹与芍药根部成分的差异，以及三七“狮子头”皂苷的积累规律，为中药质量控制与机制研究提供了科学依据。此外，MSI在抗结核药物渗透性评价、肿瘤生物标志物发现等临床应用中展现出巨大潜力，推动了从实验室到临床的快速转化。

未来，随着分辨率的进一步提升和多组学数据的整合，质谱成像技术将在个性化治疗、药物靶向递送和疾病机制研究中发挥更重要的作用。我们期待这一技术为全球药物研发与精准医疗带来更多突破性进展。

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