新品首发：错过了空间转录组，不要错过空间代谢组！

前言

2021年1月6日，Nature Methods杂志将空间转录组测序评为2020年度技术，在保留组织空间信息的基础上解析基因表达谱，特别适合高度异质性的组织，比如肿瘤及其微环境以及大脑。

空间转录组学可根据细胞位置和基因表达谱来清晰判断不同类型的细胞如何相互作用，有助于发现指示预后或诊断信息的生物标志物，并鉴定指示治疗应答或耐药的生物标志物。

空间转录组学的未来不仅仅是转录组，还需在空间上解析蛋白质组、表观基因组和代谢组。代谢组学(metabonomics/metabolomics)作为系统生物学的重要组成部分且离表型最近的组学，在发现并分析特异性生物标志物、研究病理生理机制方面具有明显优势。代谢物的合成和累积往往具有精准的空间分布，且生理功能常与其在组织甚至单细胞中的空间分布紧密相关。

因此，实现高空间分辨地精准定位组织中代谢物的分布对阐明代谢物的合成、积累和调控机理至关重要。空间代谢组学（Spatial Metabolomics）将代谢组学信息扩展到了二维乃至三维的水平，研究小分子在组织切片中的空间分布，告诉我们变化“在哪里发生”，从而极大拓展了对代谢组学样品信息的认知。

由于基因扩增、染色以及标记的方法无法用于代谢物的检测，给空间代谢组带来了较大难度。而质谱成像（Mass Spectrometry Imaging, MSI）技术作为一种无需标记、高通量、高灵敏度和高精准度的分子可视化检测技术逐渐进入医学工作者、药物研发人员和科研工作者的视野。

空间代谢组学整合质谱成像和代谢组学技术，对动/植物组织中代谢物的种类、含量和差异性空间分布进行精准测定广泛应用于动/植物组织中代谢物、多肽和蛋白的时空分布研究，为传统代谢组学分析提供了全新的可视化视角和多维的信息深度。空间代谢组学能够在无标记条件下直接对生物组织切片进行扫描分析，可高效提取生物组织表面的化合物（脂质、氨基酸、代谢物、有机酸、糖类、多肽及蛋白等），同时鉴定数百种甚至数千种分子的分子结构、相对含量，并能精准定位不同化合物的空间分布，适用于肿瘤研究、生物标志物发现、药物研发、代谢异常疾病研究等，在精准医学、转化医学、临床研究以及基础生命科学研究领域具有非常重要的应用前景。

MALDI TOF（Time-of-flight，飞行时间质谱）最早被应用于质谱成像检测，但是由于质谱成像系统需要直接对复杂的生物样本表面进行分析，TOF质谱检测器的质量分辨率和质量精度不足以精确区分待测化合物，逐渐被高分辨质谱Orbitrap（多数情况下使用Orbitrap）和FT-ICR（傅里叶变换离子回旋共振质谱仪）所代替。

后来随着DESI技术的出现，很快被应用于质谱成像检测，但由于其空间分辨率较低，在组织单细胞水平检测方面存在很大的局限性。2019年，Ian S. Gilmore发表的一篇题为“Metabolic Imaging at the Single-Cell Scale: Recent Advances in Mass Spectrometry Imaging”的文章指出AP-SMALDI-MSI系统采用专利的激光束与离子轴同轴设计，能够在1.4μm的超高空间分辨率水平有效获取脂质、代谢物、多肽等的空间分布特征，可实现单细胞水平化合物鉴定，处于世界领先水平。

下表是几种常见质谱成像技术比较，TransMIT的AP-SMALDI Orbitrap质谱成像系统性能最优，集高灵敏度、高空间分辨率、高质量分辨率、高质量精度于一身。

那是怎样实现空间代谢组的呢？以AP-SMALDI Orbitrap为例介绍质谱成像检测的原理与操作流程：

AP-SMALDI Orbitrap质谱成像系统是以质谱技术为基础的成像方法，该方法通过超高空间分辨率AP-SMALDI离子源直接扫描生物组织切片，同时借助Orbitrap质谱优异的定性和定量能力，能够在同一张组织切片上同时分析数百种甚至是数千种分子的空间分布特征，实现物质脂质、氨基酸、多肽、蛋白质、药物、代谢物等分子的精准空间定位，检测其在生物体内的特异性空间分布。

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图1 质谱成像系统工作原理图

该技术为无标记检测技术，样品制备流程简单，只需对生物组织样品制备冷冻切片和基质喷涂后进行检测，样品检测过程如下：

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图2 质谱成像系统工作流程图

01

制备冷冻切片

使用冷冻切片机制备组织冷冻切片，组织切片的厚度要求一般为8-20 微米，尺寸一般为 3-15 毫米。切片太厚会影响成像效果；尺寸会影响数据采集的时间，切片越大需要的时间越久，长宽近 10 毫米的切片一般需要 2 小时左右。

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图3 冷冻切片制备流程图

02

基质喷涂

全自动基质喷雾仪是将基质液滴均匀喷涂在组织切片表面，液滴干燥后形成均匀的固体结晶膜。基质喷雾仪通过喷嘴可以产生细腻的溶液喷雾，得到的液滴更小，形成的基质结晶直径小，具有高空间分辨率和高重现性的特点。

03

质谱成像检测

通过AP-SMALDI Orbitrap质谱成像系统进行检测，得到物质的空间分布特征，实现精准空间定位，检测在生物体内的特异性空间分布及丰度差异。

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图4 质谱成像图

质谱成像技术的应用领域非常广泛：

1.药物研究

药物研发、药代动力学、药效动力学、药物机理研究等，如Zhao et al. 2020年利用多模式成像技术实现靶向结直肠的新型药物实时精准示踪。 

2.生物标志物

发现和可视化肿瘤、疾病相关代谢生物标志物，为临床分子病理诊断提供快速新颖准确可靠的工具。如Rompp et al.研究脑苷脂类和溶血卵磷脂酰胆碱类在小鼠脑组织中的分布。

3.动物学研究

昆虫 、动物内源性/外源性次生代谢物研究、其它疾病病理学研究。如斯氏按蚊能够携带疟原虫引发疟疾的传播，高空间分辨率的特性为体积极小的生物体成像提供了完美的解决方案（Khalil et al.），如下图所示，该系统清晰地呈现了脂类物质在斯氏按蚊头部、胸部、腹部的空间分布，为昆虫研究提供了一个全新的技术手段。

4.植物学研究

植物次生代谢物研究（种子发育相关、病害相关、抗病性相关、天然产物研究），如经过盐处理的薏仁根部切片以及对照组中初步鉴定的代谢物（磷脂以及麦芽三塘）的峰和空间分布（Sarabia et al.）。

5.单细胞检测

单细胞代谢组学研究，如Hela细胞质谱成像，空间分辨率7μm（Schober et al.）。

我司去年购入德国TransMIT（AP-SMALDI Orbitrap）仪器，经过研发，现可对多种样本类型进行空间代谢组检测，只需送组织或冷冻切片即可。前10个客户享5折优惠，先到先得。想了解空间代谢组技术更多精彩内容，敬请期待下周的线上课程，也可以联系当地的销售或技术支持。

参考文献：

[1] Gilmore I S, Heiles S, Pieterse C L. Metabolic imaging at the single-cell scale: recent advances in mass spectrometry imaging. Annual Review of Analytical Chemistry, 2019, 12: 201-224.

[2] Zhao X B., Ha W , Gao K, & Shi Y P. Precisely Traceable Drug Delivery of Azoreductase-Responsive Prodrug for Colon Targeting via Multimodal Imaging. Analytical Chemistry. 2020, doi:10.1021/acs.analchem.0c01220.

[3] Rompp A, Spengler B. Mass spectrometry imaging with high resolution in mass and space[J]. Histochemistry and cell biology, 2013, 139(6): 759-783.

[4] Khalil S M, Rompp A, Pretzel J, et al. Phospholipid topography of whole-body sections of the anopheles stephensi mosquito, characterized by high-resolution atmospheric-pressure scanning microprobe matrix-assisted laser desorption/ionization mass spectrometry imaging[J]. Analytical chemistry, 2015, 87(22): 11309-11316.

[5] Sarabia L D , Boughton B A , Rupasinghe T , et al. High-mass-resolution MALDI mass spectrometry imaging reveals detailed spatial distribution of metabolites and lipids in roots of barley seedlings in response to salinity stress[J]. Springer Open Choice, 2018, 14(5).

[6] Schober Y, Guenther S, Spengler B, et al. Single cell matrix-assisted laser desorption/ionization mass spectrometry imaging[J]. Analytical chemistry, 2012, 84(15): 6293-6297.

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