“灵魂”3问，走进质谱成像“画”时代空间代谢组学

2021-12-21 22:30:23, 多层组学定制服务上海欧易生物医学科技有限公司

质谱成像技术

近二十年来，随着质谱离子化技术的不断发展，质谱成像技术因其能够直观、快速、简便地呈现出分子在细胞或组织中的结构、空间与时间分布等信息，越来越受到大家的关注。并且质谱成像技术也被广泛的用在癌症疾病研究、药物前期发现等各领域的高质量文章中，为生物标志物的高灵敏度探测和药物代谢精确成像研究奠定了基础，下面进入到质谱“画”时代~

图 | 代谢物在大鼠肾脏中的空间分布

什么是质谱成像技术？

是什么？有多少？在哪里？

回答以上“灵魂”3问，首先需要了解他们之间的关系。质谱是通过采集化合物的质荷比，获得定性和定量的信息，进而去探究物质本身包含的化合物“是什么？”和“有多少？”这两个根本性问题。而成像技术则是通过一些原位电离源，如DESI（解吸电喷雾电离源）、MALDI（基质辅助激光解吸电离源），与质谱相联，通过可视化的成像软件，使得被检测到的质荷比根据含量不同通过不同强度的色彩呈现，进而提供化合物“在哪里？”的信息。

质谱成像技术有哪些？

无需样品处理实时成像——电喷雾电离技术

DESI系列最大的优势就在于无需样品处理，DESI-MSI作为新型敞开式质谱成像技术，其突出的优势是在大气压条件且敞开式环境下，不需要进行复杂的样品前处理和基质辅助，可更真实反映样品表面分子分布特征。

利用基质进行空间成像——MALDI质谱分子成像技术

MALDI-MSI分析中非常关键的一点是需要添加基质来吸收激光能量，实现被测物的离子化，主要对脂质类化合物具有较好的分析效果，空间分辨率最高可以达到数个微米。

活体成像——APIR MALDI/LAESI技术

该方法是来自华盛顿大学Akos Vertes教授希望能从另外一个方面来进行活细胞分析，在他的一项关于活叶样品中初级和次级代谢产物分布的研究中，Vertes等人想到复合两种技术来解决这一问题。

LAESI(laser ablation electrospray ionization，激光烧蚀电喷雾电离)，这种方法能捕捉大量带电微滴的微粒，然后重新电离化。通过对整个样品进行处理，复合这两种方法，就能覆盖更多的分子，分析质量更高。

关于质谱成像还有SIMS、LA-ICP等技术~

其中，MALDI和DESI成像技术目前属于比较完善，使用范围较广的成像技术。这两种技术与质谱相连，使用范围有一定的互补性。二者结合使用，可实现“全谱图分子成像”，相信也有很多老师想要了解这二种成像方式有什么特点呢？

类型	AFADESI-MSI	DESI-MSI	MALDI-MSI
样本类型	新鲜组织	新鲜组织	新鲜组织
可检测样本大小	1mm1mm~1.5cm3.5cm,可检测整只小鼠/大鼠切片	大至7.5cm*2.5cm	大至7.5cm*2.5cm
物质检测类型	1000Da以下的小分子代谢物：胆碱类、多胺类、氨基酸类、肉碱类、核苷类、核苷酸类、有机酸类、碳水化合物类、胆固醇类、胆酸类、脂质类等多种类代谢物	1000Da以下的代谢物，偏向脂质等	蛋白、多肽、脂质等
空间分辨率	100um100um、40um40um、20um*20um	50um	5~50um

质量分辨率	根据链接的质谱仪	根据连接的质谱仪	根据连接的质谱仪
是否需要基质	否	否	是

获得生物组织中功能代谢物的空间分布可以更深层次的理解组织特异性分子组织学和病理学。问题的核心在于开发一种非靶向、高灵敏度、高覆盖和高特异性的成像方法，能够可视化大量代谢产物在其自然状态下的空间分布。将功能代谢物的空间和时间变化与组织结构和生物功能联系起来，从根本上解释组织在分子水平上发生了什么。

AFADESI-MSI 是一种高灵敏、高覆盖、宽动态范围、强特异性的组织代谢物成像分析技术，灵敏度可达到 pg 级，且代谢物含量动态范围跨越 3 个数量级，实现了组织微区的精确表征和质量数相近代谢物的准确识别，可对组织大小为 1 mm×1 mm~1.5 cm×3.5 cm 的样本进行代谢物空间成像分析。

该技术解决了生物组织中低含量代谢物难检测、覆盖种类少和成像质量差等技术难题，可实现生物组织中约 1500 个代谢物的成像分析，包括胆碱类、多胺类、氨基酸类、肉碱类、核苷类、核苷酸类、有机酸类、碳水化合物类、胆固醇类、胆酸类和脂质类等，并精确表征与识别功能代谢物在组织亚区域的分布特征。

在获得AFADESI-MSI平台原创团队全力支持下，经过前期的研发以及1年时间的技术服务积累，鹿明生物已经完成了心脏、脑、肿瘤、肠道、肝脏、肾脏、皮肤等二十几种临床/动物/植物组织样本的空间代谢组学检测及分析，积累了丰富的样本前处理经验。

基于AFADESI-MSI平台代谢物广覆盖度的优点，在临床样本以及动物样本中同时检测到胆碱类、多胺类、氨基酸类、肉碱类、核苷类、核苷酸类、有机酸类、碳水化合物类、胆固醇类、胆酸类、脂质类等多种类代谢物，真正意义上满足了“空间代谢组学”的研究需求。

相关研究成果发表在Gut、PNAS、APSB、Theranostics、Advanced Science、Analytical chemistry、Analytica Chimica Acta等期刊上。

目前鹿明生物已建立了特定组织专属的空间代谢组数据库，且已获得3项空间代谢组软件著作，软件著作登记号：

2021SR1062343

2021SR1279454

2021SR1279456

基于 AFADESI 平台已发表部分文献：

[1] Integrated analysis of the faecal metagenome and serum metabolome reveals the role of gut microbiome-associated metabolites in the detection of colorectal cancer and adenoma. Gut IF = 23.059

[2] A Sensitive and Wide Coverage Ambient Mass Spectrometry Imaging Method for Functional Metabolites Based Molecular Histology.Advanced science IF = 15.840

[3] Spatially resolved metabolomics to discover tumor-associated metabolic alterations.PNAS IF = 11.203

[4] In situ metabolomics in nephrotoxicity of aristolochic acids based on air flow-assisted desorption electrospray ionization mass spectrometry imaging. Acta Pharmaceutica Sinica. B IF = 11.413

[5] Evaluation of the tumor-targeting efficiency and intratumor heterogeneity of anticancer drugs using quantitative mass spectrometry imaging. Theranostics IF = 11.552

[5] Mapping Metabolic Networks in the Brain by Ambient Mass Spectrometry Imaging and Metabolomics. analytical chemistry IF = 6.785

猜你还想看

◆《第一期：鹿明空间代谢组千万医学支持计划》支持名单公布

◆Nat Com | 空间代谢组学助力医科院药物所蒋建东团队探究靶向纳米技术促进小檗碱肝脏吸收机制

◆Cancer Res | 空间代谢组助力食管腺癌磷脂生物标志物挖掘发表医学一区顶刊

◆NAT MED | 空间代谢组学+多组学技术探究人类结核肉芽肿中的炎症信号的空间分布

END

Lisa整理

欢迎转发到朋友圈

本文系鹿明生物原创

转载请注明本文转自鹿明生物