TransMIT AP-SMALDI质谱成像技术——推动环境化学发展的“新力量”

2022-08-09 09:20:54, Create 科瑞恩特(北京)科技有限公司


7.29日,“第十一届环境化学大会”在哈尔滨圆满落幕,中国工程院院士、哈尔滨工业大学教授仁南琪在开幕式上反复强调“创新环境科学,低碳环保健康”这一主题。此次环境化学大会,给予了领域内各位专家的学术交流的平台,推进了环境科学的发展。

环境是关系着人类生存的关键因素。当今社会经济及工业的高速发展导致环境问题愈发严峻,因此如何减少环境污染,高效率地解决现有环境问题,成为当下环境科学的热门话题。目前,质谱成像技术已成功应用于生物体中污染物监测,且可以对污染物胁迫的生物(例如:斑马鱼)进行脂质空间组学研究,用于研究污染物对生物生理状态的影响。

基质辅助激光解吸电离质谱成像(MALDI MSI)作为一种先进的分子成像技术,可以快速、精准、直观地展现出生物体内各分子的空间分布,获得分子量、空间位置及空间相对离子丰度等信息,因此在环境污染物对生物体影响的研究中发挥着越来越重要的作用。下面分享两篇TransMIT AP-SMALDI质谱成像技术在环境领域中的应用。


斑马鱼及大型溞脂质分布变化研究

近年来,由于释放到环境中的化学物质数量和种类不断增多,海洋及淡水生态系统的污染程度也越来越严重。其中,亲脂性物质是特别需要关注的成分,他们可以通过干扰水生生物的脂质组成来影响其生理生化特性。考虑到脂质对生物组织结构及功能至关重要,那么脂质模式的改变通常与病理过程相关也就不足为奇了。因此了解化学胁迫如何影响水生生物中脂质的组成和空间分布就变得尤为重要。德国拜罗伊特大学的Andreas Römpp教授实验室利用常压基质辅助激光解析电离(TransMIT AP-SMALDI 5 AF)技术,针对斑马鱼和大型溞这两种环境科学与生态毒理学领域应用最为广泛的水生模式生物建立并优化样品制备流程,将两种生物的脂质模式与组织或细胞的解剖特征相关联,为今后研究污染物胁迫下其他生物的脂质模式变化提供重要的参考依据。

图1 斑马鱼神经元和非神经元内脂质分布的MALDI MSI成像。(a,e) 成年斑马鱼矢状位切片经H&E染色显示了鳃、眼(视网膜、晶状体)、脑(端脑、中脑盖、小脑)和肝脏的详细结构。(b) PC(O-32:0)[M+H]+(红色)PC(30:0)[M+K]+(绿色)的RGB叠加图像。(c) PC(O-32:0)[M+H]+的离子图像显示鳃丝处有高信号强度(白色箭头)。(d) PC(30:0)[M+K]+ 的离子图像显示眼睛晶状体和视网膜处的高信号强度 (白色箭头)。(f) PC(O-32:0)[M+H]+(红色)PC(O-36:1)[M+K]+(蓝色)PC(40:6)[M+H]+(绿色)的RGB叠加图像。(g) PC(O-32:0)[M+H]+的离子图像显示非神经性组织的高强度信号,例如肌肉组织(白色箭头)。(h) PC(O-36:1)[M+K]+的离子图像,显示中脑盖和部分小脑的结构。(i) PC(40:6)[M+H]+的离子图像显示大脑和眼睛以及肝脏(白色箭头)相对位置的分布。



玉米中黄曲霉毒素B1及植物防御代谢物空间分布研究

为了应对不利化合物的存在,植物可以生物转化外源物质、转移母体化合物及其代谢物,并在细胞或组织水平上通过区室化作用对其进行隔离。这种情况同样适用于真菌毒素,即在植物感染过程中发挥重要作用的真菌次生代谢产物。为了描述玉米与黄曲霉毒素B1在组织和器官水平上的相互作用效应,Bernhard Spengler教授团队利用AP-SMALDI质谱成像技术对玉米植株的根、茎、叶进行原位检测,并从代谢组学的角度探讨了黄曲霉毒素B1(AFB1)与其潜在修饰形式的生物转化、分布、定位及其对健康玉米植株的初级、次级代谢所产生的后续影响。

图2 AFB1处理14天后,对照样品和AFB1处理的玉米植株根系切片的AP-SMALDI质谱成像。(a)AFB1 [M+K]+,m/z351.0265,在表皮和皮质细胞中积累;(b)矢车菊素葡萄糖苷[M]+,m/z 449.1076;(c)脱镁叶绿素a [M+H]+,m/z871.5729的空间分布;(d)AFB1处理和对照玉米根系切片的光学图像,主要形态特征标记;(e)RGB叠加图像,AFB1[M+K]+,m/z351.0265(红色)脱镁叶绿素a[M+H]+,m/z871.5729(绿色)矢车菊素葡萄糖苷[M]+,m/z449.1076(蓝色);(f)RGB图像与光学图像叠加。空间分辨率10μm,295×145 pixels。

参考文献:(1)Schirmer E, Ritschar S, Ochs M, et al. MALDI mass spectrometry imaging workflow for the aquatic model organisms Danio rerio and Daphnia magna[J]. Scientific reports, 2022, 12(1): 1-11.

(2)Righetti L, Bhandari D R, Rolli E, et al. Unveiling the spatial distribution of aflatoxin B1 and plant defense metabolites in maize using AP‐SMALDI mass spectrometry imaging[J]. The Plant Journal, 2021, 106(1): 185-199.

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