TIMS离子淌度质谱技术助力代谢物的深度空间组学表征

2022-09-22 19:00:02, 质谱成像先锋队 布鲁克(北京)科技有限公司-质谱仪器


代谢组学是用于研究生物体内的氨基酸、糖类、脂质等内源性小分子代谢物的变化的技术。与DNA、RNA和蛋白质等大分子不同,小分子代谢物的变化更接近于生命体的表型信息,因此代谢组学研究对于理解各项生命活动、病变的产生和发展等都具有重要的意义。传统的代谢组学技术如GC-MS、LC-MS等,在对固态生物组织分析之前、常常要先做“匀浆化”处理。这样的分析策略会导致代谢物分子的空间信息的缺失。为了弥补这样的问题,人们提出了基于质谱成像的“空间代谢组学”的研究策略。

作为质谱成像市场的领跑者,布鲁克于2019年推出了timsTOF fleX,它是一款离子淌度质谱仪,同时配备了ESI和MALDI双离子源。MALDI源采用了10000Hz的SmartBeam 3D固体激光器、可以进行高速度和高空间分辨的成像数据采集;ESI源连接液相色谱分离技术并配合TIMS离子淌度分离技术、可以执行高覆盖的分子鉴定流程。以上的诸多优点将使timsTOF fleX质谱仪成为推动空间代谢组学研究长足发展的“科研利器”[1][2]。

图1:timsTOF fleX质谱仪示意图与TIMS捕集型离子淌度分离原理。

timsTOF fleX配备了布鲁克的核心专利技术 —— TIMS(捕集离子淌度分离技术)。如图1b展示了它所包含的两个TIMS分离器:气态的离子首先在Analyzer1中被“捕获”、从而累积起来,一段时间之后,这些气态离子同时进入到Analyzer2中,由于其碰撞截面积(CCS)的差异、进而以不同的迁移速度在Analyzer2中运动、从而被分离开。该设计的优势是将分散在离子传输路径中的气态离子在空间维度 “收拢”起来,并将离子的洗脱时长“压缩”在较短的离子迁移时间尺度内,从而实现了空间、时间的双聚焦效果,使气态离子的检测灵敏度得到了前所未有的提升。

图2中展示的是timsTOF fleX质谱仪分别在关闭TIMS和开启TIMS的情况下、采集小鼠鼠脑组织切片的MALDI成像数据。图2a显示的是两组成像数据的总离子流图,图2b显示的是m/z 385-387质量段的平均质谱图;蓝色代表开启TIMS获得的总离子流图和平均质谱图,黑色代表关闭TIMS获得的总离子流图和平均质谱图。通过对比两种情况下的总离子流图和平均质谱图,可以看到开启TIMS可以检测到更多信号峰,并且部分离子的信号强度也有了明显的提升。离子信号强度的提升来源于timsTOF fleX独特的空间、时间双聚焦效应。以图2b中m/z 386的离子为例,开启TIMS使的信号强度产生了5倍的提升。除此之外,信号强度的提升还带来了更好的谱峰分辨效果,图2b中m/z 386处两个邻近质谱峰在开启TIMS后、几乎实现了“基线分辨”的效果,这对于后期、数据处理软件对这两个质谱峰的分辨和检出是非常有利的。

图2:timsTOF fleX质谱仪在小鼠鼠脑组织切片上采集的(a)总离子流图(TIC);(b)平均质谱图。

TIMS技术的引入,不仅能提高离子的信号强度和检出数量,由TIMS所获取的CCS值(碰撞截面积)还为气态离子的分离提供了一个额外的分离维度。

图3:timsTOF fleX质谱仪在小鼠鼠脑切片组织上、针对m/z 700-900质量段采集的(a)关闭TIMS获得的平均质谱图;(b)开启TIMS获得的离子淌度分离热图。

图3a展示的是timsTOF fleX在关闭TIMS时采集成像数据获得的平均质谱图。这张质谱图与市面上常规成像质谱仪所采集的数据类似,仅有横轴(质荷比)这样单一的分离维度。质谱成像是对生物组织表面之间进行信号采集,因此会产生大量的、高度复杂的(convoluted)质谱信号。仅依赖单一的质荷比分离维度,大量的同重素信号、同分异构体信号会“堆叠”在一起,占绝对数量的低丰度信号很难被有效地分离并识别出来。而在MALDI成像中开启TIMS淌度分离,如图3b所示,离子源所激发出的信号不仅在横轴、依赖质荷比的差异得到分离,而且在纵轴(1/K0)依靠CCS的差异得到分离。在以上两个分离维度的协同作用下,会产生“1+1>2”的分离效果,高度复杂的生物分子信号在TIMS淌度热图的二维平面上展开,可以使同重素和同分异构体分子得到充分的分离。如此优异的分离效果有助于接下来数据处理软件对分子的信号提取流程。

图4:timsTOF fleX质谱仪所采集成像数据的处理流程示意图。

图4展示的是timsTOF fleX成像数据的处理流程。MALDI成像数据首先导入至布鲁克SCiLS Lab软件中,建立感兴趣的目标区域(ROI)。接着将原始数据和ROI区域导入至布鲁克的MetaboScape软件之中,对目标区域的成像数据做有效信号(feature)的提取。

表1:通过MetaboScape从小鼠鼠脑成像数据中所提取的feature数目。

分别从鼠脑的小分子成像数据和鼠脑的脂质成像数据中进行有效feature提取,初步的提取结果在表1中给出。无论是小分子MALDI成像、还是脂质MALDI成像,开启TIMS所获得的feature数目呈现数倍、乃至数十倍的提升。正如前文所述。timsTOF fleX独特的双TIMS设计,一方面能极大地提高生物分子的检测灵敏度,另一方面TIMS淌度分离为信号的分辨提供了额外的分离维度,有助于数据处理软件对复杂信号的辨认和识别。 

面对生物组织中数量庞大、结构繁杂的代谢物分子,布鲁克的timsTOF fleX质谱仪将TIMS离子淌度分离与MALDI质谱成像技术进行了有机结合,布鲁克顶级配置的MALDI离子源能提供高速度、高空间分辨的成像数据;布鲁克独有的TIMS离子淌度分离技术,有效地解决了生物分子中同重素和同分异构体分子在MALDI成像时出现的信号堆叠、难以有效辨别的问题。两大技术有机地结合,可以实现高空间分辨率下、代谢分子的高覆盖表征。timsTOF fleX质谱仪必将对空间代谢组学的进一步发展起到至关重要的推动作用。

参考文献: 

[1] Resolving the complexity of spatial lipidomics using MALDI TIMS imaging mass spectrometry, Anal. Chem. 2020, 92, 13290−13297. 

[2] Spatial metabolomics of the human kidney using MALDI trapped ion mobility imaging mass spectrometry, Anal. Chem. 2020, 92, 19, 13084–13091.


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