突破性发现！DESI-MSI 空间代谢组学技术揭示粥样硬化颈动脉斑块的空间脂质分布

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研究背景

颈动脉粥样硬化是导致缺血性脑卒中的重要原因，脂质在动脉粥样硬化的进展中起着关键作用。但目前，尚未系统地研究与组织学相关的颈动脉粥样硬化斑块的空间脂质分布。本文应用解吸电喷雾电离－质谱成像技术（DESI-MSI）探究颈动脉粥样硬化的脂质谱，并将其与组织学信息相关联。

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前言

2023年1月，首都医科大学王朝东课题组在Atherosclerosis期刊发表的题为“Spatial metabolomics identifies lipid profiles of human carotid atherosclerosis”（IF：6.847）的研究成果。该研究应用DESI-MSI空间代谢组学，描绘了人类颈动脉粥样硬化斑块中的空间脂质代谢图谱，其中疾病进展斑块三个区域的脂质分布和相关代谢途径不同，发挥不同的调节作用，表明颈动脉斑块这些区域的不同代谢机制可能在动脉粥样硬化进展中至关重要，研究或可为新型降脂药物的潜在靶点研究提供潜在帮助。

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研究思路

1例患者的14张切片之间的代谢差异，选择4种病理类型，结合msi数据和组织学结构，初步确定空间分布的脂质。另外11例患者选择4种病理类型，综合DESI-MSI数据和邻近切片的组织学结构，筛选符合空间分布的脂质。进一步进行重合的差异脂质在不同区域的富集分析。

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研究方法

研究材料：12名接受颈动脉内膜切除术的患者

研究技术：（1）生理/病理分析：冷冻切片（10 μm厚），免疫染色，免疫组化

（2）DESI-MSI空间代谢组学（t -SNE，机器学习，富集分析）

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研究结果

用DESI-MSI对一名颈动脉粥样硬化患者的颈动脉斑块进行检测。m/z 671.576（胆固醇酯[CE]18:2）以正离子模式分布在整个横断面区域（TCSRs），14张连续的切片，从斑块边缘到中心，该离子强度升高（图1A）。14张连续切片的脂质特征簇相互分离，随着动脉粥样硬化的进展，这些簇在正离子模式（图1B）和负离子模式（图1C）中更接近。研究人员将动脉粥样硬化病变分为四个病理阶段（动脉粥样硬化前期、动脉粥样硬化、纤维粥样硬化和复杂病变），不同脂质的丰度在四个病理阶段不同（图1D）。富含脂质的区域（LRRs）和富含胶原蛋白的区域（CRRs）分别有m/z 703.577（鞘磷脂[SM] 34:1）和m/z 772.528（磷脂酰胆碱[PC] 32:0），m/z 703.577和772.528离子的重叠图像显示了相同的TCSRs区域。这三种脂质的离子强度都随病理进展增加。

图1 一位患者颈动脉斑块的14张10μm厚的冷冻连续切片的DESI-MSI，以及四个病理阶段对应的离子强度和区域分布。

为进一步研究脂质谱随动脉粥样硬化进展的空间变化，描绘了四个病理阶段的精确区域，特别是纤维粥样硬化阶段和复杂病变阶段的LRRs和CRRs区域（图2A）。在动脉粥样硬化前期和动脉硬化病理阶段随机选择10个ROI（感兴趣的区），在纤维粥样硬化和复杂病变的LRRs和CRRs中随机选择10个ROI。OPLS-DA模型被引入筛选脂质谱，确定LRRs和CRRs的四个病理阶段，且模型没有过拟合。

LRRs和CRRs四个阶段的正离子和负离子模式的脂质谱有明显差异（图2B-E）。筛选出55个差异脂质（图2F），13种脂质特异性分布在LRRs中，16种脂质特异性分布在CRRs中，26种脂质均分布在LRRs和CRRs（代表TCSRs）。这些脂质在TCSRs（图2G）、LRRs（图2H）和CRRs（图2I）四个阶段之间存在显著差异。在四个病理阶段，10种脂质的空间分布与组织学相关（三个在TCSRs，三个在LRRs，四个在CRRs）。

图2 一位患者颈动脉斑块的14张10μm厚的冷冻连续切片的DESI-MSI，以及四个病理阶段对应的离子强度和区域分布

图3 随机选择的10种脂质（TCSRs中3种，LRRs中3种，CRRs中4种）在四个病理阶段的空间分布

以相同的方式处理来自另外11名患者的斑块样本以排除异质性。确定了包括动脉粥样硬化前期（n = 7）、动脉粥样硬化（n = 8）、纤维粥样硬化（n = 5）和复杂病变（n = 8）四个病理阶段的切片，并扫描相邻的切片。在OPLS-DA模型中，四组在LRRs和CRRs的正离子和负离子模式下的脂质谱有明显差异（图4A-D），并鉴定出55种差异脂质中的32种脂质（图4E）。8种脂质特异性分布在LRRs中，12种脂质特异性分布在CRRs中，12种脂质均分布在LRRs和CRRs（代表TCSRs）。热图显示，这些脂质在TCSRs（图4F）、LRRs（图4G）和CRRs（图4H）的四个阶段中也有显著变化。

图4 11名患者中筛选与组织学相关的脂质谱

对32种鉴定到的脂质，进行KEGG途径富集分析，鞘磷脂信号通路、脂肪消化和吸收、甘油磷脂代谢、脂肪细胞因子信号通路等是最显著富集的10个代谢途径（图5A）。总横截面区中筛选出的12种脂质显著富集的代谢通路为脂肪消化吸收、胆固醇代谢、脂肪细胞脂肪分解调节、脂质与动脉粥样硬化等（图5B），LRRs的8种脂质中最显著的10种富集代谢途径有神经营养素信号途径、鞘磷脂信号途径、坏死、胰岛素抵抗等（图5C），CRRs的12种脂质显著富集的3条途径包含甘油磷脂代谢、醚类脂质代谢和癌症中的胆碱代谢（图5D）。三个区域之间的代谢途径，特别是在LRRs和CRRs，随着动脉粥样硬化的进展有很大不同。

图5 对另外11名患者鉴定出的脂质进行KEGG通路富集分析。

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研究结论

本研究全面展示了人类颈动脉粥样硬化斑块中的空间脂质代谢足迹。疾病进展斑块的三个区域的脂质分布和相关代谢途径明显不同，表明颈动脉斑块这些区域的不同代谢机制可能在动脉粥样硬化进展中起关键作用。

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该研究对人类颈动脉粥样硬化斑块进行空间代谢组学研究，发现不同区域的脂质丰度不同，所富集的代谢途径有差别。通过推测不同空间脂质分布与动脉粥样硬化进程间的联系，揭示颈动脉斑块不同区域的代谢机制可能在动脉粥样硬化进展中至关重要，有利于理解粥样硬化的发病机制，并为开发新的治疗方法提供参考。

参考文献10.1016/j.atherosclerosis.2022.11.019

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已搭建2套AFADESI-MSI质谱成像系统+1套Waters DESI-MSI质谱成像系统

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定性算法经过多维校准

定性结果同时考虑物质表达空间情况、加和离子及同位素峰表达强度相似性、同位素表达空间分布相似性、非靶向质谱数据和空代自建数据库进行校准。

项目实测结果

可实现定性代谢物数量：1000-3000个代谢物

无偏好性检测代谢物：:70%为700Da以下的小分子物质，30%为脂质类物质，更加适合代谢组学研究方向；