局部脑缺血期间吞噬作用和信号传导的脂质生物标志物质谱成像

2023-07-31 12:52:20, Create 科瑞恩特（北京）科技有限公司

前言

质谱成像 (MSI) 技术越来越多地被应用于可视化组织中各类分子的丰度和分布。

生物组织中局部区域变化期间，例如局部脑缺血后炎症的发生和消退时期，会发生复杂的生物过程及细胞在时空上的运动，MSI在可视化和识别这些行为方面具有巨大的潜力。

此前的研究重点关注了局部脑缺血过程中脂质生物标志物和信号脂质介质的丰度，发现了双 (单酰基甘油)磷酸酯 (BMP)和N-酰基磷脂酰乙醇胺 (NAPE)等在脑中不常见的脂质分子会在脑缺血部位累积，然而，它们在脑缺血期间的内源性形成的时间过程并不清楚。

因此，发展一种探究这些过程中脂质变化的MSI方法，对于研究局部脑缺血的机理具有重要意义。

摘要

哥本哈根大学的Harald S. Hansen团队于2016年在Scientific Reports期刊上发表了题为“Mass spectrometry imaging of biomarker lipids for phagocytosis and signalling during focal cerebral ischaemia”的文章，作者建立了永久性局部脑缺血小鼠模型，对该模型的脑部于不同时间点进行了成像，探究了损伤部位的脂质变化，发现了吞噬巨噬细胞/小胶质细胞和死亡神经元的生物标志物。

本研究首先对选定的磷脂进行了100 μm空间分辨率的解吸电喷雾电离质谱成像 (DESI-MSI)，研究了不同术后生存时间的缺血进展情况。

在缺血区域，缺氧导致细胞内ATP浓度下降，钠和钙流入质膜，随后激活不同亚型的磷脂酶A2和鞘磷脂酶，从而产生分别来自磷脂酰胆碱 (PC) 和鞘磷脂 (SM) 的溶血磷脂酰胆碱 (LysoPC) 和神经酰胺 (Cer)。如图1所示，使用DESI-MSI可视化了大脑中最丰富的PC和SM，即PC (16:0/18:1) 和SM (d18:1/18:0) 的分布。PC (16:0/18:1) 的钠加合物在缺血区累积，钾加合物相反，这是由 Na⁺/K⁺-ATP酶活性消失引起的，表明该PC主要存在于细胞内。此外，活化的磷脂酶A2将PC (16:0/18:1) 水解为LysoPC (16:0)，累积在缺血区。与PC不同，SM (d18:1/18:0) 的钠、钾加合物均从缺血区域消失，可能是由于鞘磷脂酶被激活，去除了SM (d18:1/18:0) 的磷酸胆碱头基并生成 Cer (d18:1/18:0)。

图1 缺血区域Na⁺/K⁺-ATP酶活性的消失和脂肪酶的激活

如图2所示，观察到BMP和NAPE在缺血区域随时间变化产生了不同的累积。NAPE (56:6)和pNAPE (56:6) 在24h和5d在缺血区域累积，但在2h时没有观察到累积，20d时，NAPE和pNAPE消失。

在2h和24h时，无BMP(22:6/22:6) 存在，但5d时可见BMP (22:6/22:6)累积，尤其是在缺血区边缘。20d时，BMP(22:6/22:6) 则散开聚集在缺血损伤区域的整个区域。

图2 局部脑缺血期间BMP和NAPE随时间的累积

随后，该研究使用基质辅助激光解吸电离质谱 (MALDI-MS) 以更高的空间分辨率进行了质谱成像。

使用MALDI-MSI，在缺血区域还发现了其他种类的BMP。如图3所示，BMP (22:6/22:6) 与NAPE (56:6) 分布于缺血区域的两个相反区域。BMP与巨噬细胞/小胶质细胞已知的生物标记物CD11b共定位，证明了BMP可作为吞噬作用的生物标志物。结果表明，巨噬细胞/小胶质细胞（即BMP作为吞噬作用的生物标志物）吞噬了死亡的神经元，BMP积累的区域不再存在NAPE，而NAPE 仍然存在于BMP尚未积累的区域。即 NAPE 有可能为死亡/垂死神经元的生物标志物。

图3 BMP 作为吞噬作用的生物标志物

此外，本研究还发现单酰甘油MAG (20:4) 、MAG (22:6)、胆固醇酯(CE) 、1-磷酸鞘氨醇、N-酰基牛磺酸 (NAT) 和脂肪酸 (FA) 及其衍生物等在炎症消退阶段会在缺血区域累积。

总结

此项研究应用MSI来揭示局部脑缺血期间炎症相关脂质的时空变化，带来了许多重要的生物学结果。

研究结果表明：BMP可作为组织学研究中吞噬巨噬细胞/小胶质细胞的生物标记物；NAPE可能是死亡/濒死神经元的标记物；死亡细胞中特定的PC的Na⁺/K⁺加合物的比率可以揭示脂质的位置；在神经炎症的早期促炎阶段和后期炎症消退阶段，许多脂质介质的丰度都发生了变化。因此，利用MSI技术，未来将有可能更详细地剖析炎症过程中细胞的生物行为以及其脂质的时空变化，并为所涉及的各种介质化合物提供更准确的生物学作用。

「科瑞恩特」独家代理质谱成像离子源

在大中华区独家代理的两款质谱成像离子源，都可搭载Thermo Scientific^TM Q Exactive^TM或Obitrap Exploris^TM系列质谱仪。

AP-SMALDI 5AF高分辨自动聚焦3D快速质谱成像系统，常压操作环境，空间分辨率可达到3 μm，独特3D检测模式可以检测凹凸不平的样品表面，快速检测模式可达18pixel/s，全像素检测大大提高检测灵敏度，高空间分辨率和高质量分辨率使样本中的分子化合物达到最佳成像效果。

MALDI ESI Injector^TM 透射式超高分辨质谱成像系统，可以同时搭载MALDI离子源与ESI离子源，既可用于传统LC-MS/MS实验，也可用于质谱成像检测，通过双离子漏斗接口实现离子源快速切换，无需拆卸，操作便捷，并且接口可以进一步升级为MALDI-2和t-MALDI检测，大大提高空间分辨率和检测灵敏度。