【质谱成像讲堂】慧眼识癌—岛津质谱成像技术助力癌症临床研究

2024-02-04 21:07:41, 分析中心 岛津企业管理(中国)有限公司/岛津(香港)有限公司


导读

癌症是现代社会的“健康杀手”,随着工业化、城镇化和人口老龄化进程的加快以及不良生活方式和环境污染等问题的影响,癌症发病趋势愈发严峻,近几年新冠病毒大流行导致了严重的医疗资源挤兑,影响了癌症的诊断和治疗,导致晚期癌症的死亡率上升[1]。

我国是癌症高发国,根据国家癌症中心于2022年发布在JNCC的癌症报告[2]显示:截至2016年我国的癌症发病率为293.91/10万人,因癌死亡率为174.55/10万人,排名前五的癌症分别是肺癌、结直肠癌、胃癌、肝癌和乳腺癌。分子病理技术的发展是有效诊断癌症的重要途径,而基质辅助激光解吸电离(MALDI)质谱的出现为分子病理研究提供了一条新赛道,基于质谱的分子影像技术不需要免疫标记便能够在几微米的尺度内直观、快速、简单地呈现出细胞或组织中相关分子的结构、空间和时间分布信息,帮助阐明疾病相关的分子机制。

01

什么是质谱成像技术?

在一张标准的数码照片中,数字成像的彩色图像是通过红绿蓝三个颜色通道叠加而成,屏幕上每个小像素的颜色都是由这三个颜色的密度所构成。现在,想象一张拥有海量颜色通道的图片,它在原有光学图像的基础上进行三维重构,以空间分辨的方式监测目标分子的变化(如内源性的脂质、多肽、细胞代谢物或外源性的药物等),从而提供对正常或疾病状态有价值的分子影像分析,这就是质谱成像技术(Mass spectrometry imaging,MSI)。

岛津iMScope QT成像质谱显微镜

图1. 乳腺组织H&E染色光学图与MSI特征离子热图对比

02

岛津成像质谱在癌症研究中的应用案例分享

案例分享1

磷脂酰肌醇(PI)与乳腺癌发展的相关性研究[3,4]

乳腺癌是导致妇女因癌症死亡的主要原因之一,它是一种高度异质性疾病,不同亚型的乳腺癌一般具有不同的病情发展和结局,研究表明,与健康人相比,乳腺癌患者的脂质水平明显升高,某些脂质可能参与了乳腺癌的发生和发展。

本研究使用岛津iMScope成像质谱研究了乳腺癌组织中磷脂酰肌醇的精确空间分布,在负离子模式下,以10 μM的空间分辨率对来自九个乳腺癌患者的癌变灶区和正常乳腺组织进行了质谱成像分析,检测到了十种不同脂肪酸组成的 PI,其在恶性上皮组织的比例有显著变化。

图2. H&E染色光学图和MSI特征离子热图

如图2所示,使用高分辨成像质谱显微镜能够辨别上皮组织内相邻组织中的肿瘤细胞群, PI非均匀的分布在肿瘤细胞群和间质中,PI(18:0 ⁄ 20:3)倾向于间质相邻区,而PI(18:0 ⁄ 18:1)倾向于肿瘤细胞群中心部位,通过 PI(18:0/18:1)或 PI(18:0/20:3)的表达能识别两种不同的癌细胞群,揭示了PI(18:0 ⁄ 20:3)的积累可能与癌细胞的侵袭能力有关。

案例分享2

基于MSI技术的肺癌全流程靶向分型研究[5]

肺癌的病理类型主要分为小细胞性肺癌和非小细胞性肺癌两大类,其中非小细胞性肺癌约占肺癌的 80%-85% 左右,包括腺癌、鳞癌等,而小细胞肺癌约占肺癌的 15%-20% 左右,其恶性程度高,肿瘤倍增时间短,治愈难度大。因此,对肺癌进行准确病理分型对有效治疗肺癌和研究肺癌发病发展的机制具有极其重要的作用。

本研究以人肺癌临床样本(包含癌旁组织的小细胞癌、非小细胞癌等)作为研究对象,在不借助其他分析手段的情况下,通过iMScope显微质谱成像技术,发现了4种与肺癌良恶性病理分型有极强相关性的疑似靶向标记物,使用IMAGEREVEAL软件中Differential Analysis模块进行PCA(主成分分析)运算,比较二者统计学差异和分类情况,从而实现基于多种空间标志物的靶向层面的肺癌多角度病理分型。

图3. 肺癌全流程靶向分型分析流程

如图3所示,分别在已知腺癌与鳞状细胞癌癌症中心组织的质谱成像对应的显微图像中圈出5个ROI(感兴趣区域)区域(红圈和蓝圈对应区域),每个ROI区域包含大约300个采集点,分别定向提取m/z 775.55,m/z 885.55,m/z 861.55和m/z 673.48等4个碎片离子的图像,其中m/z 775.55作为癌症中心与癌旁的空间特征标志物,m/z 885.55和m/z 861.55组合作为小细胞癌(SCLC)和非小细胞癌(NSCLC)的空间特征标志物,m/z 673.48 作为非小细胞癌亚型腺癌(AC)和鳞状细胞癌(SCC)的空间特征标志物。

案例分享3

基于双功能激光可裂解探针的组织表面聚糖成像研究[6]

细胞表面糖基化程度的异常变化与各类恶性肿瘤的发生发展密切相关,本研究设计了一种双功能激光可裂解质谱探针(LCMPs),结合激光解吸附离子化质谱(LDI-MS)技术将对组织表面不同聚糖的检测转化为对大量质谱标签的检测,克服了直接检测聚糖时的离子化效率低、质谱图复杂等问题。

图4.(A)普适性合成法构建 LCMPs 

(B)基于 LDI-MS 的聚糖检测方法

如图4所示,LCMPs 可通过简单、普适性的合成路线制备,其中探针上结合的不同凝集素(ConA,SNA,WGA 凝集素)能分别特异性地识别组织或细胞表面的甘露糖,唾液酸和 N-乙酰葡萄糖胺。

探针的双功能性质表现在其既能用于识别细胞或组织表面的聚糖,还可同时作为 LDI-MS 检测中的优异基质,无需额外喷涂基质即可直接进行成像质谱分析,本研究结合独特设计 LCMPs,利用 iMScope成像质谱对新鲜癌细胞组织表面的不同聚糖进行可视化分析。

图5. 结直肠组织的显微照片,质谱成像和 HE 染色结果,LCMP1 反映甘露糖的含量,LCMP2 反映唾液酸的含量,图中的数字代表组织中不同微观结构,1:肠黏膜上皮组织;2:结缔组织固有层。

图5的成像结果可直观地反映出患者癌症和癌旁组织、同一组织不同病理变化的区域和具有不同微结构的区域中多种聚糖表达水平的变化,显示了肿瘤与聚糖表达含量的相关性,有望在聚糖的空间分布、肿瘤的病理基础以及临床应用等方面提供有利的工具。

03结语

与传统的影像学方法相比,MSI技术能在短时间内获得大量生物分子的结构、丰度和空间分布信息,可用作癌症诊断、预后和监测的个性化研究工具,并帮助理解癌症相关的病理学分子机制。这种具备免标记、高灵敏、高分辨、高通量的新型分子成像方法能给临床病理研究和应用提供更多、更可靠、更有价值的信息,有望解决恶性肿瘤研究发现的关键难题。

撰稿人:沈晶晶

【参考文献】

[1] Rebecca L. Siegel MPH, Kimberly D. Miller MPH, et al. Cancer statistic,2023[J]. CA: A Cancer Journal for Clinicians,2023,73(1):17-48.

[2] Rongshou Zheng, Siwei Zhang, Hongmei Zeng, et al. Cancer incidence and mortality in China, 2016 [J]. Journal of the National Cancer Center,2022,2(1):1-9.

[3] Wang X, Wang Y, Wang M, Chen X, Cui W, Chen X. The association between serum lipid levels and histological type of breast cancer. Eur J Med Res. 2022,27(1):154.

[4] Kawashima M, Iwamoto N, et al. High-resolution imaging mass spectrometry reveals detailed spatial distribution of phosphatidylinositols in human breast cancer,2013[J]. Cancer Science 2013,104: 1372–1379.

[5] 汤博崇.一种基于质谱成像技术的肺癌分型判断系统: 202111317988.0 [P]. 2022-04-05.

[6] Ma W, Xu S, Nie H, Hu B, Bai Y, Liu H. Bifunctional cleavable probes for in situ multiplexed glycan detection and imaging using mass spectrometry. Chem Sci. 2019;10(8):2320-2325.

文中推荐技术方法方案仅用于医学专业人士技术交流,不作为临床诊断依据。

如需深入了解更多细节,欢迎联系津博士

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