空间代谢组学（质谱成像）-君飞科技

空间代谢组学（质谱成像）

空间代谢组学（Spatial Metabolomics）是整合质谱成像（Mass Spectrometry Imaging，MSI）和代谢组学（Metabolomics）技术，对动/植物组织中代谢物的种类、含量和空间分布进行精准测定的技术，扩展了代谢组信息的维度，对生命科学的功能研究具有重要意义。得益于质谱仪器成像分辨率和检测灵敏度的提高，空间代谢组学突破了传统代谢组学信息维度不足的缺点，将组学信息拓展到了空间二维水平，极大地提升了对样品信息的认知。

质谱成像技术是一种结合质谱分析和影像可视化的分子成像技术，通常不需要标记，对生物组织样品可进行多点检测、多维数据获取，可实现不同分子高灵敏度的同时检测，并能够直接提供目标化合物的空间分布和分子结构信息。质谱成像技术可以实现生物组织中上千代谢物的定性、定量和定位分析，结合生物信息学分析，发展为空间代谢组学方法，可从生物组织原位发现差异代谢物，并识别其生物学功能。

与其他成像技术相比，MSI 技术具有以下特点：
（1）通常无需标记，一次分析就可以得到多种化合物信息。
（2）既可以完成非靶标分析，也可以有针对性的实现高灵敏度的靶标分析。
（3）对多种分子成像，可以对多种非目标性物质同时进行成像分析。
（4）不仅可获得分子的空间分布信息，而且能够提供目标物质的分子结构信息。

1. 技术优势

（1）同时实现定性、定量和定位检测，获取代谢物的空间分布信息。
（2）单细胞级别的空间分辨率，可实现空间上5 μm的分辨。
（3）光学图像与质谱分析成像的融合，进一步提高了图像分辨率。
（4）与病理图像结合，不断获取更精确的结果，升级病理图像的判断。

2. 技术分类

质谱成像技术（MSI）是基于质谱发展起来的一种分子成像技术；按照离子源的不同，常把MSI分为三类：
（1）基质辅助激光/解吸电离质谱成像（MALDI-MSI）
（2）二次离子质谱成像（SIMS）
（3）解吸电喷雾电离质谱成像（DESI-MSI）

其中，常用的是MALDI-MSI技术（基质辅助激光解吸电离质谱成像）和DESI-MSI技术，接下来简要讲解下两种技术。

MALDI-MSI 已成为当前最主流且应用最广泛的质谱成像技术。MALDI-MSI技术将分析物分散在基质分子中并形成共结晶，当用激光照射晶体时，由于基质分子经辐射吸收能量并导致迅速产热，使基质晶体升华；基质和分析物气化，分析物电离后进入质谱被检测，从而获得样本表面各像素点离子的质荷比和离子强度；与质谱成像软件结合，获得对应离子的信号强度和其在样本表面的位置，绘制出对应分子或离子在样本表面的二维分布图。

DESI-MSI技术基本原理是液滴萃取、样品解析机制，雾化溶剂液滴冲击组织切片表面，使待分析物直接解吸和电离形成气相离子的过程，然后离子进入质谱接口进行检测。

MALDI-MSI和DESI-MSI技术由于原理不同，各具优劣势。DESI-MSI技术开放环境，无需复杂的样品前处理，无需基质，但空间分辨率低，信号易受外界环境干扰。MALDI-MSI需要对样品进行处理，喷涂基质，样品可以保存的更好，空间分辨率高，结果更为稳定。

3. 技术原理

下面以MALDI-MSI为例说明质谱成像的技术原理。

该仪器有一个用于显微镜观察的样品室和一个大气压下Nd:YAG激光(λ = 355 nm，1 kHz) MALDI离子源。正离子检测模式和负离子检测模式下的离子分布在m/z 100-900(分辨率设置为1.0 × 10^5)的质量范围内。对组织表面进行激光照射，每个像素进行200次照射(1 kHz重复频率)。连续切片以正、负模式成像。在正模式下，MSI仪器满足以下条件:激光照射直径设置为1(iMScope的任意单位，约10微米)，样品台和微通道板检测器施加3.50和1.9 Kv的恒定电压，激光强度保持恒定25(iMScope的任意单位)，间距75 × 75 μm2。在负模式下，使用MSI仪器的以下条件:激光照射直径设定为4(iMScope的任意单位，约50微米)，样品台和微通道板检测器施加3.0和1.9 Kv的恒定电压，激光强度保持恒定为55(iMScope的任意单位)，间距为75 × 75 μm2。使用墨水校准激光器，在使用MSI仪器进行每次实验之前，使用DHB矩阵对仪器的精确质量进行初始校准。通过AP-MALDIMS/MS进行MS/MS分析。通过使用碰撞诱导解离(CID)获得碎片，前体离子隔离窗口为1 Da。正离子模式和负离子模式下，归一化碰撞能量值分别为45%—60%和50%，从而获得咖啡豆中分子的碎裂。

以上图片来自文献：Li, N.; Dong, J.; Dong, C.; Han, Y.; Liu, H.; Du, F.; Nie, H. Spatial Distribution of Endogenous Molecules in Coffee Beans by Atmospheric Pressure Matrix-Assisted Laser Desorption/Ionization Mass Spectrometry Imaging. Journal of the American Society for Mass Spectrometry 2020, 31, 2503-2510. https://doi.org/10.1021/jasms.0c00202（已获作者授权）

4. 实验流程

5. 数据分析流程

6. 项目结果

咖啡豆的质谱成像结果。已发表，见参考文献2

鼠肾的质谱成像结果，代谢物的空间分布的多图展示

7. 应用领域

（1）肿瘤等疾病代谢物分布及代谢通路研究
（2）药物及其代谢产物在机体中的分布
（3）代谢物在植物中的分布和代谢通路研究
（4）植物药用成分定位和分布研究
（5）动植物的发育研究：种子、胚胎、器官发育过程中的空间代谢调控
（6）生物体的互作研究：侵害部位、土壤与根部互作部位调控研究

8. 样品准备指南

（1）样本类型
新鲜或者冷冻的组织样本。
未经过福尔马林浸泡、HE染色，荧光标记等处理的新鲜组织样本。
（2）样本大小
常规样本大小建议一维尺寸不超过1 cm，大尺寸样本请沟通后送样。
（3）送样流程
干冰保存寄送时，将样本管、盒埋没于干冰中，保证其上下都有干冰覆盖；干冰的量根据每天4公斤来计算，加厚的泡沫箱寄送。
液氮保存同城闪送时，请将样本盒、管浸入或浮于液氮，样品管或盒请勿完全密封，建议保留缝隙。
（4）注意事项
建议多保存一份样品作为备用。
样本质量直接影响实验结果准确性，因此在采集、制备、保存、运输过程中尽可能做到迅速和规范操作，最大限度缩短样本从采集到实验检测的时间，并在送样前做好沟通。

9. 仪器设备展示