基于微液滴可裂解的电离质谱成像表征功能生物大分子

　　近日，斯坦福大学化学系Richard N.Zare教授课题组在Angewandte Chemie上发表了题为“Immuno-Desorption Electrospray Ionization Mass Spectrometry Imaging Identifies Functional Macromolecules by Using Microdroplet-Cleavable Mass Tags”的研究论文。

　　解吸电喷雾电离质谱成像 (DESI-MSI) 是在常压敞开式环境下，利用电喷雾液滴对生物组织成分软电离，并将其引入质谱进行检测与可视化的一种分析技术。自DESI-MSI技术发展至今，已广泛应用于体内药物分析、临床分子诊断、空间代谢组学等生物医药研究领域，其可检测分子主要涵盖有机合成药物、内源性代谢物和脂质等分子量低于1000的小分子化合物。

　　靶点研究是药物研发的重中之重，包括在疾病发生发展进程中起关键调控作用的酶、受体、转运体、离子通道等生物大分子。这些药物靶点是参与信号通路及代谢通路调控等功能的重要执行者，且与药物治疗或毒副作用有直接关联。阐明药物干预下靶点及其信号通路分子在体内分布与变化，对预测候选药物的分子靶向性、评价药效与毒性、深入理解药物作用分子机制等至关重要。然而由于上述功能生物大分子的超高分子量、低丰度和低电离效率，直接对组织样本进行蛋白质成像目前仍然是对DESI-MSI的一大挑战。

　　基于免疫识别与分子标签的成像策略为DESI-MSI实现生物大分子的检测提供了一种切实可行的思路。标签分子及其裂解方式的设计是其中的核心技术问题。根据已知的微液滴化学研究报道，DESI在正模式高压电下产生的微米级水相液滴，在其气-液界面富含高浓度的质子，因此可以加速酸催化有机反应的进程。本研究设计合成了一系列苯硼酸类标签分子，在碱性条件下，将其与抗体非识别区人工修饰侧链上的半乳糖胺通过苯硼酸酯键共价结合。利用酸性电喷雾溶剂可在微秒时间内快速将苯硼酸酯键断裂的特性，实现了标签分子的在线原位释放，使得DESI-MSI 在单张组织切片上定位多个不同的功能生物大分子成为可能，实现了基于DESI质谱成像的多重免疫组化检测，本研究将这种方法被命名为“immuno-DESI-MSI”。

　　苯硼酸类标签分子硼元素的引入，不仅实现了pH调控的可逆结合/释放，还使标签分子离子在质谱中具有可辨识的独特同位素分布模式(M+1基峰)。标签分子含有叔胺及季胺基团，因此具有极高的解吸电离效率，此外，标签分子中具有高度共轭的刚性平面结构，因此具有荧光发射特性，使得合成的标签分子-抗体探针，具有组织微区域可分辨的质谱成像和细胞分辨的荧光显微成像双重功能。通过常规DESI-MSI与immuno-DESI-MSI图像配准，即可关联药物、靶点、信号通路、酶以及下游代谢通路多个层次的空间关联信息。作为概念验证，本研究最后选取拉帕替尼为受试药物，探究了其对于药物靶点EGFR及其信号通路相关分子的抑制作用以及下游代谢层面的影响。

图1. 设计的标签分子及探针结构和immuno-DESI-MSI的一般工作流程

图 2. 免疫荧光显微镜成像 和 immuno-DESI-MSI 的交叉验证

图3. EGFR通路中6个大分子的immuno-DESI-MSI图像及其与抗EGFR药物拉帕替尼的空间相关性分析

图 4. 由immuno-DESI-MSI 获得的药物、靶点、信号通路和代谢组信息用于药物作用分子机制分析

　　作者简介

　　本研究的通讯作者为斯坦福大学化学系理查德·杰尔(Richard N.Zare)教授，国际知名物理化学和分析化学家，中国科学院外籍院士，美国国家科学院院士，美国艺术与科学院院士，英国皇家学会外籍院士，欧洲科学院院士，瑞典皇家工程科学院外籍院士，发展中国家科学院院士。主要研究方向包括激光化学、微液滴化学、质谱分析等，目前重点聚焦于微液滴化学的理化性质与基础理论研究，以及微液滴在材料、合成、催化、生物医学诊断等领域的应用。

　　本研究的第一作者宋肖炜，2017年毕业于中国医学科学院/北京协和医学院药物研究所，师从再帕尔教授，获药物分析学博士学位，研究方向为定量质谱成像分析方法及其在药物研发中的应用。2017年9月-2022年6月在复旦大学化学流动站开展博士后工作，期间于2020年1月起在斯坦福大学交流访问和继续博士后工作，主要方向为微液滴化学与常压原位电离质谱分析新方法研究。在PNAS、J. Am. Chem. Soc.、Angewandte、Anal. Chem.、EBiomedicine等综合性期刊、化学、分析化学、质谱分析或生物医学类期刊以第一作者及通讯作者发表论文18篇，申请国家ZL6项，主持国家自然科学基金青年基金项目1项、中国博士后基金面上项目1项。

　　原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.202216969