发布时间:2020-10-15 13:40 原文链接: 质谱成像新观察:MALDIMS成像最新应用

  基质辅助激光解吸电离技术(MALDI)的出现使得质谱成像技术(Mass spectrometry imaging,MSI)可以用于测定组织内生物大分子的位置和分布,以及疾病生物标志物的鉴定和改变等。近日布鲁克成像全球应用开发经理Shannon Cornett博士讨论了质谱成像技术的最新进展及其对临床诊断研究的影响。

  布鲁克成像全球应用开发经理Shannon Cornett博士

  什么是质谱成像?

  质谱成像最初是在50多年前作为研究半导体表面分析工具所发明的。如今,结合质谱技术,质谱成像可以通过分子质量实现生物标志物、代谢物、肽或蛋白质等的分子空间分布可视化。实际上在样品扫描过程中,质谱数据是在空间坐标阵列上收集的。通过在谱图分析结果中选择与感兴趣化合物相对应的峰,结合质谱数据绘制该化合物在样品中的分布图,从而生成质谱空间分布图。

  1988年,Franz Hillenkamp和Michael Karas发现了一种用激光照射生物分子和小型有机酸结晶混合物的新方法,并称之为基质辅助激光解吸电离(MALDI),为从有机、高分子化学到蛋白质组学、微生物学和药物研发等科学研究开辟了新的可能。Richard Caprioli及其同事在20世纪90年代末进行了一项开创性工作——他们展示了MALDI-MS如何应用于细胞和组织中大生物分子(如蛋白质和脂类)的分布研究,从而揭示出癌症等疾病是如何改变这些分子表达的。质谱成像有不同的电离技术,包括二次离子质谱(SIMS)、MALDI和解吸电喷雾电离(DESI)。目前MALDI是质谱成像临床和生物学应用的领先技术,被广泛认为是组织样本成像最有效的方法。

  质谱成像目前在临床科研有哪些应用?

  MALDI成像技术在临床研究中不断得到认可。近年来,技术和方法上的突破让MALDI成像在分析通量、空间分辨率和灵敏度得到了显著提高,这增加了MALDI成像在肿瘤学、神经疾病学、心脏病学和风湿病学等生物医学研究领域的应用范围。MALDI成像应用包含蛋白质表征、糖蛋白分析、质量控制应用、聚合物分析和超高通量筛选等。在临床研究中,大约85%的MALDI成像与癌症研究有关,其它15%的MALDI临床研究应用包括帕金森氏症、老年痴呆症、糖尿病、非酒精性脂肪肝以及肿瘤边缘检测。

  MALDI-MS成像的最新技术是什么?

  质谱成像技术中每个像素包含的信息是这些特定细胞的未标记化学指纹(或质谱)信息,因此推动质成像发展的因素有两点:一是更快地获取像素,二是增加每个像素位置检测到的分子数量。

  最近,一种新的名为MALDI-2的技术组合在灵敏度上有了显著的提高,该技术由MALDI成像与后电离(PI)相结合。研究表明, MALDI-2技术将许多小分子和脂质的灵敏度提高了三个数量级。此外,由于某些化合物只能用MALDI-2检测,这进一步扩展了MALDI成像的适用范围,对药物代谢和药代动力学(DMPK)的研究具有重要意义。

  现代药物开发的一个主要限制因素是“充分搅拌模型”的使用,也就是说在使用LC-MS方法进行分析和定量之前,把器官和组织匀浆。这种方法非常适合于获得靶器官内精确数量的药物和代谢物信息,但与试图描述药物化合物生理效应的病理学方法并不兼容。MALDI成像通过精确定位药物和代谢物在组织中的位置,对从血浆到组织模型的转换产生了重大影响。新型的PI源通过提高整体灵敏度,增强了药物研究的分子成像能力,使其能够在更大的剂量范围内进行定量分析。此外,检测分子种类的增加,扩展了质谱成像在药物研究中外源性和内源性分子的适用性。

  疾病诊断和预后的生物标志物鉴定是临床研究的重要方面,近来的发展对此有什么帮助?

  癌细胞和其他病变组织具有显著的遗传性和表观遗传性,影响基因组表达各个方面。无论观察蛋白质组、脂质组还是代谢组,化合物的空间分布包含了有助于了解样本的重要信息。如果某些化合物在空间上高度集中,或者分子共同分布在某些特定的位置,当只检查均质样品时,这些特征信息就会丢失。当与空间信息关联起来时,基于组学研究的生物标记物发现将变得更加完整,从而为癌症生长所需的细胞间通讯网络提供重要线索。

  结合前面提到的MALDI-2技术,成功的MALDI成像中的特定区域信息与4D组学深度覆盖相结合,以用于生物标记物的发现和分子表征。其优点是分子信息量更大,可用于检测组织切片中、具有共同分子特征感兴趣的区域(ROIs)。例如,在一项对乳腺癌中肿瘤亚群的微蛋白质组学表征研究,分析了脂质的MALDI图像,并用于识别和靶向激光捕获显微切割(LCM)特定分子表型的肿瘤亚群。研究人员对小型显微解剖材料进行蛋白质提取和胰蛋白酶消化,随后进行蛋白组学分析。通过蛋白质组学数据对每种分子表型的分析,为原位特征细胞类型的生物过程提供了更全面的机制解释,补充了相关分析工作流程[1]。

  MALDI and MALDI-2 detection of chloroquine in rat kidney (top images) and liver (bottom) tissue For further details see Henkel C et al. The combination of MALDI-2 and timsTOF flex brings targeted drug imaging to the next level. Bruker 2020; LCMS-173, 1878095 (https://www.bruker.com/fileadmin/user_upload/8-PDF-Docs/Separations_MassSpectrometry/Literature/ApplicationNotes/1878095_LCMS-173_Combination_of_MALDI-2_and_drug_imaging_ebook.pdf)University of York)

  成像中近同重离子识别是一个挑战,有哪些新技术可以解决?

  当应用于DMPK时,定量质谱成像(qMSI)一直是MALDI成像中一个具有挑战性但必不可少的方面。诸如普遍存在的同重内源性化合物、组织基质的化学背景以及离子抑制等许多因素,影响了定量质谱成像的可靠性。但要将MALDI成像技术作为一种多方面且普遍适用的技术,定量结果必须准确且可靠。这在药理学研究中尤为关键,因为药物及其代谢物在组织中的分布与绝对定量一样重要。药物在疾病部位的浓度决定了剂量的有效性和副作用的影响,这反过来也说明了各种给药方法的效率。药理学研究是通过药物的药代动力学和药效动力学测量来指导的,这类研究通常需要筛选大量的样本。速度、灵敏度、空间分辨率和特异性通常决定定量质谱成像方法的效率。

  MALDI-2源与timsTOF-fleX的结合可以通过离子迁移率来分离同重离子,进而显著提高目标化合物在复杂分子环境中定量的灵敏度和特异性。在较低的质荷比(m/z)范围内,来自基质离子和高电荷态分析物离子(如二聚体)的同重和近同重干扰会影响质谱线性动态范围,使得MALDI图谱变得复杂。结果表明,通过平行累积连续碎裂(PASEF)和对应的四极杆隔离,把离子富集和选择性洗脱结合提高了灵敏度[2]。

  传统MALDI成像在类固醇分析上受到限制,类固醇的重要性是什么和如何解决?

  类固醇是一类重要的生物化合物,利用MALDI成像技术研究类固醇的分布,越来越受到人们的关注。类固醇激素作为细胞膜重要的组成部分,它影响了细胞膜的流动性和细胞信号传导。在植物、动物和真菌中,人们已经发现了数百种类固醇。由于类固醇的非极性结构,如果没有使用特殊的组织内衍生化方法,传统的MALDI成像无法很好地将其离子化。MALDI-2能很好解决这一问题。研究表明,根据分析物和其浓度,MALDI-2技术可使类固醇的检测灵敏度提高2-3个数量级[3]。

  怎么看待MALDI成像的未来?

  事实证明,MALDI成像是一种功能强大的质谱工具,可以对切片样本在没有标记的情况下,绘制从小分子代谢物到大分子蛋白质分布图。由于MALDI成像技术的非标记特点,以及通过分子量以及碰撞截面区分化合物的能力,该技术的应用领域将被扩展和更广泛。

  MALDI成像技术适用于靶向和非靶向研究。使用MALDI成像的非靶向研究贯穿于整个临床研究,其目的是利用区域特异性来发现疾病的新生物标志物和治疗方法。MALDI成像还提供靶向治疗药物及其代谢物分布的直接监测,革新了临床前药物开发流程。此外,该技术的非标记特点使得从相同的靶标数据集中挖掘非靶标药效学数据成为可能。围绕植物、高分子和微生物的MALDI成像新应用也正在兴起。最终,MALDI成像将影响疾病的治疗。随着这项技术不断发展,仪器设备不断进步,越来越多的分析和检测可以从MALDI成像中获益。