質(zhì)譜成像技術(shù)(massspectrometry imaging, MSI)是基于質(zhì)譜發(fā)展起來(lái)的一種分子影像技術(shù)，通過(guò)直接掃描生物樣本，可以同時(shí)獲得多種分子的空間分布特征，具有免熒光標(biāo)記、不需要復(fù)雜樣品前處理等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)、藥學(xué)、微生物學(xué)等研究領(lǐng)域關(guān)鍵技術(shù)之一。
近日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)國(guó)家同步輻射實(shí)驗(yàn)室潘洋教授、劉成園副教授課題組與生命科學(xué)學(xué)院田長(zhǎng)麟教授合作，發(fā)展了常壓透射式激光解吸/后光電離(t-AP-LDI/PI)的質(zhì)譜成像新方法，以實(shí)現(xiàn)對(duì)生物組織中多種內(nèi)源性化合物的原位可視化分析。研究成果以“Development of Transmission Ambient Pressure Laser Desorption Ionization/Postphotoionization Mass Spectrometry Imaging ”為題，于2024年3月25日以封面文章形式發(fā)表在分析化學(xué)領(lǐng)域知名期刊《Analytical Chemistry》(DOI:10.1021/acs.analchem.3c05605)，該研究成果在課題組前期基于解吸電噴霧電離/后光電離基礎(chǔ)上(Analytical Chemistry, 2022, 94, 15108；Analytical Chemistry, 2019, 91, 6616)，進(jìn)一步提升了成像空間分辨率和靈敏度。
圖1.封面圖和t-AP-LDI/PI-MSI裝置工作原理圖
常壓質(zhì)譜成像技術(shù)(Ambient MSI, AMSI)因可在大氣壓環(huán)境下直接對(duì)組織中化合物進(jìn)行解吸和電離而受到關(guān)注。在傳統(tǒng)質(zhì)譜成像技術(shù)中，待測(cè)物一般通過(guò)帶電液滴和激光從組織表面解吸、電離，繼而到達(dá)
質(zhì)譜儀被探測(cè)。基于液滴解吸電離的AMSI技術(shù)的空間分辨率較低(最高可達(dá)25 μm)，且難以避免相鄰像素點(diǎn)的干擾。與帶電液滴相比，激光在AMSI實(shí)驗(yàn)中可同時(shí)用于解吸和電離，同時(shí)由于其優(yōu)異的聚焦性能，目前已開發(fā)了多種基于激光的具有高空間分辨率的MSI方法。然而，這些技術(shù)存在一些共同的局限性：(Ⅰ) 離子化效率低于1/1000，即絕大部分待測(cè)物解吸后仍然是中性分子；(Ⅱ) 生物組織表面高鹽的基質(zhì)環(huán)境對(duì)待測(cè)物產(chǎn)生離子抑制。此外，在基于激光的高分辨率MSI實(shí)驗(yàn)中，還存在靈敏度和空間分辨率之間的權(quán)衡。考慮到此類實(shí)驗(yàn)中每像素點(diǎn)內(nèi)可供解吸的化合物含量極低，因此激光燒蝕物質(zhì)的有效電離對(duì)于實(shí)現(xiàn)高分辨率MSI至關(guān)重要。
t-AP-LDI/PI技術(shù)的關(guān)鍵是將透射式激光解吸電離和緊湊型后紫外光電離裝置結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)對(duì)多種極性和非極性分子的高空間分辨率成像(4 μm)，后光電離的引入可將組胺、腺苷、膽堿、腺嘌呤、維生素D3、膽固醇、谷氨酸、蘇氨酸、鳥嘌呤、神經(jīng)酰胺、以及多種脂質(zhì)如脂肪酸、PE、PA、MAG、DG、HexCer和GalCer等的探測(cè)靈敏度提高2-3個(gè)量級(jí)。圖2是小鼠海馬組織的4 μm高分辨成像圖，海馬組織的亞區(qū)結(jié)構(gòu)如齒狀回、上丘臂和海馬角等均可以被明顯地觀測(cè)到。
圖2.(A)激光燒蝕鼠腦組織后產(chǎn)生的痕跡；(B)激光燒蝕組織后產(chǎn)生線寬的散點(diǎn)圖；(C-P)小鼠海馬組織光學(xué)圖及代表性化合物成像圖。
本工作進(jìn)一步測(cè)試了t-AP-LDI/PI-MSI方法在復(fù)雜臨床樣本分析中的適用性(圖3)。腫瘤代謝重編程被認(rèn)為是各種類型癌癥惡性轉(zhuǎn)化的新標(biāo)志。在這部分中將黑素瘤組織詳細(xì)的病理學(xué)檢測(cè)和分區(qū)與內(nèi)源性化合物空間分布相關(guān)聯(lián)，借助代謝通路分析等方法，揭示了黑素瘤微環(huán)境的代謝異質(zhì)性，顯示出腫瘤細(xì)胞異常增殖和侵襲的趨勢(shì)，對(duì)于深入了解腫瘤發(fā)生的復(fù)雜分子機(jī)制具有很大的參考價(jià)值。
圖3.黑素瘤組織的光學(xué)圖及代表性化合物成像圖，(A-K)正離子模式，(L-U)負(fù)離子模式。
本論文第一作者是戚可可博士后，劉成園副教授、田長(zhǎng)麟教授以及潘洋教授為共同通訊作者，該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)科學(xué)院重大科學(xué)基礎(chǔ)設(shè)施基礎(chǔ)研究計(jì)劃項(xiàng)目、中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金和中國(guó)科學(xué)院重點(diǎn)科技人才計(jì)劃項(xiàng)目的資助。(國(guó)家同步輻射實(shí)驗(yàn)室、科研部)
