質譜分子成像技術與應用進展

再帕爾·阿不力孜

（1．中央民族大學 質譜成像與代謝組學國家民委重點實驗室，北京 100081；2．中國醫(yī)學科學院藥物研究所 天然藥物活性物質與功能國家重點實驗室，北京 100050）

當今質譜技術的發(fā)展非常迅猛，新技術或新型質譜儀的研發(fā)“日新月異”，極大地拓展了質譜技術的應用領域。其中，隨著1997年Caprioli等人首次將基質輔助激光解吸電離質譜（MALDI-MS）技術用于生物組織中多肽和蛋白質成像分析后，極大地推動了質譜成像（MSI）技術的發(fā)展［1］。20多年來，因不同原理及多種類型MSI技術的發(fā)展及應用拓展，使MSI成為質譜領域乃至分析化學、分子影像技術以及生物醫(yī)藥等領域的研究前沿與熱點方向之一。MSI技術是一種免標記，不局限于某種特定分子的新型分子成像技術，不僅可同時獲得生物組織或細胞中多種分子的空間分布、相對含量及結構信息，還能夠提供不同生理及病理過程中功能分子的動態(tài)變化與功能關聯(lián)的信息［1-2］。目前，根據不同的離子化方法及工作原理，MSI技術主要分為三大類型：二次離子質譜（SIMS）、MALDI-MSI以及近年來發(fā)展迅速的常壓敞開式離子化質譜成像（Ambient MSI）技術。因MSI技術具有靈敏度高、專屬性好、無需特異性標記、檢測對象廣以及樣品處理簡單等優(yōu)勢，已在化學、醫(yī)學、生命科學、藥學和環(huán)境科學等領域顯示出重大應用前景［2-8］。此外，近年來基于MSI技術驅動發(fā)展的空間分辨代謝組學備受關注，它可實現原位可視化分析與代謝組整體分析的優(yōu)勢互補，獲取具有空間分布特征、時空動態(tài)變化的功能分子全景輪廓信息［9］。

1 質譜分子成像技術與應用

1.1 TOF-SIMS成像技術與應用

SIMS技術是一種基于離子束轟擊被測樣品且需在真空下操作的MSI技術，具有很高的空間分辨率（達nm級水平），因此常被用于單細胞乃至亞細胞水平的MSI分析［2］。SIMS儀分為動態(tài)和靜態(tài)兩種分析模式，二者的區(qū)別主要根據一次離子在樣品內的注入量為標準，通常一次離子束流低于1012個離子/cm2為靜態(tài)SIMS模式，高于該值為動態(tài)SIMS模式；二者常用的離子束種類和質量分析器不同，對樣品表面及其被測物質的破壞程度也不同。其中，以Nano SIMS為代表的動態(tài)SIMS是破壞性更強的一種，通常采用高能量的一次離子束轟擊樣品表面（正離子模式常用O+2離子源，負離子模式為Cs+離子源），主要用于金屬等元素的成像分析。

靜態(tài)SIMS的典型代表是飛行時間二次離子質譜（TOF-SIMS）［2，10］。該技術一般采用雙束離子源，即一個離子源（如Ar+n氬團簇離子）負責對樣品表面進行濺射剝離，另一個離子源常用Ni+3液態(tài)金屬離子槍（團簇離子）等負責被測物的離子化，獲得離子在縱向的分布信息。靜態(tài)SIMS分析要求一次離子束流應低于1012/cm2，以降低一次離子對樣品表面的破壞，使一次離子只與樣品表面的原子層作用，而且團簇離子對于樣品表面及其有機分子的破壞性會變弱，因此TOF-SIMS技術不僅用于生物組織或細胞中的元素分析，還可用于藥物和脂類代謝物等生物及有機分子的成像分析。然而，TOF-SIMS技術需在真空下操作，尤其是對于生物及有機分子的檢測，因其離子化過程主要產生的是碎片離子，難以獲得被測化合物的分子離子等完整結構信息；或者因碎片離子多、其信號強度很高，則會掩蓋分子離子的信號。

近年來，TOF-SIMS技術針對單細胞中生物功能分子的可視化分析取得了重要進展，并拓展了應用領域。例如，Winograd和Ewing課題組采用TOF-SIMS技術研究了四膜蟲融合時細胞膜脂質的變化，發(fā)現在細胞膜融合區(qū)域存在大量高度彎曲的融合孔，且細胞融合是受脂質類化合物的重新排布驅動［10］。該團隊進一步通過對四膜蟲交配過程中多種狀態(tài)的TOF-SIMS成像分析，證明細胞融合過程中片狀磷脂的減少發(fā)生在膜結構變化之后，而非在其之前［11］。Sweedler等［12］通過TOF-SIMS方法對神經元細胞進行成像分析，發(fā)現維生素E分布于單個神經元細胞的胞體與軸突交界處，該結果為缺乏維生素E導致細胞軸突物質轉運減少等提供了重要證據。Gilmore等［13］基于TOF-SIMS技術發(fā)展了三維（3D）MSI方法，成功整合高空間分辨與高質量分辨分析的功能，并將其應用于亞細胞分辨的內源性及外源性代謝物的三維成像分析。由于TOF-SIMS成像方法需在高真空條件下操作，一般不適用于濕細胞的分析，因此往往需將生物樣品冰凍并進行脫水處理，但這會擾亂細胞自然狀態(tài)。Lim等［14］發(fā)展了單層石墨烯輔助的TOF-SIMS成像新方法，成功對溶液中未處理的濕細胞膜進行成像分析，通過石墨烯覆蓋的A549細胞分析，實現了濕細胞膜中膽固醇、磷脂酰乙醇胺和脂肪酸等分子的免標記及原位可視化表征。此外，國內相關課題組在TOF-SIMS成像新方法及其應用方面取得了突出進展。例如，張新榮等［15］基于TOF-SIMS技術和大數據算法發(fā)展了單細胞核空間分辨代謝組學分析方法（SEAM）（見圖1），建立了單細胞水平的空間分辨代謝異質性成像分析新方法，實現了組織原位代謝異質性可視化、單細胞核圖像識別和單細胞聚類與差異化分析，并應用于肝癌病理組織切片的細胞分型研究。汪福意課題組長期致力于TOF-SIMS方法與應用研究，發(fā)展了基于TOF-SIMS和熒光共聚焦顯微鏡聯(lián)用的成像分析方法，并在單細胞水平開展了金屬抗腫瘤化合物、細胞內生物大分子蛋白質與DNA之間的相互作用等研究［16-17］?？傊?，目前TOF-SIMS作為一種高空間分辨的MSI技術成為單細胞分析的重要研究手段，并為復雜生物學問題的闡明提供了新思路與新視野。

圖1 SEAM方法示意圖（A）以及SEAM方法識別小鼠不同組織內不同細胞類型的密度和分布特征（B）［15］Fig．1 Schematic diagram of SEAM（A），and identification of the different types of cells within different tissues，and their distribution characteristics by SEAM（B）［15］

1.2 MALDI-MSI成像技術與應用

自Caprioli等［1］于1997年研發(fā)出可用于生物組織中多肽、蛋白質等分子成像分析的MALDI-MSI技術以來，其在生物大分子的MSI分析方面顯示出獨特優(yōu)勢，并極大地推動了MSI技術的發(fā)展。然而，因采用有機小分子作為輔助基質，低質量端的被測物離子峰易受到基質離子峰的干擾，導致對代謝物等體內小分子的檢測難度大；目前，市場上的主流MALDI-MSI質譜儀存在真空操作、不方便，且因空間有限不適合大體積樣本分析等問題。近年來，科學家和一些企業(yè)致力于高空間分辨、大氣壓下操作、新型基質的MALDI-MSI技術研發(fā)，并拓展了其在代謝物等小分子檢測中的應用。例如，聶宗秀等［18］開發(fā)了N-（1-萘基）乙二胺二鹽酸鹽新型MALDI-MSI方法，并應用于結直腸癌肝轉移過程中代謝物的成像分析；此外該課題組建立了納米材料MSI方法，實現了小鼠肺中大氣碳質氣溶膠顆粒物（PM2．5）多組分的成像分析，獲得碳質氣溶膠中有機碳（OC）和無機碳（EC）的分布差異，并應用于原位肺癌模型分析，發(fā)現OC比EC能夠更深入地進入癌組織區(qū)域［19］。李智立等［20］構建電場輔助循環(huán)噴霧系統(tǒng)，提高了基質噴涂的均勻度并促進被測物與基質共結晶，實現代謝物的成像分析。王曉東等［21］發(fā)現3，4-二甲氧基肉桂酸這種新型安全的綠色基質，實現了動物和植物組織樣本中小分子化合物的成像分析。郭寅龍等［22］采用衍生化反應的MALDI-MSI方法，實現了甲狀腺癌組織中磷脂和脂肪酸的成像分析。隨著新型基質及衍生化試劑的研發(fā)，MALDI-MSI技術不僅可以檢測分子量較大的脂質類代謝物，還可以實現氨基酸等小分子化合物的成像分析，但因某個基質一般只適合某類代謝物，總體上對體內代謝物的檢測仍存在覆蓋度低、分析通量有限等問題。此外，MALDI-MSI的空間分辨率通常在10 μm以上，這限制了單細胞水平的成像分析，為克服這一難題，國內外多個課題組經過改進技術與方法，取得了很好的進展。例如，杭緯等相繼研發(fā)出針尖增強解吸質譜儀［23］、近場解吸成像質譜儀［24］、微透鏡光纖激光解吸電離質譜儀［25］等新儀器，成功實現單細胞內藥物分子的3D成像分析［26］（見圖2），獲得藥物在單細胞內的空間分布結果，并直觀地揭示了抗癌藥物誘導癌細胞凋亡的動態(tài)過程。蔡宗葦等［27-28］研發(fā)出冰凍3D細胞微球方法用于MSI分析，并結合代謝組學揭示了環(huán)境污染物對細胞球增殖的影響。

圖2 微透鏡光纖激光解吸電離MSI技術揭示單細胞內藥物的三維空間分布［26］Fig．2 Nanoscale three-dimensional imaging of drug distributions in single cells via laser desorption post-ionization mass spectrometry［26］

另外，值得指出的是德國吉森大學Spengler團隊致力于高空間分辨的大氣壓MALDI離子源及其MSI技術的研究。他們采用獨特的激光束與離子流同軸設計，實現大氣壓條件下的激光解吸離子化，研發(fā)出TransMIT AP-SMALDI 5 AF高分辨與自動聚焦3D快速MSI系統(tǒng)［29］，其空間分辨率可達3 μm；自動聚焦MALDI-MSI技術能夠提升檢測效率與分析通量，可實現組織切片和非平坦表面的三維化學形貌以及生物樣品的高分辨、高速掃描及成像分析。從目前的結果來看，該系統(tǒng)主要針對脂質類代謝物的檢測，且靈敏度有待提高。此外，近期Capolupo等［30］采用高分辨AP-SMALDI 10和AP-SMALDI 5 AF MSI技術，結合單細胞mRNA測序，解析真皮成纖維細胞的脂質組學和轉錄組學信息，發(fā)現真皮成纖維細胞存在多種脂質組成狀態(tài)，且脂質在決定細胞狀態(tài)中起著驅動作用。該研究表明單細胞脂質組與轉錄組之間存在緊密聯(lián)系，細胞特定脂型影響信號受體的活性，促進細胞不同的轉錄狀態(tài)。

1.3 Ambient MSI成像技術與應用

自美國普渡大學Cooks等［5］在2004年開發(fā)出解吸電噴霧離子化（DESI）技術以來，在敞開環(huán)境下樣品無需復雜前處理的離子化新技術（Ambient ionization）的研究與應用成為質譜領域最受關注的前沿方向之一，并相繼出現實時直接分析（DART）、介質阻擋放電離子化（DBDI）、低溫等離子體（LTP）、電噴霧萃取電離（EESI）、解吸常壓化學電離（DAPCI）、大氣壓固態(tài)分析探針（ASAP）、激光燒蝕電噴霧電離（LAESI）、紙噴霧/葉噴霧/組織噴霧電離（PSI/LSI/TSI）、等離子體輔助多波長激光解吸離子化（PAMLDI）、表面輔助激光解吸附離子化（SALDI）和空氣動力輔助離子化（AFADESI）等至少40余種不同原理的常壓敞開式離子化新技術。新型離子化技術的出現為MSI技術提供了新的發(fā)展契機，近年來這種敞開環(huán)境下操作便捷的MSI技術及其應用取得了重要進展。DESI-MSI技術對于生物組織中小分子化合物的成像分析效果好，并被用于腦、乳腺、胃腸道等不同類型組織及腫瘤組織中代謝物等化學組成的分析［31-35］。斯坦福大學研究人員采用DESI-MSI技術結合組織病理信息，通過表征脂肪酸等脂質類代謝物的組成與空間分布，實現了不同類型臨床神經膠質瘤的異質性區(qū)分及分子診斷［36-37］（見圖3）。Unsihuay等［38］通過構建便攜式nanoDESI-MSI技術平臺，并將其與離子淌度質譜儀耦合，實現了生物組織中同分異構體的識別和成像分析。潘洋等［39］發(fā)展了一種基于DESI的二次光電離質譜成像技術（DESI-PI-MSI），提高了小鼠腦切片中脂質類代謝物的檢測靈敏度。Santoro等［40］采用DESI-MSI技術，結合組織病理信息，實現了浸潤性乳腺癌和導管原位癌的分子分型。

圖3 DESI-MSI對臨床神經膠質瘤組織異質性微區(qū)的表征［37］Fig．3 Characterization of heterogeneity in glioma tissue by DESI-MSI［37］

此外，Eberlin等開發(fā)了簡易敞開式聲波噴霧離子化技術（EASI）［41］，并采用EASI-MSI技術實現了細菌瓊脂培養(yǎng)物的成像分析［42］。Vertes等研發(fā)出一種LAESI技術［43］，利用LAESI-MSI實現了富含水分的小鼠腦組織中小分子及脂質類代謝物的成像分析［44］，并通過將不同深度的獨立二維成像相疊加獲得三維組織成像結果［45］。Fernández等［46］開發(fā)了一種紅外激光消融亞穩(wěn)誘導化學電離（IR-LAMICI）技術，通過將樣品表面的分子消融并解吸，使被分析物與處于激發(fā)態(tài)的亞穩(wěn)態(tài)氣體分子相互作用而實現離子化，并對小分子進行成像分析。Feider等［47］研發(fā)出基于液相微連接表面采樣探針（LMJ-SSP）的敞開式MSI方法，實現了大鼠腦組織、人卵巢癌組織和正常組織切片中磷脂酰膽堿和多種蛋白質的成像分析。

近年來，我國科技人員亦開發(fā)出一系列新型敞開式離子化技術，其中一些技術作為MSI方法應用于分子可視化分析。例如，張新榮等利用低溫等離子體（LTP）低溫無損等特點，研發(fā)出一種新型結構的LTP探針離子化技術［48］，建立了樣品表面原位無損分析的MSI方法［49］，并基于印章油墨成分的MSI分析，實現了藝術品真品與贗品的鑒別。劉虎威等通過整合三波長激光解吸附，利用等離子體對解吸的樣品進行離子化，并與薄層色譜技術聯(lián)用，開發(fā)了PAMLDI技術［50］及其敞開式MSI方法［51］，實現了印章、打印字以及中藥黃芩中有效成分分布的成像分析。

本課題組與清華大學王曉浩課題組合作，2005年以來致力于常壓敞開式離子化及其MSI技術的研究，研發(fā)出新型的空氣動力輔助離子化技術（AFADESI）［52］（見圖4）。該技術擴展了待測樣品空間和操作靈活性，提高了敞開式離子化質譜技術的離子化效率及檢測靈敏度?；贏FADESI技術的特點，進一步研制出便捷、高靈敏的質譜分子成像技術與裝置（AFADESI-MSI）［53-58］和辨識度強的MSI軟件MassImager［59］。近年來，先后建立了無需切割的整體動物體內藥物分析MSI方法［53］，無需添加內標的虛擬校正定量MSI分析方法［55］，高靈敏、高覆蓋的代謝物MSI分析新方法［57］（見圖5）和水凝膠輔助組織原位衍生化的MSI分析方法［58］等一系列成像分析新方法。采用建立的方法實現了藥物靶向分布表征、腫瘤原位標志物篩查、組織微區(qū)中功能代謝物的精準表征；同時解決了低豐度或難電離分子的MSI檢測技術難題，實現了高覆蓋、寬動態(tài)范圍的十余種1 500個代謝物的成像分析等。

圖4 空氣動力輔助離子化技術原理示意圖［52］以及離子源與成像裝置圖Fig．4 Schematic diagram［52］and device of AFADESI

圖5 高靈敏、高覆蓋的代謝物分析AFADESI-MSI成像方法［57］Fig．5 A sensitive and wide coverage ambient mass spectrometry imaging method by AFADESI-MSI［57］

可見，敞開式離子化質譜及其Ambient MSI技術推動了MSI技術的新發(fā)展，并拓展了MSI技術在生命科學、醫(yī)學和藥學等領域的應用途徑。然而，Ambient MSI技術的空間分辨率低（一般為50~100 μm），限制了單細胞水平的成像分析；同時針對生物組織中不同類型分子，尤其是低含量或難電離的化合物，還需要發(fā)展基于化學選擇性的手段來提高全面的離子化效果，解決原位信號放大及檢測靈敏度等難題。

2 空間分辨代謝組學方法與應用

近20年來，代謝組學及其應用取得迅速發(fā)展，成為生命組學的重要組成部分，已在化學、生物學、生命科學、醫(yī)學及藥學等領域顯示出巨大發(fā)展前景。其中，單細胞代謝組學入選IUPAC“2021年度化學領域十大新興技術之一”，更加備受關注。此外，空間分辨多組學入選Nature雜志“2022年度七大榜單技術”，其中空間分辨代謝組學是很重要的發(fā)展方向，因此將MSI技術與代謝組學整合，發(fā)展空間分辨代謝組學方法，可實現代謝組整體分析與原位可視化分析的優(yōu)勢互補，更有利于獲取具有空間分布特征、時空動態(tài)變化的綜合分子輪廓信息［9，60］。深入開展生物組織中代謝物的成像與原位分析，能夠深層次地理解其在生命活動及病變過程中的作用和機制［61］，尤其是發(fā)展單細胞空間分辨代謝組學方法，可發(fā)掘代謝組在組織微區(qū)和細胞間的差異分布，實現微環(huán)境中不同代謝特征細胞的分子識別與分型精準表征［62-64］。

需要指出的是，發(fā)展空間分辨代謝組學可為組織代謝異質性及細胞微環(huán)境的分子可視化研究提供新的創(chuàng)新手段。其中，惡性腫瘤在演進過程中，腫瘤細胞及其微環(huán)境表現出高度的空間與時間異質性［65］；腫瘤異質性及其微環(huán)境是癌癥治療失敗和產生耐藥性的關鍵因素，較低的腫瘤內異質性與患者預后良好之間存在高度相關性［66-67］，也有可能是免疫治療成敗的決定性因素［68］；而腫瘤間異質性是腫瘤分子分型、分級和分期的生物學基礎［69］。此外，腫瘤代謝異質性是腫瘤異質性的重要表現形式［70］；而腫瘤細胞的代謝表型不僅與基因型相關，也與腫瘤微環(huán)境密切相關，可直接反映基因與環(huán)境的共同作用，這為研究腫瘤異質性提供了新的思路［71］。因此，發(fā)展空間分辨代謝組學或單細胞空間分辨代謝組學新方法，對全面了解生物組織或細胞微環(huán)境的功能分子構成及其動態(tài)變化具有重要意義，尤其為疾病發(fā)病機制與診療新技術研究、藥物耐藥性、藥物靶向精細化分布表征及藥效作用與毒性機制研究甚至新作用靶點的發(fā)現等諸多研究領域提供新的視角和創(chuàng)新手段。

本課題組將AFADESI-MSI技術與代謝組學相結合，2015年在國際上首次提出了質譜成像代謝組學新方法（Ambient mass spectrometry imaging metabolomics method）［60］（見圖6）；研究表明，MSI這一可視化分析技術與液相色譜-質譜（LC-MS）、氣相色譜-質譜（GC-MS）等手段相比，在代謝組原位表征方面顯示出獨特優(yōu)勢。幾乎同時Takats等［72］基于DESI-MSI技術提出空間分辨代謝表型（Spatially resolved metabolic phenotyping）分析方法，并應用于乳腺癌的研究。之后上述提法演變?yōu)椤翱臻g分辨代謝組學”，并與空間分辨轉錄組學等其它組學構成空間分辨多組學技術而被高度關注。這些年，本課題組系統(tǒng)開展了基于AFADESI-MSI技術的空間分辨代謝組學分析方法及其應用研究［60，73-80］，將建立的方法用于候選新藥的藥效機制及中藥活性成分的毒性機制研究［60，74］，提出“下游代謝物與上游代謝酶關聯(lián)”表征腫瘤代謝改變的研究策略，發(fā)現食管癌代謝特征與異常表達的6個關鍵代謝酶［73］（見圖7），并在腫瘤小分子標志物的原位篩查與癌癥的分子分型［75-76］，腫瘤異質性研究［77］，糖尿病腎病/腦病發(fā)病機制以及藥物干預作用［78-79］和大鼠腦代謝網絡表征新方法［80］等方面取得重要進展。

圖6 質譜成像代謝組學方法及其候選新藥作用機制的研究［60］Fig．6 MSI metabolomics method and its application in the mechanism research of drug candidate［60］

圖7 食管癌異常表達相關的谷氨酰胺代謝通路中關鍵代謝物及代謝酶的原位可視化表征結果［73］Fig．7 In situ visualization of key metabolites and enzymes in glutamine metabolism pathway associated with abnormal expression in esophageal cancer［73］

3 結論與展望

質譜技術以其廣譜性、靈敏度高、特異性好和檢測動態(tài)范圍寬等特點成為目前最主要的分析手段之一，并顯示出很強的生命力和發(fā)展空間。而將質譜分析與影像技術相結合的質譜分子成像技術，作為免標記、高覆蓋、高靈敏、檢測范圍廣的原位可視化分析手段，不局限于生物組織或細胞中某種特定分子，可對已知和未知（目標/非目標）的多種類分子進行成像分析，同時獲得不同分子的空間分布、相對含量及結構信息，實現其分子的定性、定量與定位分析，還可提供不同生理及病理過程中功能分子的動態(tài)時空變化信息等，而備受關注。因此，目前MSI技術成為質譜領域乃至分析化學領域的研究前沿和熱點方向之一，并在化學、醫(yī)學、生命科學、藥學和環(huán)境科學等領域顯示出重大應用前景。此外，MSI技術是單細胞可視化分析和空間分辨代謝組學的強有力分析手段，并可發(fā)揮不同MSI技術的優(yōu)勢與功能特點，從動物或器官組織的整體、微區(qū)、單細胞等不同空間尺度，獲取具有空間分布特征、時空動態(tài)變化的功能分子全景輪廓信息，有利于發(fā)展多層次的空間分辨代謝組學方法。更高的空間分辨率和更高的靈敏度仍是今后MSI技術的重點發(fā)展目標，而單細胞、3D和定量MSI方法的研究是需要關注的重要發(fā)展方向。此外，先進的質譜成像軟件和海量數據挖掘系統(tǒng)的開發(fā)將促進MSI技術的快速發(fā)展。

致謝：感謝參與相關研究工作的本課題組所有老師、研究生和合作單位人員。本課題組研究工作先后得到多項國家自然科學基金專項項目、面上項目、重點項目和國家重大科研儀器研制項目（21927808，21335007，81373370等），“863”計劃（生物和醫(yī)藥技術領域）項目（2014AA021100）和科技部國家重大科學儀器設備開發(fā)專項（2011YQ17006702）等項目的支持。此外，臧清策博士、王超英博士等人為本綜述的撰寫整理提供了幫助及有關材料。對于所有相關人員和資助項目等謹表衷心感謝！