空间代谢组

一、核心价值：为什么是空间代谢组？

传统 Bulk 代谢组：组织匀浆→混合提取→平均化结果，丢失空间异质性（如肿瘤边缘 vs 中心、坏死区 vs 增殖区）。

单细胞代谢组：解离成单细胞→测代谢，但破坏原位结构，丢失细胞微环境与代谢互作。

空间代谢组：完整组织切片原位扫描，一张图同时获得：

是什么：代谢物 / 药物分子身份；

有多少：相对定量（pg 级灵敏度）；

在哪里：微米级空间坐标（可与 HE / 免疫荧光配准）。 直观呈现 “代谢微区”，如肿瘤高代谢灶、免疫细胞代谢热点、药物富集位点。

二、主流技术（MSI 质谱成像三巨头 + 新型平台）

1）MALDI-MSI（基质辅助激光解吸电离，最主流）

原理：切片涂基质→激光逐点扫描→分子电离→质谱检测→生成二维分布热图。

分辨率：5–50 μm（近单细胞）；覆盖：500–2000 种代谢物 / 脂质。

优点：灵敏度高、定量稳、适配冷冻 / FFPE；适合肿瘤、神经组织、药物分布。

 

2）DESI-MSI（解吸电喷雾电离，常压、无需基质）

原理：带电溶剂液滴喷射切片表面→萃取并电离分子→质谱检测。

分辨率：20–100 μm；覆盖：中高极性代谢物、药物。

优点：前处理极简、常压操作、不破坏组织；适合新鲜 / 冷冻组织、活体成像。

 

3）SIMS（二次离子质谱，超高分辨率）

分辨率：1–5 μm（亚细胞）；覆盖：小分子、元素、脂质。

优点：无基质、超高分辨、可测元素；缺点：覆盖低、定量差、仪器昂贵。

4）AFADESI-MSI（气流辅助 DESI，国产高灵敏平台）

在 DESI 基础上加气流辅助，灵敏度提升 10–100 倍，可测低丰度神经递质、激素。

搭配 Orbitrap，高质量精度、可精准鉴定代谢物。

 

三、实验流程（以 MALDI-MSI 为例，5 步出图）

1.      样本制备：新鲜组织→速冻→5–10 μm 冰冻切片（FFPE 需脱蜡）。

2.      基质喷涂：均匀喷基质（如 DHB），形成共结晶。

3.      质谱扫描：激光按网格逐点轰击→每个像素采集一张质谱图。

4.      数据处理：峰提取→代谢物鉴定（数据库匹配）→空间热图生成（与 HE 染色叠加）。

5.      多组学整合：与空间转录组 / 蛋白组配准，构建 “基因 - 蛋白 - 代谢物” 空间调控网络。

 

四、核心应用场景

1）肿瘤研究（最热）

代谢异质性：区分肿瘤中心（高糖酵解）、边缘（高脂质）、坏死区（低代谢）。

边界精准判定：手术切缘代谢标志物，指导精准切除。

免疫微环境：T 细胞 / 巨噬细胞代谢（如乳酸、ATP）空间分布，解析免疫抑制机制。

耐药靶点：耐药亚群特有代谢物（如谷胱甘肽），指导代谢靶向药。

 

2）药物研发（从分子到体内）

原位分布：小分子药物 / 抗体偶联药物（ADC）在肿瘤、器官的富集位点。

药代动力学：吸收、分布、代谢、排泄（ADME）的空间动态。

药效评价：药物诱导的代谢重编程（如凋亡、氧化应激）空间可视化。

3）神经科学

脑代谢图谱：神经元、胶质细胞、突触的代谢物（如谷氨酸、GABA）分布。

疾病机制：阿尔茨海默病（Aβ 斑块周边高氧化脂质）、帕金森病（路易小体代谢特征）。

 

4）发育与疾病机制

胚胎发育：器官发生的代谢轨迹（如心脏、肝脏分化）。

代谢疾病：糖尿病视网膜病变（玻璃体 / 脉络膜代谢异常）、脂肪肝（脂滴分布）。