空间代谢组原理

质谱成像（Mass Spectrometry Imaging, MSI）作为一种新型的分子影像技术，能够直接从生物组织中获得大量已知或未知的内源性代谢物和外源性药物等分子的结构、含量和空间分布信息。相对于其他成像方法（如荧光成像、放射性标记成像等），该技术无需化学或放射性标记、不需复杂样品前处理，具有高特异性、高通量和空间信息保留的突出优势。

质谱成像技术可以实现生物组织中上千代谢物的定性、定量和定位分析，结合生物信息学分析，发展为空间代谢组学方法，可从生物组织原位发现差异代谢物，并识别其生物学功能。

 

空间代谢组学

鹿明空间代谢组是基于质谱成像技术发展而来的，免标记、无需基质、周期短。通过质谱成像技术对不同组织器官中的代谢物进行定性、定量、定位三个维度的分析，突破传统代谢组研究损失空间信息的瓶颈。空间代谢组学作为一种新型的分子影像技术，能够直接从生物组织中获得大量已知或未知的内源性代谢物和外源性药物等分子的结构、含量和空间分布信息。

图 1 | 不同质荷比大小的代谢物在大鼠脑中的空间成像

 技术原理

鹿明空间代谢组在解吸电喷雾电离质谱成像（DESI-MSI）技术上进一步升级，形成了空气动力辅助离子化解吸电喷雾电离质谱成像（AFAI-MSI）技术。利用空气流与传输管对带电液滴进行远距离传输，传输管中的带电液滴在高速气流和电压的作用下进一步脱溶剂、富集、离子化，继而提高检测灵敏度，同时扩展了待测样品的空间和操作灵活性，不仅适用于单一组织样本，也适合于大体积样品的远距离离子采集和成像分析。

图 2 | AFAI-MSI 空间代谢组技术原理图

 

技术特点

| 高灵敏度：灵敏度可达pg级别

 

图 3 | 含量为 pg 级的硫苷脂类代谢物在大鼠脑的成像图

 

| 宽动态范围：数量级 10³

图 4 | 甘油磷脂酰胆碱在大鼠肾组织不同区域呈 3 个数量级梯度差异

 

| 高覆盖度：涵盖多种类型小分子代谢物

胆碱类、多胺类、氨基酸类、肉碱类、核苷类、核苷酸类、有机酸类、碳水化合物类、胆固醇类、胆酸类、脂质类等多种类代谢物。

 

| 高特异性

• 高分辨分析器+强分辨力软件
• 实现 m/z 相近代谢物的准确识别
• Δm/z =0.001

图 6 | 大鼠肾脏中 m/z 相近代谢物的空间成像

 

| 高异质性

• 实现组织结构和功能
• 代谢物的识别与特征分布

图 7 | 人食管癌组织中代谢物的高异质性空间分布

 

应用方向

| 医学领域

• 疾病分子机制，如阿尔兹海默病、抑郁、脑缺血、糖尿病、心血管疾病等；
• 生殖发育学，如胚胎、器官发育过程中代谢调控和代谢表型等；
• 肿瘤代谢与肿瘤免疫，如肿瘤代谢微环境与肿瘤免疫逃逸等；
• 肿瘤分子病理诊断、分子分期/分型、生物标志物筛选等；
• 肿瘤耐药与精准用药研究等；
• 环境毒理学，如环境污染物的体内毒性效应和分子机制等；
• 新药药理和毒理，如药物的空间分布和体内效应和分子机制等；

 

| 农林牧渔领域

• 发育学，如种子、胚胎、器官发育过程中的空间代谢调控等；
• 分子机制，如盐胁迫、病毒/真菌侵染、光合作用等机制研究；
• 基因调控机制，如转基因、基因沉默、基因敲除后代谢物变化的机制研究，了解基因与代谢物之间的精确关系等；
• 植物与环境互作研究，如昆虫选择性侵害植物部位、土壤与根部互作研究等；
• 植物药用成分定位；

以上皆为鹿明生物AFADESI技术为主的空间代谢组技术重点应用方向；