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“无微不至”，结构尽现—空间代谢组

发布时间 2022-12-14

了解代谢组学的伙伴们都知道，取一小块动物、植物组织做代谢组学实验，就可以知道其中含有哪些物质，但是代谢物在样本上的空间分布信息损失了。

物质代谢和变化发生的场所息息相关，有没有什么方法既能够了解物质的定性定量结果，又能了解物质的分布情况呢？

1.空间代谢组

空间代谢组学(Spatial Metabolomics)结合了质谱成像(Mass Spectrometry Imaging, MSI)和代谢组学，利用离子源直接扫描生物样品成像，不仅可以鉴定上百种甚至上千种代谢物的结构和相对含量，还可以在同一张组织切片上同时分析大量代谢物的空间分布特征，为传统代谢组学分析提供了全新的可视化视角，实现对代谢物进行定性、定量、定位三个维度的深入分析。

先来看空间代谢组学的主要成果——代谢物空间分布图，一篇空间代谢组文章当中可少不了展示好看的成像图。

图1. 大鼠脑冠状面切片成像图（空间分辨率30μm）

图中以颜色的变化和深浅清晰地展示了物质在不同区域的含量高低，还可以直接与H&E染色结果或者免疫荧光等图像结合来看，更容易了解检测到了哪些代谢物，它们在哪里定位，以及分子之间存在哪些空间上的关联信息。

2.MALDI-MSI基质辅助激光解吸电离质谱成像

百趣空间代谢组学选用TransMIT AP-SMALDI 10，这是由德国吉森大学世界知名质谱学家Bernhard Spengler教授研制开发，并成功商品化的常压基质辅助激光解吸电离离子源，是目前MALDI质谱F成像中分辨率最高的离子源（空间分辨率≤5μm）。

在20世纪90年代末，范德堡大学(Vanderbilt University)的Caprioliet及其同事，首次将MALDI-MSI技术应用于生物组织中的分子成像研究，开启了被称为质谱分析无标记分子成像的研究新领域。现如今MALDI-MSI质谱成像是当前应用最广泛的领先技术，已经在临床疾病、生物学研究、药物开发等各个领域都做出了重大贡献。

图2. TransMIT AP-SMALDI 10质谱成像系统

高空间分辨率——更清晰的成像更微小的细节

空间分辨率指成像中最小像素的直径大小，因此高空间分辨率是准确判断生物组织内化学物质分布的前提条件。AP-SMALDI-MSI可实现5μm的高分辨质谱成像，能够可视化样本代谢成分在细胞水平上的空间分布和细微差别。

图3. 不同空间分辨率下小鼠大脑切片的质谱成像图

在选择合适的空间分辨率时，需要根据关注的样本和组织区域大小来决定。对于小鼠全脑样本，临床组织切片等组织水平样本，空间分辨率选择100μm就能够很好地展示组织结构，如果有进一步需求，还可以选择更高的50μm进行检测，获得更清晰可观的成像图。

对于一些面积较小的样本或感兴趣的区域，例如面积在5mm2以下时，为了使图像拥有足够分辨样本不同结构的清晰程度，就需要更高的分辨率来进行成像。

百趣空间代谢组学提供最高10μm空间分辨率，即使再微小的区域也能够呈现代谢物分布细节。如图在小鼠眼球的视网膜边缘部分，百趣以10μm的高空间分辨率，实现在1.5mm*1.5mm极小区域的质谱成像，并检测得到的脂质数量有150+，清晰展现不同脂质在眼球组织上的分布差异。

图4. 小鼠眼球样本脂质物质的质谱成像图（1.5mm*1.5mm，空间分辨率10μm）

高质量分辨率——更准确的定性

质量分辨率决定了质谱仪区分出两个质量相近离子的质量最小差值。TransMIT AP-SMALDI 10是其基于Orbitrap设计的一款离子源，Orbitrap是近20年来高分辨质谱技术上最重要的突破，该质谱是目前体积最小的高分辨质谱仪。TransMIT AP-SMALDI 10质谱成像系统搭载超高分辨质谱Thermo Scientific™ Q Exactive™，质量分辨率可高达140,000，同时获得高空间分辨率和高质量准确度的双重特性，实现了真正意义上的高分辨质谱成像。

图5. 高质谱分辨率有效区分m/z接近的不同物质

大气压操作环境——更广的检测范围

不需要在真空条件下进行样本分析，质谱检测可以分析的化合物种类范围更广，而且可以避免基质在真空条件下挥发损失造成分子离子峰的信号衰减和成像误差。

TransMIT AP-SMALDI 10离子源与Obitrap高分辨率质谱仪结合独具特色，兼具高空间分辨率、高质量分辨率和质量精度，能够应用于不同组织中多种内源性和外源性物质的可视化检测，如脂类、氨基酸、核酸和糖类等。目前，技术已成功应用于药学、植物学、动物学、环境科学、海洋生物学、微生物学、单细胞研究等众多学科及研究领域，并受到越来越多专家与学者的关注与青睐，多项研究成果发表在Science、Nature Methods、Nature Microbiology、the Plant Journal、New Phytologist、Analytical Chemistry等国际顶级期刊及SCI期刊。