空間代謝組學

空間代謝組學是質譜成像技術的一種，又叫AFDESI-MSI。

基本介紹

• 中文名：空間代謝組學
• 別名：AFDESI-MSI
• 類別：質譜成像技術

概念介紹

空間代謝組學作為一種新型的分子影像技術能夠直接從生物組織中獲得大量已知或未知的內源性代謝物和外源性藥物等分子的結構、含量和空間分布信息。相對於其他成像方法（如螢光成像、放射性標記成像等），該技術無需化學或放射性標記、不需複雜樣品前處理，具有高特異性、高通量和空間信息保留的突出優勢。

質譜成像技術可以實現生物組織中上千代謝物的定性、定量和定位分析，結合生物信息學分析，發展為空間代謝組學方法，可從生物組織原位發現差異代謝物，並識別其生物學功能。

概念

空間代謝組是基於質譜成像技術發展而來的，免標記、無需基質、周期短。通過質譜成像技術對不同組織器官中的代謝物進行定性、定量、定位三個維度的分析，突破傳統代謝組研究損失空間信息的瓶頸。空間代謝組學作為一種新型的分子影像技術，能夠直接從生物組織中獲得大量已知或未知的內源性代謝物和外源性藥物等分子的結構、含量和空間分布信息。

圖1 | 不同質荷比大小的代謝物在大鼠腦中的空間成像

技術原理

空間代謝組在解吸電噴霧電離質譜成像（DESI-MSI）技術上進一步升級，形成了空氣動力輔助離子化解吸電噴霧電離質譜成像（AFAI-MSI）技術。利用空氣流與傳輸管對帶電液滴進行遠距離傳輸，傳輸管中的帶電液滴在高速氣流和電壓的作用下進一步脫溶劑、富集、離子化，繼而提高檢測靈敏度，同時擴展了待測樣品的空間和操作靈活性，不僅適用於單一組織樣本，也適合於大體積樣品的遠距離離子採集和成像分析。

圖2 | AFAI-MSI空間代謝組技術原理圖

技術流程

從樣本接受到空間代謝組學的標誌物篩選

（1） 在電噴霧毛細管噴嘴上施加一定高電壓，噴霧溶劑從霧化器的內套管中流出，由外套管中噴出的高壓氮氣迅速將噴霧溶劑霧化形成帶電噴霧液滴；

（2） 噴出的高速帶電液滴轟擊待測樣品表面，在溶劑萃取作用下樣品同時被解吸與電離；

（3） 含有被測樣品的帶電液滴迅速發生去溶劑化作用，從質譜分析器的採集錐孔進入分析器並被檢測；

（4）樣品固定在承載平台，連續或脈衝移動承載平台對樣品進行二維掃描；

（5）同時質譜儀記錄質譜信號強度獲得樣品表面的分子及其含量；

（6）這些信息通過質譜圖像分析軟體轉換後，即可獲得選擇離子或離子群的二維空間強度分布圖；

常見質譜成像技術區別

技術特點

高靈敏度：靈敏度可達pg級別

含量為pg級的硫苷脂類代謝物在大鼠腦的成像圖

寬動態範圍：數量級10

甘油磷脂醯膽鹼在大鼠腎組織不同區域呈3個數量級梯度差異

高覆蓋度：涵蓋多種類型小分子代謝物膽鹼類、多胺類、胺基酸類、肉鹼類、核苷類、核苷酸類、有機酸類、碳水化合物類、膽固醇類、膽酸類、脂質類等多種類代謝物。

空間代謝組學

高特異性

• 高分辨分析器+強分辨力軟體

• 實現m/z 相近代謝物的準確識別

• Δm/z =0.001

高異質性

適用對象

小鼠/大鼠：腦、腎、心、肝、脾、脊髓、垂體、胰腺、皮膚、整隻小鼠/大鼠

腫瘤組織：食管癌、甲狀腺癌、肺癌、乳腺癌、胃癌、腦膠質瘤、鼻咽癌、皮膚癌、肝癌

植物組織：根、種子

套用方向

醫學領域

• 疾病分子機制，如阿爾茨海默症、抑鬱、腦缺血、糖尿病、心血管疾病等；

• 生殖發育學，如胚胎、器官發育過程中代謝調控和代謝表型等；

• 腫瘤代謝與腫瘤免疫，如腫瘤代謝微環境與腫瘤免疫逃逸等；

• 腫瘤分子病理診斷、分子分期/分型、生物標誌物篩選等；

• 腫瘤耐藥與精準用藥研究等；

• 環境毒理學，如環境污染物的體內毒性效應和分子機制等；

• 新藥藥理和毒理，如藥物的空間分布和體內效應和分子機制等；

農林牧漁領域

• 發育學，如種子、胚胎、器官發育過程中的空間代謝調控等；

• 分子機制，如鹽脅迫、病毒/真菌侵染、光合作用等機制研究；

• 基因調控機制，如轉基因、基因沉默、基因敲除後代謝物變化的機制研究，了解基因與代謝物之間的精確關係等；

•植物與環境互作研究，如昆蟲選擇性侵害植物部位、土壤與根部互作研究等；

• 植物藥用成分定位；

樣本準備指南

樣本類型

• 未經過福馬林浸泡、HE染色，螢光標記等處理的新鮮組織樣本；

• 小至直徑2mm*2mm，大至整隻大鼠、小鼠（15cm×10cm）。常規樣本大小為1cm左右；

送樣準備

（1）實驗前準備

• 預冷生理鹽水

• 50mL離心管中

• 封口膜或保鮮膜、錫箔紙、乾冰、液氮、濾紙片、鑷子、記號筆等；

（2）樣本處理流程

（3）送樣流程

• 乾冰寄送時，將樣本盒埋沒於乾冰中，保證其上下都有乾冰覆蓋；

• 乾冰的量根據每天4公斤來計算，使用厚實（2cm以上厚度）的泡沫箱寄送。

（4）送樣注意事項

•在允許的條件下，建議多準備一份樣品作為備用；

• 樣本質量是影響實驗結果的最關鍵因素，因此在採集、製備、貯存、運輸過程中應儘可能地做到迅速，最大限度的縮短樣本從採集到實驗的時間。

樣本常見問題

| 空間代謝組一般建議多少生物學重複？

• 對於個體差異比較小的樣本類型生物學重複建議每組至少3重複；

• 對於群居性較大型動物（牛、羊、豬等），建議5重複；

• 對於臨床樣本，個體差異非常大，建議每組≥5重複；

| 組織需要灌流處理嗎？

建議不進行灌流，灌流液有可能帶走一些水溶性的代謝物，灌流力度不合適，也會造成組織結構的改變。但若不考慮水溶性代謝物或者想要排除血液中代謝物，那么可以考慮灌流。

| 如何選擇合適的切面？

切面取決於客戶的研究目的，切片需要涵蓋研究關注的區域，特別是像腦組織等具有複雜結構的組織或有特殊要求的。建議客戶到公司共同完成切片的過程，提高切片的成功率，也減少中間溝通的時間成本；像腫瘤組織，最好能包含癌、癌旁和癌遠端組織，一般選擇最大截面進行切片。