【质谱成像讲堂】iMScope QT带你轻松搞定空间代谢组学科研难题!

某科研高校同门师兄弟的日常对话

师兄，刚才导师找我谈话，让我研究下内源代谢物在小鼠肝脏的空间分布，感觉好难，愁死我了…

这有啥难的，遇到难题找“岛津应用云”，我刚在里面看到一篇分享，说岛津有款科研神器，可以准确定位代谢物的空间分布，跟你的课题还挺相似的……

太好了，这可帮我大忙了！

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好，我这就去看看！

什么是空间代谢组学？

举个栗子，如果将空间代谢组学类比于一片田地，那么田地中不同区域会有不同的生长环境，如阳光、水分等，这些因素会影响谷物的生长状况和产量。类似地，生物体内不同组织或细胞也有其特定的代谢环境，比如氧气、营养供应，以及不同代谢途径。

所以，空间代谢组学可以理解为通过对生物组织或细胞中代谢物的研究，来了解生物体内的代谢状态以及生理病理变化。主要关注的是：代谢产物在空间上的分布和不同区域之间的差异。空间代谢组学为我们提供了一种新的视角，帮助我们更好地理解生物体内的代谢过程，并为生物医学研究和临床应用提供支持。

质谱成像技术如何解决空间代谢组学难题呢？

质谱成像技术结合了质谱和空间信息，为我们提供了有关分子分布和代谢状态的关键数据。以MALDI-MSI为例，它的全称是基质辅助激光解吸离子化质谱成像，原理也很简单：首先，激光会照射基质分子与样本表面形成的共结晶上，使样品发生离子化；产生的离子会进入质谱的质量分析器，从而获得样品表面各像素点离子的质荷比和离子强度即1个像素点会生成1张质谱图；再与质谱成像软件结合，获得对应离子的信号强度和其在样本表面的位置，绘制出对应离子在样本表面的二维分布图，即每个目标离子的成像分布图，就可以反映目标代谢物在样本不同位置的分布情况了。

虽然，传统的代谢组学能提供样本整体代谢信息，但无法捕捉到不同区域之间的代谢差异。而质谱成像技术可以在空间上揭示分子的分布。通过将质谱成像与组织学分析结合，我们可以了解不同组织或细胞之间的代谢差异。这有助于我们更准确地定位和理解代谢物的空间异质性，以及分子之间的相互影响。

三大核心法宝，带你轻松搞定空间代谢组学科研难题

光学与成像的精准融合

岛津成像质谱显微镜iMScope QT不仅能对某一细微结构进行特定区域MS采集，还能将成像结果与光学图像进行二合一叠加，比如，观察小鼠肝叶的组织结构，获取感兴趣区域（如小鼠肝门静脉）进行MS采集，后期成像结果也可与光学图像叠加比对，对目标物的空间分布进行原位分析，提高数据的可信度。

5 μm的高空间分辨率

通过成像处理软件IMAGEREVEAL MS来获取目标物的空间分布结果，帮助我们洞察到目标代谢物在样本细微区域（如视网膜色素层）之间的分布差异，揭示生物样本中不同区域之间的代谢差异。

兼容Q-TOF，一机两用

成像系统iMScope QT能够轻松与LCMS-9030连接或分离，方便在质谱成像和高灵敏度LC-MS分析之间切换。不仅可以使用Q-TOF对代谢物进行准确定性和定量分析，也可以将已有的Q-TOF单元与成像单元连接，从而创建一个兼容系统，进行目标代谢物的可视化空间定位分析。

空间代谢组学应用案例分享

案例1：枸杞果实不同发育阶段内源性分子的空间分布

枸杞子作为我国传统名贵中药材，其果实富含糖类、有机酸、黄酮类等内源性分子，会随果实发育而合成和降解，以致其空间分布和含量发生变化。中国科学院兰州化学物理研究所师彦平老师团队首次利用MALDI-MSI表征了枸杞成熟过程中内源分子的分布和变化，发现在枸杞果实所有发育阶段都可以检测到胆碱和甜菜碱，并在S3阶段大量积累（图1）。胆碱是植物中甜菜碱生物合成的必要前体。有趣的是，两个离子的合并图像显示它们在果实中的分布不同（图2）。结果表明甜菜碱生物合成模式伴随果实发育可能在种子和其他组织之间转移。因此，了解甜菜碱等内源物在果实发育过程中的分布，为提高枸杞果实品质和分析其生物合成途径提供重要的科学依据^[1]。

图1. 枸杞果实从S1~S3期的光学和质谱成像图

图2. 胆碱和甜菜碱在种子中的分布.

(a) 光学成像；(b) m/z 104.11和156.04离子成像合并图

案例2：不同地理产地的咖啡豆内源分子的空间分布

咖啡掺假是咖啡贸易中常见的问题。北京大学聂洪港博士团队通过成像质谱技术研究了不同产地咖啡豆内源分子（如咖啡因、糖和有机酸等）的空间分布，并比较了八个国家来源的咖啡豆内源分子差异。采用主成分分析多变量模式识别方法，对八个产地咖啡豆样品的最小二乘数据进行降维处理。结合成像质谱数据处理软件IMAGEREVEAL MS可实现统计学分析功能，对不同地理来源咖啡豆的正离子模式质谱数据进行PCA分析。图4显示了主成分的数量，主成分分析模型两个主成分的得分图 (PC1vsPC2，PC1vsPC3)，显示来自八个地理区域咖啡豆的差异。由此可见，内源代谢物的空间分布信息对于食品质量评估、确定食品来源、安全性是至关重要的^[2]。

图3. 咖啡豆切片中内源物的质谱成像分析

图4. PCA分析. (a) 主成分数，(b, c) 得分图

案例3：细胞内纳米蛋白冠干扰蛋白稳态重塑细胞代谢

国家纳米科学中心陈春英院士团队通过创新应用多维度多组学（蛋白组学、代谢组学、脂质组学）、分子间互作以及原位质谱成像等分析技术，首次揭示了“纳米蛋白冠”的蛋白组成在细胞转运过程中的动态演化模式，并发现该过程扰动细胞蛋白质稳态、能量代谢和脂质代谢过程。借助岛津成像质谱显微镜，可在肿瘤组织内部原位清晰展现出包括磷脂酰胆碱(PC)、磷脂酰乙醇胺 (PE)、磷脂酰肌醇(PI)类脂质等多种成分均发生了明显变化。通过空间可视化成像技术，不仅可实现在分子水平上对纳米粒子和纳米蛋白冠的生物毒理学的有效研究，同时也为纳米搭载生物诊疗试剂和材料的安全性评价提供直观有力的研究手段^[3]。

图5. 纳米蛋白冠引发的脂质代谢

案例4：五味子木脂素通过调控磷脂酰乙醇胺的代谢异常改善NASH

中国药科大学药物科学研究院王广基院士和梁艳教授课题组在考察了五味子木脂素对非酒精性脂肪性肝炎（NASH）治疗作用的基础上，采用蛋白质组学结合脂质组学技术筛选了五味子木脂素对NASH的作用靶标，发现五味子木脂素可通过调控肝脏脂质代谢而发挥对NASH的治疗作用。该研究发现，NASH小鼠肝脏中PE（18:0/18:1）水平显著高于正常小鼠，而外源性PE（18:0/18:1）可通过BAX/BCL2通路诱导小鼠肝细胞凋亡，从而导致NASH小鼠肝损伤进一步加重。五味子木脂素可通过显著降低NASH引起的肝内PE类脂质的暴露水平，抑制小鼠肝细胞凋亡，进而发挥对NASH治疗作用。该研究在促进五味子的二次开发的同时，也为临床治疗NASH的药物开发提供了新策略^[4]。

图6. 不同条件下小鼠肝脏中PE（18:0/18:1）的质谱成像图

（A, B: 对照组和NASH小鼠肝脏；C, D: NASH和NASH+SLE小鼠肝脏）

结语

岛津成像质谱显微镜iMScope QT将光学显微镜的设计理念与形态学图像融合，实现了高速、高灵敏度和高空间分辨率的成像分析。它在研究空间代谢组学领域的代谢物分布上具有显著优势，不仅能细致观察样品形态学，还能获取特定部位的内源分子空间分布信息，为空间代谢组学研究提供可靠稳定的数据支持，同时也拓展了其在相关研究领域的应用潜力。

参考文献

[1]. Zhao W, et al. Visualizing the spatial distribution of endogenous molecules in wolfberry fruit at different development stages by matrix-assisted laser desorption/ionization mass spectrometry imaging. Talanta. 2021, 234:122687, 1-8.

[2]. Li N, et al. Spatial Distribution of Endogenous Molecules in Coffee Beans by Atmospheric Pressure Matrix-Assisted Laser Desorption/Ionization Mass Spectrometry Imaging. Journal of the American Society for Mass Spectrometry. 2020, 31 (12), 2503-2510.

[3]. Cai R, et al. Dynamic Intracellular Exchange of Nanomaterials’ Protein Corona Perturbs Proteostasis and Remodels Cell Metabolism. PNAS, 119(23)(2022), e2200363119.

[4]. Xue L, et al. Schisandra lignans ameliorate nonalcoholic steatohepatitis by regulating aberrant metabolism of phosphatidylethanolamines. Acta Pharm Sin B. 2023 Aug;13(8):3545-3560.

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