前沿合作丨岛津成像质谱助力王广基院士团队多项顶尖科研成果

导读

中国药科大学与岛津有着悠久的合作历史，早在2003年就成立了“中国药科大学--岛津药物分析及药代联合实验室”，自合作实验室成立以来，通过双方多年坚持不懈地努力，在药物研发领域取得了骄人的成绩。多年来，中国药科大学江苏药物代谢动力学重点实验室（王广基院士团队）利用岛津的飞行时间质谱LCMS-IT-TOF、MALDI-TOF-TOF、三重四极杆质谱仪LCMS-8050等先进仪器获得了丰硕的科研成果，从而在国内外药物研发领域引起了广泛关注。随着岛津成像质谱显微镜（iMSCope）的推出，中国药科大学王广基院士团队利用该技术在APSB、Phytomedicine、ANAL CHIM ACTA、ANAL BIOANAL CHEM等高水平期刊上发表多篇文章，再次引发了质谱成像技术的现象级研究热潮。

研究成果概览

合作成果1：五味子通过调节磷脂酰乙醇胺的异常代谢改善非酒精性脂肪性肝

非酒精性脂肪性肝炎（NASH）是一种以肝脏脂质代谢紊乱为特征的慢性肝病。目前，国内外对NASH的治疗尚无特效药物。五味子是一种重要的中药材，几个世纪以来一直被用作治疗肝损伤。五味子木脂素提取物（SLE）是五味子的主要有效成分，被认为可能通过缓解NASH引起的脂质代谢紊乱，在NASH的治疗中发挥潜在作用，但具体治疗效果和机制尚不清楚。本研究采用多组学技术筛选了与NASH的进展和治疗相关的特征脂质，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。研究团队在蛋氨酸和胆碱缺乏（MCD）饮食诱导的NASH小鼠模型中发现磷脂酰乙醇胺（PE）的异常积累，而SLE治疗可显著减少肝内PE的积累，此现象通过成像质谱显微镜iMScope QT进行了原位可视化确认。因此，PE可能是治疗脂肪肝，尤其是NASH的一个有希望的治疗靶点。

该研究工作以“Schisandra lignans ameliorate nonalcoholic steatohepatitis by regulating aberrant metabolism of phosphatidylethanolamines”为题发表在国际知名期刊《Acta Pharmaceutica Sinica B》（2023;13(8):3545-3560）上。

小鼠肝脏中PE (18:0/18:1)的MS成像图

合作成果2：磷脂酰胆碱34:1在溃疡性结肠炎发生、发展和治疗中的作用

脂质稳态被认为与肠道代谢平衡有关，它在溃疡性结肠炎（UC）的发病机制和治疗中的作用未得到充分探讨。本研究采用基于LC-QTOF/MS、LC-MS/MS和iMScope系统的脂质组学技术筛选UC患者、小鼠和结肠类器官的特征性差异脂质。磷脂酰胆碱34:1 (PC34:1)被证明是与UC疾病的发生、发展和治疗相关的丰富PC。它是人血清中含量最高的PC，UC患者中降幅最大。iMScope技术使小鼠结肠中PC的空间分布的可视化成为可能。如下图所示，PC34:1（m/z 760.59）和PC34:2（m/z 758.58）在UC小鼠结肠中的MS强度低于对照组小鼠。计算结肠切粘膜上皮（红色区域）和固有肌层（蓝色区域）中PC34:1的含量，发现黏膜中PC34:1水平高于固有肌层。研究显示，UC建模引起的PC合成酶PCYT1a和Pemt的下调是导致PC34:1降低的主要因素，外源性PC34:1可以通过抑制谷氨酸向N-乙酰谷氨酸的转化而大大提高富马酸盐水平，从而发挥抗UC的作用。

该研究工作以“The role of phosphatidylcholine 34:1 in the occurrence, development and treatment of ulcerative colitis”为题发表于国际知名期刊《Acta Pharmaceutica Sinica B》（2023;13(3):1231-1245）。

使用iMScope获得的小鼠结肠PC34:1和PC34:2的MS成像。

(A)对照小鼠结肠MS成像；(B)UC模型急性期小鼠结肠MS成像。

合作成果3：基于脂质代谢调节的地榆皂苷治疗溃疡性结肠炎质量标记物及分子机制研究

地榆皂苷提取物（SSE）是地榆的主要活性成分，具有抗炎、抗菌、抗氧化等多种药理活性。本研究探讨了SSE对溃疡性结肠炎（UC）的治疗效果、药效物质基础质量标志物（Q-Marker）和潜在的作用机制。研究发现，胃内给予SSE可显著减轻DSS诱导的结肠损伤的症状，显著改善UC小鼠异常的脂质代谢。磷脂酰胆碱（PC）34:1在UC发病机制中的作用已在我们前期研究中得到阐明。成像质谱显微镜被证明在评估组织中内源性和外源性成分的空间分布方面具有很大的潜力。本文利用iMScope对PC34:1和PC34:2的空间分布进行了研究。结果显示，UC小鼠结肠中PC34:1和PC34:2的MS强度远低于对照组，SSE治疗小鼠显著恢复了这些PC的含量。在此，SSE有效逆转了UC小鼠中PC的代谢紊乱，并通过上调磷酸胆碱胞苷转移酶（PCYT1α）的表达，将PC34:1的水平提高到正常水平。我们的数据创新性地表明，SSE可以通过逆转DSS模型诱导的PC代谢紊乱来显著缓解UC的症状，是一种潜在的UC治疗候选药物。

该研究工作以“Insights into Q-markers and molecular mechanism of Sanguisorba saponins in treating ulcerative colitis based on lipid metabolism regulation”为题发表在《Phytomedicine》（116 (2023) 154870）上。

应用iMScope获得的小鼠结肠内PC34:1和PC34:2的空间分布

合作成果4：小鼠靶组织中奥曲肽药代动力学研究

成像质谱法在药物代谢动力学研究中的应用由于其定量能力较弱而面临挑战。本文首次验证了配备了光学显微镜、AP-MALDI离子源和四极杆离子阱飞行时间（QIT-TOF）的成像质谱显微镜（iMScope）可用于可视化体内药物的分布。首先基于iMScope系统结合新颖的相对暴露策略确定的数据计算了治疗性肽奥曲肽的分布和消除率。微斑点像素到像素定量的iMScope提供了奥曲肽在薄胃/肠切片中的相对量，同时保留了其原有的空间分布。给药小鼠胃的图像清楚地显示了奥曲肽从粘膜层到肌肉侧的运输过程。更重要的是，奥曲肽在肠道中消除迅速，吸收峰时间(Tmax)出现在40 min，根据消除曲线计算出半衰期(t1/2)为37.7 min。与LC-MS/MS数据的比较充分表明，基于iMScope的定量方法对药物的药代动力学研究是可靠和可行的。

该研究工作以“Pharmacokinetic study based on a matrix-assisted laser desorption/ionization quadrupole ion trap time-of-flight imaging mass microscope combined with a novel relative exposure approach: A case of octreotide in mouse target tissues”为题发表在Analytica Chimica Acta（2017; 952:71-80）。

奥曲肽在给药后10 min (A)、20 min (B)、40 min (C)、60 min (D)、120 min (E)后的空间分布和消除情况(A1 ~E1:小鼠胃的显微光学图像; A2 ~E2:奥曲肽MS成像图)

合作成果5：氧化石墨烯（GO）作为MALDI辅助型基质的可行性研究

基质辅助激光解吸/电离(MALDI)分析的主要障碍是结晶不均匀、重现性差和灵敏度低。为了有效提高MALDI质谱分析(MS)的性能，首先将氧化石墨烯(GO)作为传统基质DHB、CHCA、THAP和SA的辅助基质，在不同MALDI质谱系统上进行小分子和生物大分子的分析。结果表明，与单一使用的DHB基质相比，DHB-GO复合基质在iMScope上具有更好的晶体均匀性、更好的再现性、更高的灵敏度和更好的线性度。THAP对脂质分析的能力通过氧化石墨烯的联合使用而大大增强。实验还发现，CHCA氧化石墨烯对多肽具有良好的分析性能。SA-GO复合基质可大大提高完整蛋白的灵敏度和重现性。更重要的是，复合基质具有较好的重现性，充分表明低浓度(0.1 mg/mL)氧化石墨烯几乎不会对MALDI质谱系统造成污染。因此，氧化石墨烯被证明是一种多功能的辅助基质，用于基于MALDI-MS的小分子和生物大分子常规分析。

该研究工作以“An auxiliary matrix for routine analysis of small molecules and biological macromolecules using matrix-assisted laser desorption ionization mass spectrometry”为题发表在《Analytical and Bioanalytical Chemistry》（2019; 411(5):1041-1052）。

小鼠肝组织切片上应用iMScope

获得LOV（lovastatin，洛伐他汀）与SIM（simvastatin，辛伐他汀）的MS成像图

镜质合璧

还原真实-岛津成像质谱显微镜iMSCope QT

iMScope成像质谱显微镜是用于质谱成像分析的整合型仪器，前端搭载高分辨光学显微镜及大气压基质辅助激光解吸电离源（Atmospheric Pressure -MALDI，AP-MALDI），后端配置四极杆-飞行时间质谱仪（Q-TOF）。iMScope既可以对样品进行形态学上的细微观察，又可以对特定的分子进行鉴定以及高分辨的可视化分布分析，拓展了药物研发和代谢物研究等领域的范围。

岛津成像质谱显微镜iMSCope QT 的特点

5 μｍ高空间分辨率
显微镜观察和质谱成像分析的融合，除大组织样本外，还能分析微小区域组织样品，如沉香上的油脂道、头发丝的横截面
高速分析，激光器扫描频率高至 20 kHz，最快成像速度50 像素/秒
兼容LC-QTOF系统，一台仪器同时完成定性、定量及定位分析
常压MALDI，可以分析具有一定挥发性的样品，如多环芳烃和姜黄素
配备完整的前处理基质涂敷设备（基质升华仪iMLayer 与全自动喷雾仪iMLayer AERO）
简便、专业的成像分析软件IMAGEREVEAL MS

岛津成像质谱显微镜iMSCope QT 应用领域

专家心声

中国药科大学药物科学研究院王广基院士团队梁艳教授表示：我们实验室主要从事中药复杂成分、化药、生物大分子药物的药代、药效物质基础与作用机理等相关研究，成像质谱显微镜是个非常优异的工具，在我们的科研工作中发挥了很大作用。它不需要化合物提取，通过原位可视化的方式就能看到各种内源性代谢物及外源性药物在组织和细胞中的空间分布，非常适合我们的研究工作。不管从空间分辨率，还是样品中目标分子的质谱成像效果，成像质谱显微镜都帮我们获得了更优的数据呈现，这也是我们最终选择采用成像质谱显微镜来进行质谱成像分析工作的原因。未来希望与岛津进一步合作，开展更多对社会有用的研究项目！