2018年新技术:质谱成像起飞

【字体: 时间:2018年01月19日 来源:生物通

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  质谱成像方面的最新进展实现了单细胞、3D无标记分子作图

  

是否可以在不使用到任何荧光标记或抗体的前提下,对组织中甚至单个细胞中的多个分子分布进行成像并确定它们的化学特性呢?这不是一个荒谬的想法,因为质谱成像技术(mass spectrometry imaging,MSI)确实有可能做得到。

几十年前,质谱技术首次被用于针对组织和细胞中的元件分布进行成像。1997年,范德堡大学质谱研究中心主任,生物化学教授Richard Caprioli博士第一次提出基质辅助激光解吸电离(MALDI)质谱分子成像技术,这项技术不局限于特异的一种或者几种蛋白质分子,它可在组织切片中找到每一种蛋白质分子,并提供这些蛋白质分子在组织中的空间分布的精确信息,而事先无需知道所检测蛋白的信息,同时可对这些蛋白质分子含量进行相对定量。他的这一壮举开启了被称为质谱分析无标记分子成像的研究新领域。

质谱分析是测量样品中存在的化学物质的一种技术,而质谱成像MSI则是通过激光扫描组织表面,令特定点分子电离,然后利用质谱仪记录每个点的完整质谱,再通过计算机程序重建代表组织切片上感兴趣质量信号分布的图像,这样解析质谱数据就能确定分子。只要信号足,几乎任何分子(如肽,代谢物和脂质)的分布都可以使用MSI进行映射,因此MSI除了在基础研究中的众多应用之外,在跟踪药物在组织中的分布或疾病诊断方面也具有很大的潜力。

最近在蛋白质组学研究方面的进展也来自于质谱的多种应用(包括MSI):新的离子源和高分辨率,高精度的质量分析仪使质谱灵敏度得到了实质性的改善,同时这种改进也激发了许多新的数据分析方法。

2017年,MSI技术进展使得解析亚细胞分子分布成为可能(例如,Nat.Methods 14,90-69,2017; Nat.Methods 14,1175-1183,2017),此外研究人员还开发了改进3D样品中分子成像的方法(Nat.Methods 14,1175-1183,2017),并捕获关于样品拓扑结构的相应信息(Nat.Methods 14,1156-1158,2017),以及用于评估MSI分子鉴定的统计工具也有助于推进研究(例如,Nat.Methods 14,57-60,2017)。

通过质谱来检测低丰度分子,定量和分子鉴定(特别是代谢物)的灵敏度仍有很大的提高空间。去年的这些新进展,以及尚未开放的MSI技术是否会有更广泛的应用?这是一个值得关注的领域。
赛默飞世尔有关代谢组学的质谱分析平台详细技术资料

基质辅助激光解吸MALDI

有多达20%的人可能在其脑垂体中有良性囊肿或肿瘤。绝大多数的垂体肿瘤是良性的,但可引起头痛和深度疲劳,也可能扰乱激素功能。目前,外科医生依赖于放射影像和核磁共振成像,来收集关于肿瘤大小和形状的信息,但这些成像技术的分辨率是有限的,如果患者的症状持续,就需要额外的手术去除更多的肿瘤。来自美国布莱根妇女医院(BWH)的研究人员提出了一种新的技术,可以帮助外科医生更精确、几乎实时地确定肿瘤的位置。延伸阅读:Nature子刊:新探针让转移肿瘤现原形。

这一新的策略,利用一种可视化技术(基质辅助激光解吸/电离质谱成像MALDI MSI),可以分析组织中的特定激素,包括生长激素和催乳素。在最新发表的这项研究中,研究人员发现,使用MALDI MSI,他们能够在不到30分钟的时间内,确定脑垂体样本中的这种激素成分。这能够给外科医生提供重要的信息,帮助他们区分正常腺和肿瘤。

为了测试这一技术,研究小组分析了45份垂体腺瘤和6份正常垂体组织中的激素水平,发现正常或肿瘤样本有明显不同的蛋白特征。

质谱分析法,是测量样品中存在的化学物质的一种技术,目前在手术室中使用,帮助告知临床决策,但直到现在,焦点都集中在小分子——代谢物、脂肪酸和脂质,使用不同类型的方法。通过分析蛋白质,MALDI MSI提供了一种方法,使激素水平可视化。

目前用来检测激素水平的方法,需要的时间太长,因此不能适应手术干预的时间限制。外科医生必须去除更大数量可能健康的垂体,或者如果肿瘤没有被完全去除再进行后续手术。

作者:Allison Doerr/生物通编译

参考文献:

Mass spectrometry imaging goes three dimensional

The 3D OrbiSIMS-label-free metabolic imaging with subcellular lateral resolution and high mass-resolving power

Autofocusing MALDI mass spectrometry imaging of tissue sections and 3D chemical topography of nonflat surfaces

Programmable full-adder computations in communicating three-dimensional cell cultures

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