综述：从创新到应用：质谱成像在空间分辨单细胞组学领域的开创性进展

《CHINESE CHEMICAL LETTERS》：From innovation to application: Pioneering advances in mass spectrometry imaging for spatially resolved single-cell omics

质谱成像（MSI）技术通过单细胞水平解析代谢组、脂质和蛋白质的空间分布，在癌症与神经退行性疾病研究中揭示细胞异质性、代谢重编程及微环境动态，三维成像与多组学整合进一步扩展其应用潜力，但仍面临高分辨率检测、灵敏度提升等挑战。

　　近年来，随着生命科学的快速发展，空间生物学研究逐渐成为探索生物系统复杂性的关键领域。其中，质谱成像（Mass Spectrometry Imaging, MSI）作为一种能够提供生物分子在组织切片中空间分布信息的技术，正在迅速拓展其应用范围。MSI技术通过非靶向或靶向的方式，能够在不破坏细胞结构的前提下，对组织样本中的代谢物、脂质和蛋白质等分子进行高分辨率的可视化定位。这种能力使得研究人员能够深入理解细胞异质性、代谢重编程以及疾病微环境的变化，从而为癌症和神经退行性疾病的诊断与治疗提供新的视角。

在单细胞层面，MSI技术的进展尤为引人注目。单细胞MSI（Single-Cell MSI）能够实现对单个细胞内分子的精确检测，为研究细胞间的细微差异提供了前所未有的工具。目前，单细胞MSI技术主要分为两类：无标记方法和基于多色抗体的方法。无标记方法依赖于质谱仪器本身的检测能力，无需使用特定的荧光标记物，因此在保持样本完整性的同时，能够提供更广泛的信息。例如，基质辅助激光解吸/电离质谱（Matrix-Assisted Laser Desorption/Ionization Mass Spectrometry, MALDI-MS）、二次离子质谱（Secondary Ion Mass Spectrometry, SIMS）和电喷雾解吸质谱（Desorption Electrospray Ionization Mass Spectrometry, DESI-MS）等技术已经广泛应用于单细胞MSI研究中。SIMS因其极高的空间分辨率，被广泛用于分析组织和细胞内的元素分布，而MALDI-MS则因其相对温和的离子化过程，在单细胞成像中表现出良好的适应性。DESI-MS虽然在空间分辨率上稍逊一筹，但其在组织表面快速分析多种生物分子的能力，使其在特定应用场景中具有独特优势。

与此同时，一些新兴的无标记方法，如激光烧蚀电感耦合等离子体（Laser Ablation Inductively Coupled Plasma, LA-ICP）、激光烧蚀电喷雾离子化（Laser Ablation Electrospray Ionization, LAESI）以及表面辅助激光解吸/电离（Surface-Assisted Laser Desorption/Ionization, SALDI）等，也在不断拓展单细胞MSI的应用边界。这些方法通过结合激光烧蚀与离子化技术，实现了对单细胞样本中多种生物分子的高效检测，为研究细胞内部的分子组成和动态变化提供了新的手段。此外，一些基于抗体的标记技术，如成像质量细胞术（Imaging Mass Cytometry, IMC）和多色离子束成像（Multiplex Ion Beam Imaging, MIBI），也通过与激光烧蚀或离子束分析相结合，实现了对组织样本中蛋白质成分和特定细胞表面抗原的亚细胞分辨率检测。这些技术的进步不仅提升了单细胞MSI的精度，也为研究细胞间的相互作用和组织微环境的动态变化奠定了基础。

随着技术的不断优化，单细胞MSI在空间分辨率和检测灵敏度方面取得了显著突破。这些进展使得研究人员能够在更精细的尺度上解析组织样本中的分子分布，揭示细胞异质性、代谢重编程和微环境变化等复杂现象。例如，在癌症研究中，单细胞MSI能够检测肿瘤微环境中代谢物和蛋白质的空间分布，从而帮助研究人员识别肿瘤细胞与周围正常细胞之间的差异，以及免疫细胞在肿瘤组织中的分布特征。这种高分辨率的空间分析对于理解肿瘤的异质性和耐药机制具有重要意义。在神经退行性疾病研究中，单细胞MSI同样展现出巨大潜力，能够揭示神经元和胶质细胞中特定分子的分布模式，从而为研究疾病进展中的分子变化提供关键信息。

此外，三维（3D）MSI技术的出现进一步拓展了单细胞MSI的应用范围。传统MSI技术主要针对二维组织切片进行分析，而3D MSI则能够在三维空间中重建病理组织的生化结构，提供更全面的分子动态信息。这种技术不仅能够捕捉细胞间的相互作用，还能揭示细胞内部的分子变化过程，为研究复杂的生物系统提供了新的维度。例如，在癌症研究中，3D MSI可以用于分析肿瘤组织中的分子梯度和空间分布，从而帮助研究人员更好地理解肿瘤的生长模式和转移机制。在神经退行性疾病研究中，3D MSI能够揭示神经元和胶质细胞之间的分子交互网络，为疾病的早期诊断和治疗策略的制定提供依据。

为了进一步提升单细胞MSI的分析能力，研究人员正在探索多种方法，包括提高空间分辨率、增强离子化效率以及优化数据处理算法。这些努力不仅推动了单细胞MSI技术的发展，也为研究更复杂的生物系统提供了可能。例如，通过改进仪器设计和操作参数，可以显著提高单细胞MSI的空间分辨率，使其能够检测更小的细胞结构。同时，提高离子化效率可以增强对低丰度分子的检测能力，从而更全面地解析组织样本中的分子组成。此外，结合其他生物技术手段，如转录组学、荧光显微镜和磁共振成像（MRI），可以实现多模态数据的整合分析，为研究人员提供更丰富的生物学信息。

尽管单细胞MSI技术在癌症和神经退行性疾病研究中展现出巨大的潜力，但仍面临诸多挑战。例如，如何在不破坏细胞结构的前提下实现高分辨率的分子检测，仍然是一个亟待解决的问题。此外，提高检测灵敏度和准确率，以及开发更高效的分子识别算法，也是推动单细胞MSI技术应用的关键方向。为了应对这些挑战，研究人员正在探索新的离子化方法、优化成像参数以及开发更先进的数据处理工具。这些努力不仅有助于提升单细胞MSI的分析能力，也将推动其在更广泛的生物学研究中的应用。

综上所述，单细胞MSI技术作为空间生物学研究的重要工具，正在迅速发展并应用于癌症和神经退行性疾病等领域。通过不断优化离子化策略和成像技术，研究人员能够更精确地解析细胞异质性、代谢重编程和微环境变化等复杂现象，从而为疾病的机制研究和临床应用提供新的思路。未来，随着技术的进一步成熟和多模态数据整合的深入，单细胞MSI有望成为揭示生物系统复杂性的关键手段，推动生命科学领域的重大突破。