激光剥蚀电感耦合等离子体质谱技术揭示遗传性血色素沉着症肝脏中铁与铜分布的新模式及其在肝细胞癌中的意义

《Scientific Reports》：LASER ablation inductively coupled plasma mass spectrometry enables the recognition of new patterns in metal-related diseases

本研究针对传统组织染色方法在金属定位检测中灵敏度不足的问题，开发了一种基于石蜡包埋肝组织的LA-ICP-MS定量成像方法。研究人员通过基质匹配校准样本建立定量标准，成功实现对16例遗传性血色素沉着症肝活检和5例肝细胞癌切除标本中铁、铜的精准空间分布分析。结果显示LA-ICP-MS可识别低于1μg·g-1的铁浓度，发现肝细胞癌区域铁浓度显著降低(p=0.034)，而三处铁游离灶呈现类似分布特征。该方法为金属相关疾病的病理学研究提供了新的技术平台。

　　

在医学研究领域，金属元素在人体内的分布与代谢一直是科学家们关注的焦点。肝脏作为人体的"化工厂"，不仅负责营养代谢、药物解毒，还承担着铁、铜等金属元素的稳态调节重任。遗传性血色素沉着症（Genetic Hemochromatosis, GH）作为一种常见的遗传性铁过载疾病，由于HFE、HAMP、TFR2或SLC40A1等基因突变导致铁吸收异常，长期铁过载会引发慢性炎症、纤维化，甚至进展为肝硬化和肝细胞癌（Hepatocellular Carcinoma, HCC）。然而，传统组织化学染色方法如Perls'染色（铁染色）和罗丹明染色（铜染色）在检测灵敏度、定量能力和空间分辨率方面存在明显局限，难以满足精准医学研究的需求。

为了解决这一技术瓶颈，法国雷恩大学医院的研究团队在《Scientific Reports》上发表了一项创新性研究，首次将激光剥蚀电感耦合等离子体质谱（Laser Ablation Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry, LA-ICP-MS）技术成功应用于3μm厚石蜡包埋人肝组织的金属元素成像分析。这项技术突破不仅实现了对铁、铜等金属元素的精准定量和空间分布可视化，还为回顾性研究存档组织样本开辟了新途径。

研究人员采用了几项关键技术方法：首先建立了基质匹配标准品（phantoms）的校准方法，通过将牛肉肝脏与不同浓度的铁、铜标准溶液混合制备校准曲线；其次优化了LA-ICP-MS的实验参数，使用波长266nm的Nd:YAG激光，斑点直径5-10μm，实现了高空间分辨率分析；研究纳入了16例GH肝活检和5例HCC手术切除标本，所有样本均经过组织学评估和传统ICP-MS验证。

患者 demographics 和样本特征

研究共纳入21例肝组织样本，其中16例为GH诊断时的穿刺活检样本（N1-N16），5例为GH基础上发生的HCC手术切除样本（C1-C5）。GH患者平均年龄56.6±11.01岁，平均铁蛋白水平2538.75±1890.74μg/L，平均转铁蛋白饱和度86.92±8.89%。HCC患者平均年龄73.0±9.0岁，明显高于GH组，且所有HCC患者均接受过铁去饱和治疗。

金属分析

通过LA-ICP-MS和传统ICP-MS对22个石蜡包埋肝样本进行铁、铜浓度测定。LA-ICP-MS测得的平均铁浓度为316.0±260.6μmol·g^-1，铜为2.42±2.73μmol·g^-1，均高于传统ICP-MS结果。Bland-Altman分析显示LA-ICP-MS对铁的测定值平均高出92.36±82.44μmol·g^-1，铜高出1.55±1.87μmol·g^-1。这种差异可能与LA-ICP-MS选择性分析肝细胞区域而排除纤维化区域有关。

GH肝活检和切除肝标本中铁和铜分布的 mapping

LA-ICP-MS以高达5μm²的空间分辨率成功绘制了肝组织中铁、铜的分布图。在初诊GH活检样本中，清晰观察到铁的门静脉-中央静脉梯度分布模式，铜主要分布在中叶区域。特别值得注意的是，在三例活检样本中同时通过Perls'染色和LA-ICP-MS识别出铁游离灶（Iron Free Foci, IFF），其中一例IFF区域铜含量明显增高。在切除标本中，肿瘤区域和非肿瘤区域的金属分布均呈现不均匀模式，部分样本即使经过铁去饱和治疗仍保持门静脉-小叶梯度分布，所有样本均显示铁与铜分布呈负相关。纤维组织中铁含量显著低于非纤维组织，而铜含量相对富集。

通过LA-ICP-MS在选定AOI中定量铁和铜

每5mm²感兴趣区域的分析时间为12小时。测量浓度范围铁为3.6-843.1μmol·g^-1，铜为0.7-14.2μmol·g^-1。LA-ICP-MS的检测灵敏度显著优于Perls'染色，检测阈值低于20μmol·g^-1。GH活检组织中平均铁浓度为478.70±196.42μmol·g^-1，铜为1.60±0.94μmol·g^-1；非肿瘤肝实质平均铁浓度为84.66±46.52μmol·g^-1，铜为2.64±1.29μmol·g^-1；HCC组织平均铁浓度为26.62±12.73μmol·g^-1，铜为4.80±5.65μmol·g^-1。与相邻非肿瘤肝实质相比，HCC组织铁浓度显著降低（p=0.034），铜含量无显著差异。

对三处IFF的特异性分析显示，IFF区域内平均铁、铜浓度分别为201.10±249.83μmol·g^-1和4.20±3.75μmol·g^-1，而相邻肝实质分别为478.57±242.43μmol·g^-1和1.30±0.69μmol·g^-1。IFF区域铁含量显著低于周围组织（p=0.013），铜含量虽有增加趋势但未达统计学显著性。有IFF和无IFF的GH活检样本在整体铁、铜浓度上无显著差异。

研究结论与意义

本研究成功建立了适用于石蜡包埋人肝组织的LA-ICP-MS分析方法，实现了对铁、铜等金属元素的精准定量和空间分布分析。该方法具有检测灵敏度高（铁检测限低于1μg·g^-1）、空间分辨率优（可达5μm）、与常规组织学流程兼容性好等优势，特别适合回顾性研究存档样本。研究发现HCC组织和IFF具有相似的金属分布特征，即铁含量降低而铜含量相对保留，这为理解GH相关肝癌发生机制提供了新视角。

研究的局限性包括样本量相对较小（21例），仅分析了铁和铜两种金属元素，以及高分辨率分析耗时较长（5μm分辨率下每5mm²需96小时）。未来研究可扩展至其他微量元素（如锰、锌、铅、砷、镉等）的分析，并在更大样本中验证IFF与肝癌发生的关系。

LA-ICP-MS技术为金属稳态紊乱疾病研究提供了强大工具，不仅适用于肝脏疾病（如Wilson病中的铜分布），还可用于监测化疗药物（如铂类）的组织分布、研究骨骼相关病理过程中的矿物质代谢等。这一技术平台的建立将推动金属组学（Metallomics）在生物医学领域的应用发展，为疾病机制研究和临床诊断提供新的见解。