多功能蔗糖-明胶水凝胶基质在解吸电喷雾离子化质谱成像中的创新应用

《Analytical Chemistry》：Innovative Application of a Multifunctional Sucrose–Gelatin Hydrogel Matrix in Desorption Electrospray Ionization-Mass Spectrometry Imaging

分子质谱成像（DESI-MSI）技术在脆弱组织分析中的应用优化。本研究开发了一种蔗糖-明胶水凝胶嵌入方法，通过低温固定和 snap-freezing 技术有效抑制背景干扰和分子扩散，同时利用蔗糖加合离子作为内标实现锁质校正，无需外源标准即可保持高质谱精度（±1ppm）。实验证明该方法可保持小鼠脑组织形态完整性和抗原性，支持20μm薄层精准成像，并成功解析了磷脂酰肌醇（PI）、磷脂酰乙醇胺（PE）、磷脂酰丝氨酸（PS）及硫酸脂（ST）等关键脂质的空间分布特征，其分辨率达25μm2/像素。创新性体现在构建内源性参考体系，解决了传统DESI-MSI依赖外源标准品带来的离子抑制和污染问题，为神经生物学研究提供了标准化样本处理方案。

　　在现代生物医学研究中，对生物组织中分子分布的可视化分析变得越来越重要。随着技术的进步，一种名为“解吸电喷雾离子化-质谱成像”（Desorption Electrospray Ionization-Mass Spectrometry Imaging, DESI-MSI）的方法因其非侵入性和高分辨率而受到广泛关注。DESI-MSI能够在不破坏组织结构的前提下，实现对组织中多种分子的精确空间定位，尤其适用于脂质、代谢物和药物等小分子有机物的分析。然而，这一技术在实际应用中仍面临一些关键挑战，例如如何在保证分子完整性的同时减少背景干扰，以及如何在复杂生物样本中实现准确的分子注释。

为了解决这些问题，研究人员开发了一种基于蔗糖-明胶的水凝胶基质，该基质不仅能够有效保护组织结构，还能在DESI-MSI过程中提供稳定的内部校准信号。这一创新性的方法以小鼠脑组织为模型，通过低温嵌入和快速冷冻等步骤，确保了组织在冷冻切片过程中不会发生形态破坏或分子分布的改变。研究团队对这种水凝胶基质进行了系统评估，重点分析了其对脂质分布的保持能力、对组织形态的保护效果以及对免疫组化分析的兼容性。

实验结果显示，蔗糖-明胶基质在DESI-MSI分析中表现出优异的性能。首先，该基质在负离子和正离子模式下均能产生清晰的离子信号，这些信号来源于蔗糖的衍生离子，如氯化物加合物和钠离子加合物。这些加合物不仅能够作为内部校准标准，还能在整个数据采集过程中持续校正质量偏差，从而显著提高了质量准确性。与传统的外部校准标准（如亮氨酸脑啡肽）相比，这种基于水凝胶的内部校准方法避免了外来物质对组织内源性分子的干扰，同时减少了化学背景噪声。

此外，该基质还表现出对组织形态和抗原性的良好保护能力。通过对小鼠脑组织的冷冻切片进行Nissl染色和GFAP免疫荧光染色，研究团队发现使用蔗糖-明胶基质的样本在形态学和免疫反应性方面均保持了较高的完整性。特别是，在显微镜下观察到的脑组织结构清晰，未出现冰晶损伤或切片断裂的现象。这一特性使得该基质不仅适用于DESI-MSI分析，还能够兼容后续的组织学和免疫组化研究，从而为多模态分析提供了可能。

为了进一步验证该基质在DESI-MSI中的适用性，研究团队还对多种脂质类物质进行了空间分布分析。包括磷脂酰肌醇（PI）、磷脂酰乙醇胺（PE）、磷脂酰丝氨酸（PS）、硫酸鞘脂（ST）和磷脂酰胆碱（PC）等脂质类分子在嵌入基质的小鼠脑组织中均能被准确检测和定位。通过DESI-MSI与DESI-MS/MS的结合，研究人员不仅能够识别这些脂质的分子结构，还能通过碎片离子分析进一步确认其空间分布模式。这种方法显著提高了分子注释的准确性和可靠性，特别是在面对同位素和同分异构体的复杂情况时。

值得注意的是，胆固醇这类通常难以离子化的分子在该基质中也能被成功检测。通过优化的DESI-MSI参数设置，研究人员在不进行化学衍生化或表面修饰的情况下，获得了高质量的胆固醇信号。这表明，蔗糖-明胶基质能够为那些难以离子化的分子提供一个理想的分析环境，从而拓宽了DESI-MSI的应用范围。

在实验方法的实施过程中，研究团队对材料的选择、动物实验的设计以及基质的制备和应用进行了详细描述。所有实验均遵循伦理规范，采用C57BL/6小鼠作为研究对象，并通过严格的实验流程确保数据的准确性和可重复性。基质的制备过程包括将蔗糖和明胶溶解于磷酸盐缓冲液（PBS）中，随后在低温下快速冷冻以形成稳定的水凝胶结构。这种结构不仅能够支持高质量的冷冻切片，还能在后续的DESI-MSI分析中保持良好的稳定性。

通过对小鼠脑组织的详细分析，研究团队发现该基质在多个方面优于传统嵌入介质。例如，使用蔗糖-明胶基质的样本在DESI-MSI分析中表现出更低的背景干扰和更高的信号强度，这使得分子的检测更加精确。同时，基质的低温冷冻过程有效防止了冰晶形成，从而保护了组织的微观结构。这些优势使得该基质成为一种理想的嵌入材料，特别是在处理脆弱和复杂的生物组织时。

进一步的研究还表明，该基质能够支持高分辨率的DESI-MSI分析。通过在正离子和负离子模式下分别进行分析，研究人员能够获得更详细的分子分布信息。在正离子模式下，主要检测到磷脂酰胆碱的钠离子加合物；而在负离子模式下，则主要观察到磷脂酰肌醇的氯化物加合物。这些加合物的稳定性和可重复性为DESI-MSI提供了可靠的内部校准标准，使得质量精度在长时间的成像过程中得以维持。

此外，研究团队还探讨了该基质在多模态分析中的应用潜力。通过将DESI-MSI数据与组织学和免疫组化数据进行整合，研究人员能够更全面地理解组织中的分子组成及其空间分布。这种整合不仅提高了分子注释的准确性，还为后续的生物学和医学研究提供了新的视角。例如，在分析小鼠脑组织时，研究人员能够将分子信号与组织结构和细胞特征进行对应，从而揭示不同脑区的分子特征及其与神经功能的关系。

总的来说，这种基于蔗糖-明胶的水凝胶基质为DESI-MSI提供了一种新的解决方案，特别是在处理小鼠脑等脆弱生物组织时。该基质不仅能够有效减少背景干扰，还能在不引入外部校准标准的情况下实现高质量的分子成像。同时，其良好的形态保护能力和抗原保持性使得后续的组织学和免疫组化分析成为可能。这些优势使得该基质在生物医学研究中具有广泛的应用前景，尤其是在空间代谢组学、系统神经科学和数字病理学等领域。

随着技术的不断进步，研究人员还计划进一步优化该基质的性能，以提高DESI-MSI的空间分辨率，并探索其在生理和病理模型中的应用。通过改进基质配方和实验条件，他们希望能够在更广泛的生物组织中实现高精度的分子成像，从而为相关研究提供更深入的分子信息。这一研究不仅为DESI-MSI技术的发展提供了新的思路，也为未来在生物医学领域的应用奠定了坚实的基础。