Pyxis：基于离子淌度质谱成像的空间组学数据分析新工具

《ANALYTICAL AND BIOANALYTICAL CHEMISTRY》：Advancing spatial-omics through Pyxis, vendor-neutral software for ion mobility mass spectrometry imaging data analysis

本期推荐一款名为Pyxis的跨平台软件，其致力于解决离子淌度质谱成像（IM-MSI）数据处理中因缺乏全流程分析工具而阻碍技术应用的瓶颈问题。研究团队通过开发集成预处理、可视化、数据挖掘与代谢物鉴定功能的计算平台，成功实现对小鼠肾脏组织和THP-1单细胞数据的深度解析，为空间多组学研究提供了关键技术支持。

　　

在生物医学研究领域，质谱成像（Mass Spectrometry Imaging, MSI）技术能够直接对组织切片中的分子进行空间定位分析，已成为探索疾病机制、药物分布及生物标志物发现的重要工具。然而传统MSI技术面临着一个核心挑战：当直接从未经色谱分离的组织样本中电离分析物时，大量同重位（isobaric）分子会相互干扰，导致分子识别准确度大幅降低。虽然高分辨率质谱仪能区分部分质量差异极小的离子，但对于结构异构体的辨别仍力不从心。

为突破这一局限，科学家们引入离子淌度（Ion Mobility, IM）分离技术，通过测量离子在气体中的迁移速率来获得碰撞截面（Collision Cross Section, CCS）这一正交物理参数。离子淌度质谱成像（IM-MSI）技术不仅显著提升了分子鉴定的可靠性，还带来了数据复杂度的指数级增长——每个像素点都包含质量-电荷比（m/z）与CCS二维信息。遗憾的是，尽管仪器技术飞速发展，数据处理环节却始终存在短板。现有商业软件大多受限于特定厂商平台，而自定义分析流程往往仅覆盖部分功能模块，这种碎片化现状严重制约着IM-MSI技术的规模化应用。

针对这一痛点，由Sara Tortorella领衔的国际研究团队在《ANALYTICAL AND BIOANALYTICAL CHEMISTRY》发表了题为“Advancing spatial-omics through Pyxis, vendor-neutral software for ion mobility mass spectrometry imaging data analysis”的研究论文，正式推出名为Pyxis的跨平台分析解决方案。该软件首次实现了从原始数据解析到生物学解读的全流程整合，其核心创新在于将离子淌度维度深度融入数据处理各个环节：通过开发等重离子侦查（isobar scout）算法自动识别m值相同但淌度不同的物种；建立基于CCS数据库的代谢物鉴定评分体系；提供共定位分析与空间分割等多元统计工具。研究人员通过小鼠肾脏组织和THP-1源性巨噬细胞两个案例验证了Pyxis的实用价值：在肾脏组织中成功分离出m/z 790.53处两个淌度值分别为1.42与1.38的脂质离子，并发现它们分别对应[PE(38:4)+Na]⁺（主要分布于髓质）和[PE(40:7)+H]⁺（皮质富集）的空间异质性分布；在单细胞层面则通过多变量分析揭示了甘油三酯（TG）同系物的CCS值变化规律，为脂质代谢研究提供了新的视角。

关键技术方法包括：采用MALDI-2（基质辅助激光解吸/电离后电离）与淌度飞行时间质谱（timsTOF）平台获取空间分子数据；通过Savitsky-Golay平滑、基线校正与峰检测算法处理二维数据；利用趋势线分析（trend line）验证脂质CCS值的规律性变化；整合HMDB（人类代谢组数据库）、GNPS（全球天然产物社会分子网络）等数据库进行多参数（m/z、CCS、MS/MS）化合物鉴定。实验样本涵盖16周龄健康小鼠肾脏冰冻切片以及PMA诱导分化的THP-1单核细胞系。

案例研究结果

肾脏组织数据分析

通过Pyxis处理小鼠肾脏IM-MSI数据后，生成包含150余个特征的峰列表。等重离子侦查算法成功识别出m/z 790.53处两个淌度值分别为1.42与1.38的离子物种，经比对确认为[PE(38:4)+Na]⁺与[PE(40:7)+H]⁺。空间分布显示前者特异性富集于髓质区域，而后者在皮质区域显著表达，印证了离子淌度分离对于解析空间异质性脂质分布的关键作用。

THP-1源性巨噬细胞数据分析

在单细胞水平上，通过共定位分析筛选出特异性表达于细胞的脂质信号。空间分割算法成功划定单个细胞区域，主成分分析（PCA）显示细胞群体具有较高同质性，但载荷图揭示部分甘油三酯（TG）物种存在显著异质性。进一步通过CCS趋势线分析发现：相同双键数的TG随碳链长度增加呈线性分布，而相同碳原子数的TG则按双键数目形成平行趋势线。其中m/z 843.75、871.78、899.81对应的TG 51:3、TG 53:3、TG 55:3偏离预期趋势线的现象，提示可能存在非常规双键位置的脂肪酸链组成。

本研究开发的Pyxis平台有效解决了IM-MSI技术应用中面临的数据处理瓶颈，通过引入等重离子分离、多维统计分析和自动化化合物鉴定等功能，显著提升了空间代谢组学数据的解析深度与效率。软件在肾脏组织与单细胞两个层面的成功应用，不仅验证了其处理复杂生物样本的能力，更揭示了离子淌度维度对于发现空间异质性分子分布的重要价值。随着离子淌度质谱成像技术的普及，Pyxis作为首个覆盖全流程的跨平台解决方案，将为空间多组学研究提供不可或缺的技术支撑，推动从器官到单细胞水平的分子图谱构建进入新阶段。