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在生物医学研究中，高通量原位绘制生物分子空间分布极具挑战。研究人员开发组织扩张质谱成像技术（TEMI），实现单细胞空间分辨率，剖析多种生物分子分布，揭示肿瘤代谢异质性，为空间多组学分析带来突破。
在生命的微观世界里，生物分子就像一群神秘的 “小精灵”，它们在细胞和组织中的分布位置与生物体的生理功能息息相关。核酸、蛋白质、脂质、碳水化合物和代谢物等各类分子，积极参与着机体的生理和病理过程。想象一下，细胞是一座繁忙的城市，这些生物分子就是城市里不同角色的居民，它们各自有着独特的 “住址”，而这个 “住址” 信息对于理解城市（细胞和组织）的运作至关重要。
随着科学技术的发展，下一代测序和空间转录组学技术在核酸的高通量分析方面取得了重大突破，就像给科学家们配备了一副 “透视眼镜”，能够清晰地看到核酸在分子特异性和空间精度上的分布情况。然而，当科学家们想要观察其他分子，如脂质、代谢物和聚糖时，却发现现有的技术手段如同雾里看花，难以实现高空间分辨率和通量的成像。
质谱成像（MSI）技术的出现，曾让科学家们看到了希望，它能够在无标记的情况下对组织样本中的分子进行空间成像，就像是给分子们拍 “空间照片”。但这项技术也有自己的 “短板”，其空间分辨率较低，限制了它在基础和医学研究中的广泛应用。尽管近年来仪器技术有所改进，提高了 MSI 的空间分辨率，可高昂的成本和特殊的硬件要求，使得很多实验室只能望而却步。
为了攻克这些难题，来自美国威斯康星大学麦迪逊分校（University of Wisconsin - Madison）、霍华德?休斯医学研究所（Howard Hughes Medical Institute）等机构的研究人员踏上了探索之旅。他们开展了一项关于组织扩张方法与质谱成像相结合的研究，最终开发出了一种名为组织扩张质谱成像（Tissue - Expansion Mass - Spectrometry Imaging，TEMI）的创新技术。
这项研究成果意义非凡，它发表在《Nature Methods》杂志上。TEMI 技术成功实现了单细胞空间分辨率，并且在不牺牲体素通量的情况下，能够对数百种生物分子进行分析，包括脂质、代谢物、肽（蛋白质）和 N - 聚糖等。通过 TEMI 技术，研究人员能够深入了解各种哺乳动物组织中生物分子的空间分布情况，还发现了肿瘤中的代谢异质性，这对于肿瘤的研究和治疗具有重要的指导意义。同时，TEMI 技术操作简便、成本较低，有望广泛应用于生物和医学研究领域，推动空间多组学分析的发展。
研究人员在开展这项研究时，用到了几个主要关键的技术方法。首先是组织扩张技术，基于前期的扩张显微镜技术进行调整，在不使用高温、蛋白酶和洗涤剂等处理的情况下，实现组织的扩张，从而保留生物分子。其次是质谱成像技术，利用基质辅助激光解吸电离（MALDI）与质谱联用，对组织中的生物分子进行检测和成像。此外，还涉及多种样本处理和数据分析技术，如样本的固定、切片、染色，以及对质谱数据的采集和分析等。实验样本主要来源于小鼠，包括小鼠的大脑、肿瘤、肾脏和胰腺等组织。
下面我们来详细了解一下研究结果：
- 组织扩张方法的开发：研究人员对传统组织扩张方法进行优化，通过化学方法将蛋白质锚定在原位合成的水凝胶中，避免使用蛋白酶、洗涤剂和高温处理，以更好地保留生物分子。在实验过程中，他们对冷冻切片条件进行探索，发现 30% 蔗糖浓度对扩张组织 - 凝胶材料的冷冻切片效果最佳。经过多次实验，确定了两次凝胶嵌入的方案，使小鼠小脑切片在 1×PBS 中膨胀约 2.5 倍，且膨胀后的凝胶能够保持较好的形态，便于后续实验。
- TEMI 对小脑脂质分布的分析：利用 TEMI 技术，研究人员对小鼠小脑的脂质分布进行研究。结果发现，TEMI 能够清晰地区分小脑的分子层（ML）、颗粒细胞层（GrCL）和白质层（WML），并识别出不同功能层中特异性富集的脂质分子，如 ML 层中的磷脂酰胆碱（PC (32:0)）、GrCL 层中的 PC (38:1) 和 WML 层中的 PC (38:6)。这一结果揭示了小脑在结构组织基础上的空间生物分子异质性，为深入理解小脑的功能提供了重要依据。
- TEMI 对小脑代谢物分布的分析：除了脂质，研究人员还使用 TEMI 技术对小鼠小脑中的代谢物进行成像分析。在检测的 187 种代谢物特征中，部分代谢物在 ML、GrCL 和 WML 层中表现出独特的空间分布，而这些在未扩张的对照组中是无法分辨的。这进一步证实了小脑在代谢方面的空间异质性，表明 TEMI 技术能够揭示传统方法难以发现的代谢信息。
- TEMI 对小脑蛋白质和 N - 聚糖的分析：研究人员运用 TEMI 技术对小鼠小脑中的蛋白质和 N - 聚糖进行成像。通过原位胰蛋白酶消化和免疫组织化学（IHC）等方法，他们成功检测到多种蛋白质和 N - 聚糖。例如，髓鞘碱性蛋白（MBP）在 WML 层富集，组蛋白 H2B 在 GrCL 层富集；部分 N - 聚糖，如 HexNAc?Hex?，也表现出一定程度的区域特异性分布。这些结果为研究蛋白质和 N - 聚糖在小脑中的功能提供了重要线索。
- TEMI 揭示肿瘤代谢异质性：研究人员将 TEMI 技术应用于小鼠黑色素瘤肿瘤组织的研究。通过对肿瘤组织的扩张和成像分析，发现 TEMI 能够展现出比对照组更详细的特征，实现代谢特征的空间分离。基于光谱聚类分析，TEMI 能够将肿瘤组织分割成 21 个优势区域，而未扩张组织只能分割成 3 个区域，这充分证明了 TEMI 在揭示肿瘤代谢异质性方面的强大能力。
- TEMI 在器官成像中的广泛应用：研究人员还将 TEMI 技术应用于小鼠肾脏和胰腺的生物分子成像研究，成功揭示了这些器官中不同脂质种类的空间分布情况。这表明 TEMI 技术具有广泛的适用性，能够为不同器官的研究提供有价值的信息。
在研究结论和讨论部分，TEMI 技术展现出了巨大的优势和潜力。它能够在完整组织中以高空间分辨率和化学灵敏度进行空间分辨组学研究，揭示原位生物分子的异质性。与之前的研究方法相比，TEMI 避免了组织扩张过程中的变性处理，有效保留了生物分子，实现了单细胞分辨率的成像。虽然该技术目前还存在一些局限性，如随着扩张倍数增加，原位生物分子密度降低，对小分子的检测可能受到限制等，但研究人员对未来的发展充满信心。随着技术的进一步优化和发展，TEMI 有望成为揭示各种生物分子空间分布和化学特异性的重要平台，为生物医学研究带来新的突破，帮助科学家们更好地理解生命的奥秘，为疾病的诊断和治疗提供更有力的支持。
