量子级联激光中红外成像引导的深度MALDI-MS空间组学：突破脂质分子空间解析与鉴定的技术瓶颈

本研究针对质谱成像(MSI)在空间组学中分子鉴定深度与采集速度不可兼得的技术难题，创新性地开发了量子级联激光(QCL)-MIR成像引导的MALDI-TIMS-MS工作流程。通过结合iprm-PASEF技术，实现了肾脏肾小球等微小结构的精准定位与157种硫酸苷脂(Sulfatides)的明确鉴定，并揭示了实验性自身免疫性脑脊髓炎(EAE)模型中神经炎症相关的神经酰胺-1-磷酸(CerP)和神经酰胺磷脂酰乙醇胺(CerPE)的空间分布特征，为代谢性疾病和神经退行性病变研究提供了新范式。

　　

在生命科学领域，空间组学技术正以前所未有的分辨率揭示组织微环境中分子的精确定位与功能。然而，传统质谱成像技术面临着一个根本性矛盾：若要获得高置信度的分子鉴定，就必须牺牲数据采集速度和空间分辨率。这种"鱼与熊掌不可兼得"的困境严重制约了复杂生物系统的深入研究，特别是在代谢异常相关疾病如异染性脑白质营养不良(MLD)和多发性硬化症的研究中。

德国曼海姆应用技术大学CeMOS研究中心联合海德堡大学等机构的研究团队在《Nature Communications》发表了一项突破性研究。他们巧妙地将量子级联激光中红外成像显微镜(QCL-MIR)与基质辅助激光解吸电离质谱成像(MALDI-MSI)技术相结合，开发出一种革命性的空间组学分析平台。这项技术不仅解决了传统方法的局限性，还以遗传修饰小鼠为"分子地标"，建立了空间脂质组学研究的新标准。

研究团队采用了三项核心技术：1) QCL-MIR成像实现10分钟内完成500万像素的组织快速扫描；2) 成像平行反应监测-平行累积串行碎裂(iprm-PASEF)技术实现目标区域深度分析；3) 利用芳基硫酸酯酶A缺陷(ARSA^-/-)小鼠肾脏中已知的硫酸苷脂积累作为验证基准。研究队列包括12周和60周龄的ARSA^-/-小鼠肾脏及实验性自身免疫性脑脊髓炎(EAE)模型小鼠脊髓样本。

在"量子级联激光中红外成像显微镜引导MALDI成像"部分，研究展示了QCL-MIR如何以4.66μm像素分辨率快速识别组织特征区域。通过选择1466 cm^-1(CH₂弯曲振动)和1742 cm^-1(C=O振动)等特征波段，成功区分了3D培养模型中癌细胞的磷脂酰肌醇(PI 34:1)和成纤维细胞的溶血磷脂酰肌醇(LPI 18:0)分布，验证了技术对细胞异质性的解析能力。

"遗传工程小鼠作为MSI方法开发的定性基准"部分详细阐述了ARSA^-/-小鼠模型的独特价值。这些小鼠肾脏中积累的硫酸苷脂为方法验证提供了"分子标尺"。通过MIR在988 cm^-1处检测到的Cβ-O振动与MSI结果高度一致，Z-score分析证实两种方法对肾髓质内带(ISOM)脂质积累的检测相关性。

"QCL-MIR成像引导的TIMS-MSI实现组织深度分析"展示了技术突破的核心成果。将480ms的离子淌度分离时间与iprm-PASEF结合，成功区分了仅相差0.034 Da的SM4 38:2;O₃和SM4 39:1;O₂同量异位素。通过分析157种硫酸苷脂的碰撞截面(CCS)值，发现AllCCS2预测工具对SM4亚类准确度最高(误差1%)，而DeepCCS对所有亚类的平均偏差达8%。

在"EAE小鼠的脂质重塑"部分，研究揭示了疾病特异性变化。在EAE病变白质中，神经酰胺-1-磷酸(CerP 34:1;O₂)和神经酰胺磷脂酰乙醇胺(CerPE 36:1;O₂)分别上调25倍和4-20倍，这些发现通过组织原位MS²得到验证，为多发性硬化症的病理机制提供了新见解。

这项研究的意义体现在三个层面：技术层面建立了首个QCL-MIR引导的深度空间脂质组学平台，将分析通量提升20倍；方法学层面开创了以遗传模型作为空间组学基准的新范式；生物学层面揭示了奇数链硫酸苷脂的代谢特征和EAE病变的特异性脂质标记物。特别是发现CerPE在神经炎症中的潜在作用，为开发新型治疗策略提供了分子靶点。

研究还纠正了领域内的重要认知：传统认为α-羟基化会增大CCS值，但数据表明对于复杂SM2a和SM3硫酸苷脂，非羟基化形式的CCS反而更大。这种立体结构效应为理解糖鞘脂的构效关系提供了新视角。随着该技术平台的公开共享，预计将推动空间代谢组学进入单细胞分辨率的新纪元。