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肿瘤研究利器,生物质谱成像空间代谢组学

首页 » 产业 » 企业 2021-06-01 鹿明生物 赞(31)
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导读
2021年4月,中国医学科学院药物研究所天然药物活性物质与功能国家重点实验室再帕尔·阿不力孜、贺玖明团队在分析化学一区《Analytical Chemistry》期刊发表封面文章,通过空间代谢组学技术,全面揭示了大鼠脑代谢网络,深入解析了东莨菪碱致大鼠记忆功能障碍模型脑的代谢变化。

2021年4月,中国医学科学院药物研究所天然药物活性物质与功能国家重点实验室再帕尔·阿不力孜、贺玖明团队分析化学一区《Analytical Chemistry》期刊发表封面文章,题为“Mapping metabolic networks in the brain by using ambient mass spectrometry imaging and metabolomics”的研究成果,通过空间代谢组学技术,全面揭示了大鼠脑代谢网络,深入解析了东莨菪碱致大鼠记忆功能障碍模型脑的代谢变化。


质谱成像(Mass Spectrometry Imaging, MSI)作为一种新型的分子影像技术,能够直接从生物组织中获得大量已知或未知的内源性代谢物和外源性药物等分子的结构、含量和空间分布信息。相对于其他成像方法(如荧光成像、放射性标记成像等),该技术无需化学或放射性标记、不需复杂样品前处理,具有高特异性、高通量和空间信息保留的突出优势。

质谱成像技术可以实现生物组织中上千代谢物的定性、定量和定位分析,结合生物信息学分析,发展为空间代谢组学方法,可从生物组织原位发现差异代谢物,并识别其生物学功能。
· 空间代谢组学
鹿明空间代谢组是基于质谱成像技术发展而来的,免标记、无需基质、周期短。通过质谱成像技术对不同组织器官中的代谢物进行定性、定量、定位三个维度的分析,突破传统代谢组研究损失空间信息的瓶颈。空间代谢组学作为一种新型的分子影像技术,能够直接从生物组织中获得大量已知或未知的内源性代谢物和外源性药物等分子的结构、含量和空间分布信息。

图1 | 不同质荷比大小的代谢物在大鼠脑中的空间成像
· 技术原理
鹿明空间代谢组在解吸电喷雾电离质谱成像(DESI-MSI)技术上进一步升级,形成了空气动力辅助离子化解吸电喷雾电离质谱成像(AFAI-MSI)技术。利用空气流与传输管对带电液滴进行远距离传输,传输管中的带电液滴在高速气流和电压的作用下进一步脱溶剂、富集、离子化,继而提高检测灵敏度,同时扩展了待测样品的空间和操作灵活性,不仅适用于单一组织样本,也适合于大体积样品的远距离离子采集和成像分析。

图2 | AFADESI-MSI空间代谢组技术原理图
· 技术流程
1) 在电喷雾毛细管喷嘴上施加一定高电压,喷雾溶剂从雾化器的内套管中流出,由外套管中喷出的高压氮气迅速将喷雾溶剂雾化形成带电喷雾液滴;
2) 喷出的高速带电液滴轰击待测样品表面,在溶剂萃取作用下样品同时被解吸与电离;
3) 含有被测样品的带电液滴迅速发生去溶剂化作用,从质谱分析器的采集锥孔进入分析器并被检测;
4)样品固定在承载平台,连续或脉冲移动承载平台对样品进行二维扫描;
5)同时质谱仪记录质谱信号强度获得样品表面的分子及其含量;
6)这些信息通过质谱图像分析软件转换后,即可获得选择离子或离子群的二维空间强度分布图;
· 常见质谱成像技术区别

· 技术特点
| 高灵敏度:灵敏度可达pg级别

图3 | 含量为pg级的硫苷脂类代谢物在大鼠脑的成像图[1]
| 宽动态范围:数量级103

图4 | 甘油磷脂酰胆碱在大鼠肾组织不同区域呈3个数量级梯度差异[1]
| 高覆盖度:涵盖多种类型小分子代谢物
胆碱类、多胺类、氨基酸类、肉碱类、核苷类、核苷酸类、有机酸类、碳水化合物类、胆固醇类、胆酸类、脂质类等多种类代谢物[1]

| 高特异性
• 高分辨分析器+强分辨力软件
• 实现m/z 相近代谢物的准确识别
• Δm/z =0.001

图5 | 大鼠肾脏中m/z相近代谢物的空间成像[1]
| 高异质性
• 实现组织结构和功能
• 代谢物的识别与特征分布

图6 | 人食管癌组织中代谢物的高异质性空间分布[1]
鹿明空间代谢组学技术优势
| 项目经验
小鼠/大鼠:脑、肾、心、肝、脾、脊髓、垂体、胰腺、皮肤、整只小鼠/大鼠
肿瘤组织:食管癌、甲状腺癌、肺癌、乳腺癌、胃癌、脑胶质瘤、鼻咽癌、皮肤癌、肝癌
植物组织:根、种子
| 硬件支持
• 服务行业第一台自有AFAI-MSI,获得多项发明专利
• Thermo QE 高分辨质谱
• 空间分辨率(100um*100um、20um*20um)+高质量分辨率:仪器持续升级

| 发明专利
3项授权发明专利、1项软件著作权、申请发明专利10项;
CISILE 2019自主创新金奖,2019 CAIA特等奖
部分授权专利
1. 敞开式喷雾场解吸离子化方法及离子化装置,发明专利,授权号:ZL 2007 1 0303649.0
2. 质谱成像平台装置及其控制方法,发明专利,授权号 :ZL 2012 1 0055424.9
3.一种离子源温控加热装置,发明专利,授权号:ZL 2012 1 0348043.X
4. 一种用于生物组织质谱成像的离子传输装置,实用新型专利,授权号 :ZL 201520580709.3
| 数据库支持

• 软件支持
MassImager成像处理软件
基于大数据与人工智能的质谱成像软件

| 服务支持
• 学术支持:贺玖明教授,国内最早开发空间代谢组学方法的科学家之
• PNAS、Theranostics、Advanced Science、AC等杂志发表文章10余篇(见参考文献)
· 技术流程

· 应用方向
| 医学领域
• 疾病分子机制,如阿尔茨海默症、抑郁、脑缺血、糖尿病、心血管疾病等;
• 生殖发育学,如胚胎、器官发育过程中代谢调控和代谢表型等;
• 肿瘤代谢与肿瘤免疫,如肿瘤代谢微环境与肿瘤免疫逃逸等;
• 肿瘤分子病理诊断、分子分期/分型、生物标志物筛选等;
• 肿瘤耐药与精准用药研究等;
• 环境毒理学,如环境污染物的体内毒性效应和分子机制等;
• 新药药理和毒理,如药物的空间分布和体内效应和分子机制等;
| 农林牧渔领域
• 发育学,如种子、胚胎、器官发育过程中的空间代谢调控等;
• 分子机制,如盐胁迫、病毒/真菌侵染、光合作用等机制研究;
• 基因调控机制,如转基因、基因沉默、基因敲除后代谢物变化的机制研究,了解基因与代谢物之间的精确关系等;
•植物与环境互作研究,如昆虫选择性侵害植物部位、土壤与根部互作研究等;
• 植物药用成分定位;
· 样本准备指南
| 样本类型
• 未经过福尔马林浸泡、HE染色,荧光标记等处理的新鲜组织样本;
• 小至直径2mm*2mm,大至整只大鼠、小鼠(15cm×10cm)。常规样本大小为1cm3左右;
| 送样准备
1)实验前准备
• 预冷生理盐水
• 50mL离心管中
• 封口膜或保鲜膜、锡箔纸、干冰、液氮、滤纸片、镊子、记号笔等;
2)样本处理流程

3)送样流程
• 干冰寄送时,将样本盒埋没于干冰中,保证其上下都有干冰覆盖;
• 干冰的量根据每天4公斤来计算,使用厚实(2cm以上厚度)的泡沫箱寄送。
4)送样注意事项
•在允许的条件下,建议多准备一份样品作为备用;
• 样本质量是影响实验结果的最关键因素,因此在采集、制备、贮存、运输过程中应尽可能地做到迅速,最大限度的缩短样本从采集到实验的时间。
· 样本常见问题
| 空间代谢组一般建议多少生物学重复?
• 对于个体差异比较小的样本类型生物学重复建议每组至少3重复;
• 对于群居性较大型动物(牛、羊、猪等),建议5重复;
• 对于临床样本,个体差异非常大,建议每组≥5重复;
| 组织需要灌流处理吗?
建议不进行灌流,灌流液有可能带走一些水溶性的代谢物,灌流力度不合适,也会造成组织结构的改变。但若不考虑水溶性代谢物或者想要排除血液中代谢物,那么可以考虑灌流。
| 如何选择合适的切面?
切面取决于客户的研究目的,切片需要涵盖研究关注的区域,特别是像脑组织等具有复杂结构的组织或有特殊要求的。建议客户到公司共同完成切片的过程,提高切片的成功率,也减少中间沟通的时间成本;像肿瘤组织,最好能包含癌、癌旁和癌远端组织,一般选择最大截面进行切片。
研究案例分析
| 案例一:AFAI-MSI空间代谢组的高灵敏度和高覆盖度

中文标题:一种高灵敏和高覆盖度用于检测基于分子组织学的功能代谢物的环境质谱成像方法
研究对象:大鼠肾脏组织、大鼠脑组织、人食管癌组织
技术平台:AFAI-MSI

| 摘要
功能代谢物与组织结构和生物功能之间有着深刻的联系,通过空间代谢组学提供代谢物的原位信息,在分子水平上从本质上揭示组织中发生了什么。然而,由于组织样品的复杂性、异质性以及存在大量不同的代谢物,但对于那些低丰度的功能性代谢物进行空间定位仍然是一个挑战。本研究,介绍了一种灵敏的气流辅助解吸电喷雾电离质谱成像方法,用于获得多种代谢物的空间成像。该技术具有覆盖范围广、灵敏度高、动态范围宽、分析过程快速、组织代谢物成像特异性高等特点。鉴定到1500多种代谢产物,包括胆碱、多胺、氨基酸、肉碱、核苷、核苷酸、氮碱基、有机酸、碳水化合物、胆固醇硫酸盐、胆酸、脂类等。该技术可以在非靶向分析中实现代谢物的空间可视化。代谢物的空间分布与异种移植的大鼠肾、大鼠脑和人食管癌的组织学结构和生物功能具有良好的空间匹配性。这种方法能够全面展示组织中的代谢物分布,并为组织学检查中的结构和功能分子识别,甚至为术中决策提供了一种有洞察力的方法。
| 结果展示

高灵敏度:含量为pg级的硫苷脂类代谢物在大鼠脑的成像图

宽动态范围:动态范围在103数量级的甜菜碱及其同位素离子在大鼠肾脏的成像图

高特异性:三种m/z非常相近的代谢物 (m/z 369.0229;m/z 369.0998;m/z 369.2297)在大鼠肾脏中具有特异性分布

高异质性:大鼠脑中m/z 808.5143,m/z 369.5557的空间成像图呈现组织结构分布的互补

上海鹿明生物科技有限公司多年来,一直专注于生命科学和生命技术领域,是国内早期开展以蛋白组和代谢组为基础的多层组学整合实验与分析的团队。经过多年的发展沉淀,公司建立起了4D-DIA/LFQ/PRM、iTRAQ/TMT、DIA、PRM、修饰蛋白组等蛋白组学技术平台和空间代谢组学、全谱代谢组等代谢组学平台。

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特邀中国医学科学院药物研究所天然药物活性物质与功能国家重点实验室
贺玖明研究员作为讲师
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【质谱成像空间代谢组学方法及其生物医学研究进展】
重点是免费参与直播互动交流哦~


贺玖明
研究员,博士生导师
中国医学科学院药物研究所天然药物活性物质与功能国家重点实验室研究员。
主持国家自然科学基金项目 3 项、国家重大科学研究计划任务 1 项;参与重大新药研发专项项目等多项课题。
主持 1 个靶向抗肿瘤的水溶性紫杉醇前药研发;发表署名 SCI 论文 93 篇,包括第一或通讯作者发表 Adv. Sci., PNAS,Anal. Chem. 等论文。曾获 2010 年北京市科学技术奖二等奖(2)、CAIA2019 特等奖(2)。
担任 Acta Pharmaceutica Sinica B 青年编委,北京药理学会药代专业委员会委员等。

参考文献:
[1] A Sensitive and Wide Coverage Ambient Mass Spectrometry Imaging Method for Functional Metabolites Based Molecular Histology.[J]. Advanced science (Weinheim, Baden-Wurttemberg, Germany), 2018. 5(11):1800250.
[2] Wu Q, Chu JL, Rubakhin SS, Gillette MU, Sweedler JV. Dopamine-modified TiO2 monolith-assisted LDI MS imaging for simultaneous localization of small metabolites and lipids in mouse brain tissue with enhanced detection selectivity and sensitivity. Chem Sci. 2017;8(5):3926-3938.
[3] Spatially resolved metabolomics to discover tumor-associated metabolic alterations.[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2019. 116(1):52-57.
[4] Wang Z , He B , Liu Y , et al. In situ metabolomics in nephrotoxicity of aristolochic acids based on air flow-assisted desorption electrospray ionization mass spectrometry imaging[J]. Acta Pharmaceutica Sinica. B, 2020, 10(6):1083-1093.
[5] Zhang J , Du Q , Song X , et al. Evaluation of the tumor-targeting efficiency and intratumor heterogeneity of anticancer drugs using quantitative mass spectrometry imaging[J]. Theranostics, 2020, 10(6):2621-2630.
[6] A high-performance bio-tissue imaging method using air flow-assisted desorption electrospray ionization coupled with a high resolution mass spectrometer[J]. Chinese Chemical Letters,2019,30(2):461-464.
[7] AZL , ADL , AXP , et al. Whole-body spatially-resolved metabolomics method for profiling the metabolic differences of epimer drug candidates using ambient mass spectrometry imaging[J]. Talanta, 2019, 202:198-206.
[8] ALH , BXM , ACS , et al. A graphical data processing pipeline for mass spectrometry imaging-based spatially resolved metabolomics on tumor heterogeneity[J]. Analytica Chimica Acta, 2019, 1077:183-190.
[9] He J , Huang L , Tian R , et al. MassImager: A software for interactive and in-depth analysis of mass spectrometry imaging data[J]. Analytica Chimica Acta, 2018,1015:50-57.
[10] Garcia-Calvo E , Machuca A , Cristina Nerín, et al. Integration of untargeted and targeted mass spectrometry-based metabolomics provides novel insights into the potential toxicity associated to surfynol - ScienceDirect[J]. Food and Chemical Toxicology, 2020,146:111849.
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