2018年新技術:質譜成像起飛

【字體: 時間:2018年01月19日 來源:生物通

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  質譜成像方面的最新進展實現了單細胞、3D無標記分子作圖

  

是否可以在不使用到任何熒光標記或抗體的前提下,對組織中甚至單個細胞中的多個分子分布進行成像并確定它們的化學特性呢?這不是一個荒謬的想法,因為質譜成像技術(mass spectrometry imaging,MSI)確實有可能做得到。

幾十年前,質譜技術首次被用于針對組織和細胞中的元件分布進行成像。1997年,范德堡大學質譜研究中心主任,生物化學教授Richard Caprioli博士第一次提出基質輔助激光解吸電離(MALDI)質譜分子成像技術,這項技術不局限于特異的一種或者幾種蛋白質分子,它可在組織切片中找到每一種蛋白質分子,并提供這些蛋白質分子在組織中的空間分布的精確信息,而事先無需知道所檢測蛋白的信息,同時可對這些蛋白質分子含量進行相對定量。他的這一壯舉開啟了被稱為質譜分析無標記分子成像的研究新領域。

質譜分析是測量樣品中存在的化學物質的一種技術,而質譜成像MSI則是通過激光掃描組織表面,令特定點分子電離,然后利用質譜儀記錄每個點的完整質譜,再通過計算機程序重建代表組織切片上感興趣質量信號分布的圖像,這樣解析質譜數據就能確定分子。只要信號足,幾乎任何分子(如肽,代謝物和脂質)的分布都可以使用MSI進行映射,因此MSI除了在基礎研究中的眾多應用之外,在跟蹤藥物在組織中的分布或疾病診斷方面也具有很大的潛力。

最近在蛋白質組學研究方面的進展也來自于質譜的多種應用(包括MSI):新的離子源和高分辨率,高精度的質量分析儀使質譜靈敏度得到了實質性的改善,同時這種改進也激發了許多新的數據分析方法。

2017年,MSI技術進展使得解析亞細胞分子分布成為可能(例如,Nat.Methods 14,90-69,2017; Nat.Methods 14,1175-1183,2017),此外研究人員還開發了改進3D樣品中分子成像的方法(Nat.Methods 14,1175-1183,2017),并捕獲關于樣品拓撲結構的相應信息(Nat.Methods 14,1156-1158,2017),以及用于評估MSI分子鑒定的統計工具也有助于推進研究(例如,Nat.Methods 14,57-60,2017)。

通過質譜來檢測低豐度分子,定量和分子鑒定(特別是代謝物)的靈敏度仍有很大的提高空間。去年的這些新進展,以及尚未開放的MSI技術是否會有更廣泛的應用?這是一個值得關注的領域。
賽默飛世爾有關代謝組學的質譜分析平臺詳細技術資料

基質輔助激光解吸MALDI

有多達20%的人可能在其腦垂體中有良性囊腫或腫瘤。絕大多數的垂體腫瘤是良性的,但可引起頭痛和深度疲勞,也可能擾亂激素功能。目前,外科醫生依賴于放射影像和核磁共振成像,來收集關于腫瘤大小和形狀的信息,但這些成像技術的分辨率是有限的,如果患者的癥狀持續,就需要額外的手術去除更多的腫瘤。來自美國布萊根婦女醫院(BWH)的研究人員提出了一種新的技術,可以幫助外科醫生更精確、幾乎實時地確定腫瘤的位置。延伸閱讀:Nature子刊:新探針讓轉移腫瘤現原形。

這一新的策略,利用一種可視化技術(基質輔助激光解吸/電離質譜成像MALDI MSI),可以分析組織中的特定激素,包括生長激素和催乳素。在最新發表的這項研究中,研究人員發現,使用MALDI MSI,他們能夠在不到30分鐘的時間內,確定腦垂體樣本中的這種激素成分。這能夠給外科醫生提供重要的信息,幫助他們區分正常腺和腫瘤。

為了測試這一技術,研究小組分析了45份垂體腺瘤和6份正常垂體組織中的激素水平,發現正常或腫瘤樣本有明顯不同的蛋白特征。

質譜分析法,是測量樣品中存在的化學物質的一種技術,目前在手術室中使用,幫助告知臨床決策,但直到現在,焦點都集中在小分子——代謝物、脂肪酸和脂質,使用不同類型的方法。通過分析蛋白質,MALDI MSI提供了一種方法,使激素水平可視化。

目前用來檢測激素水平的方法,需要的時間太長,因此不能適應手術干預的時間限制。外科醫生必須去除更大數量可能健康的垂體,或者如果腫瘤沒有被完全去除再進行后續手術。

作者:Allison Doerr/生物通編譯

參考文獻:

Mass spectrometry imaging goes three dimensional

The 3D OrbiSIMS-label-free metabolic imaging with subcellular lateral resolution and high mass-resolving power

Autofocusing MALDI mass spectrometry imaging of tissue sections and 3D chemical topography of nonflat surfaces

Programmable full-adder computations in communicating three-dimensional cell cultures

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