探针电喷雾电离质谱分析的样品制备

摘要

本文介绍了基于常压质谱技术的一种独特实时分析方法的样品制备步骤。该方法使我们能够在无需任何特殊预处理的情况下，对生物分子进行实时的活体分析。

摘要

质谱法（MS）是分析化学中一种强大的工具，因为它能够提供关于分子的非常精确的信息，例如质荷比（m/z），这些信息可用于推断分子量和分子结构。尽管质谱法本质上是一种破坏性分析方法，但近年来环境电离技术的进步使我们能够在组织完整性相对完好的情况下获取数据。探针电喷雾电离（PESI）是一种所谓的直接分析方法，因为它不需要复杂且耗时的样品前处理。一根细针既充当样品采集器，又作为电离发射器。由于探针尖端极为尖锐精细，对样品的破坏极小，从而允许我们原位实时获取来自生物体的分子信息。本文将介绍PESI-MS技术在生物医学研究与开发中的三个应用。第一个应用涉及固体组织分析，这是该技术在医学诊断中的基本应用形式。由于该技术仅需10 mg样品，因此在常规临床环境中可能具有重要应用价值。第二个应用面向体外医学诊断，用于检测人血清样本。液体样品的检测能力在多种生物学实验中也十分宝贵，尤其适用于无法为传统分析技术提供足够样品体积的情况。第三个应用侧重于将探针直接应用于活体动物，从而可实时监测特定器官中代谢物或药物的动态变化。在每一项应用中，我们均可通过质谱检测结果推断所识别的分子，或利用人工智能实现医学诊断。

引言

质谱法（MS）是还原论的一种技术实现；它将分析对象简化为可基于分子种类或级联过程进行解释的基本单位，因此是分析化学的代表性方法。质谱法由四个过程组成：电离、分析、检测和谱图获取。由于分子的电离是质谱分析中的第一步，它通常限制了待测分析物的形式。大多数电离过程需要破坏有机样品的结构、形态以及实时的生物过程。例如，电喷雾电离（ESI）质谱要求样品处于液态才能实现高效电离¹。因此，样品必须经过复杂的生化前处理，而这会改变分子的组成。相比之下，基质辅助激光解吸电离（MALDI）质谱虽可重建薄切组织的分子分布图谱^2,3，但其电离效率过低，难以检测样品中所有分子，尤其不适用于脂肪酸的分析。鉴于这些局限性，探针式电喷雾电离（PESI）⁴可在不破坏结构完整性的前提下，原位观察生物系统中的实时变化⁵，且被观测的生物体在技术上仍处于活体状态。该方法使用一根极细的针，同时作为取样工具和离子发射器。这意味着可以跳过复杂的样品前处理步骤，直接获得反映活体系统原位分子组分的质谱数据。

目前存在其他几种可与PESI-MS相竞争的电离方法。其中之一是快速蒸发电离质谱法（rapid evaporative ionization mass spectrometry, REIMS）⁶。该技术在手术过程中表现良好，因其可与电刀集成，采集切口过程中产生的离子羽流。尽管REIMS在手术中非常有用，但它本质上是一种破坏性方法，需要通过电消融组织来实现。因此，该方法不适用于制备样品或实验室分析中对细胞和组织的详细分析。此外，由于其采集的羽流中含有大量组织碎片，每次使用后均需对设备进行长时间维护，从而限制了该仪器仅能用于特定的外科手术操作。另一种类似的方法称为激光解吸电离质谱法（laser desorption ionization mass spectrometry, LDI-MS）⁷，该技术具有非侵入性，适用于表面分析。由于该方法擅长对样品表面进行扫描，可实现类似基质辅助激光解吸电离成像质谱（MALDI imaging mass spectrometry）^8,9的全面二维分析。然而，由于LDI-MS仅适用于表面分析，PESI-MS在分析组织内部等样品时更具优势。另一种技术——MasSpec Pen¹⁰，据报道在甲状腺癌诊断中实现了高特异性和高灵敏度，但其探针直径在毫米量级，且专用于表面分析，这意味着它无法检测微小的癌结节或深部病灶。此外，由于该方法使用嵌入探针笔内的微毛细管流道，必须考虑交叉污染问题，这一点与LDI-MS类似。还有其他一些已应用于临床环境的技术，例如流动探针和拭子电离形式¹¹，但这些技术尚未广泛普及。

PESI 是对 ESI 的极端微型化，其中纳米电喷雾的毛细管汇聚于一根固体针尖曲率半径为数百纳米的金属针上。电离发生在针尖极其有限的区域内，通过形成泰勒锥（Taylor cone）实现，样品会保留在针尖直至针尖上所有液体完成电离¹²。若分析物停留在金属针尖上，则在金属针与分析物之间的界面处会持续产生过量电荷。因此，分子的电离顺序取决于其表面活性。这一特性使针尖起到类似色谱图的作用，根据分析物的表面活性实现分离。更具体而言，表面活性较强的分子会迁移至泰勒锥表面，并优先于表面活性较弱的分子被电离；后者则会附着在针尖表面直至电离过程结束。因此，可实现被针尖采集的所有分子的完全电离¹³。此外，由于该技术无需向样品中添加过量溶剂，仅需数百飞升级别的样品量即可获得足够强的质谱信号用于后续分析¹⁴。这些特性使其在完整生物样品分析中具有显著优势。然而，PESI-MS 的主要缺点在于电离过程的不连续性，这是由于针尖沿垂直轴往复运动所致，类似于锯切装置。只有当探针针尖运动至最高点、离子出口高度与水平轴对齐时，电离才会发生；而在针尖采样过程中电离则停止。因此，其电离稳定性不及传统的 ESI。正因如此，PESI-MS 并非蛋白质组学研究的理想方法。

迄今为止，PESI-MS 主要应用于生物系统的分析，涵盖从基础研究到临床应用的广泛领域。例如，在手术过程中直接分析人体组织，能够揭示三酰甘油在肾细胞癌¹⁵和咽鳞状细胞癌¹⁶中的积累情况。该方法还可用于检测血液等液体样本，以聚焦脂质谱分析。例如，在兔子饮食变化过程中，已鉴定出某些分子；据报道，其中一些分子在实验的极早期阶段即出现下降，表明该系统在临床诊断中具有高灵敏度和实用性¹⁷。此外，将该方法直接应用于活体动物，可在仅禁食一晚后即检测到肝脏的生化变化⁵。Zaitsu 等人¹⁸重复了该实验⁵，并以几乎相同的方式分析了肝脏的代谢谱，结果进一步验证了我们原始方法的稳定性和可重复性。此外，我们还能够利用该技术在小鼠中区分癌组织与周围非癌变肝组织¹⁹。因此，这是一种多功能的质谱技术，适用于体内和体外多种实验场景。从另一个角度来看，通过调整安装附件，PESI 模块可适配多种质谱仪。在本文中，我们将介绍该技术的基本原理及应用实例（图1），包括在活体动物中的应用⁵。

根据各国的法规和法律，本方案的部分内容需要修订，以满足各机构的具体要求。对活体生物的应用是最具吸引力且最具挑战性的，因为它能够原位提供活体动物组织或器官中的生化或代谢变化信息。尽管该应用已于2013年获得山梨大学动物实验机构委员会的批准⁵，但由于近期动物实验相关法规的更新，目前需要重新申请审批。因此，建议对实验方案进行若干修改。关于实验中获得的质谱数据，考虑到每次测量之间质谱波动的存在，目前尚无类似于核苷酸测序领域通用的谱图信息共享系统。操作人员在使用针头时必须格外小心，以避免针刺事故，尤其是在将针头从针座上拆卸时。为此，使用专门的针头拆卸装置非常有效。由于PESI模块的腔室为密闭的密封空间，只要按照说明操作质谱仪，离子羽流便不会发生泄漏。

方案

山梨大学动物护理机构委员会批准了本文所述的所有实验方案及实验动物的使用。山梨大学机构伦理委员会批准了人类样本的使用。

1. 实体组织制备

注意：样本从动物或人体取出后必须置于冰上，以保持组织的新鲜度。如果解剖后不能立即进行测量，建议将组织储存在 -80 °C。不建议将组织置于任何类型的缓冲液或生理盐水中，因为这些溶液可能会提取组织中的某些成分。经醛类固定或包埋于石蜡/蜡质或冷冻凝胶中的组织不适合进行质谱（MS）检测。

1. 使用手术刀或刀片将组织样本切成约 2 x 2 x 2 mm 的大小。或者，也可使用皮肤检查用的一次性活检穿刺针（钻孔直径 3 mm）打孔取样。若采用此方法，需将柱状样本的长度修剪至 2 mm。
   注意：任何组织均可采用本方法进行分析。在本实验中，肝脏¹⁵和肾脏¹⁹已成功用于获取质谱图。通常，实质器官可获得良好的质谱信号，而含有纤维成分的组织则效果较差。
2. 若组织被血液污染，需用冰冻的磷酸盐缓冲盐水短暂清洗。
   注意：为尽量减少死后组织损伤，应在室温下尽快完成此步骤。若不能立即进行检测，应将组织在液氮中速冻后于 -80 °C 保存。
3. 将切割或穿刺所得的样本（约 10 mg）放入塑料微量离心管中，并加入 100 µL 的 50% 乙醇。
   注意：由于本系统所用质谱仪不提供定量数据，因此无需精确称量样本质量。对于实质组织而言，约 10 mg 为最佳用量。
4. 使用微型研磨杵对样本进行匀浆处理。
5. 取 10 µL 匀浆液加入到试剂盒的样品孔中（图 2）。
6. 将试剂盒放入质谱仪的离子化室中，并安装用于样本离子化的不锈钢探针（图 2）。
   注意：探针由制造商提供，材质为不锈钢，曲率半径约为 400 nm。
7. 牢固关闭离子化室盖，以自动激活安全装置。
8. 点击开始图标启动机载计算机进行分析。通过屏幕上的控制面板，向探针施加 2.3 kV 电压以产生电喷雾，并确保探针频率为 3 Hz。
9. 等待 30 秒，直至测量完成。
   注意：当数据采集完成后，系统将自动停止运行。分析质量可通过总离子流色谱图（TIC）进行监控。测量时间设定为获得代表性质谱图所需的时间，可根据需要缩短或延长。
10. 每次测量后，将试剂盒和探针放入生物危害废物容器中处理。
    注意：每次只能测量一个样本。每次测量前无需校准仪器；仪器校准由供应商每六个月进行一次定期检查即可。
11. 使用质谱仪配套软件（见材料表）分析质谱数据，并按以下步骤导出质谱文本数据（图 3）。
    1. 在软件的数据文件浏览器窗口中点击lcd文件。
    2. 在质谱图窗口中选择并点击一个单峰，软件将自动绘制提取离子色谱图（EIC）。
    3. 检查总离子流色谱图（TIC）和提取离子色谱图（EIC），点击平均谱图图标，选择生成质谱图的时间范围。
       注意：在本分析中，目标分子出现在质荷比（m/z）窗口内（图 3）。此外，由于探针每次移动所产生的离子化持续时间极短，因此所获得的所有质谱图本质上均为 10 秒内（300 次扫描）的平均谱图。
    4. 点击导出选项卡，生成包含m/z值和离子强度的文本文件，用于后续分析。该文本文件可保存至任意文件夹。
       注意：任何 RNA 保存剂均会影响样本的天然谱图模式。此外，建议在处理和储存组织时避免使用任何液体（如磷酸盐缓冲盐水），以防止储存过程中分子组分从组织中溶出至液体中。理想情况下，应使用未经任何处理的新鲜或新鲜冷冻样本。

2. 体液（血清）制备

注意：此整个操作流程与用于固体组织的流程几乎完全相同。液体样本的 cartridge 可从制造商处获得。由于红细胞（RBC）的污染会显著降低目标组分（血浆或血清）光谱采集的效率，因此在测量前务必通过离心彻底去除所有红细胞。

1. 取10 µL血清样本，放入1.5 mL微量离心管中。
   注意：新鲜或储存的血清均可使用。
2. 向1.5 mL离心管中加入190 µL 50%乙醇，然后在室温下涡旋振荡2分钟。
3. 在4 °C条件下，以15,000 x g离心1–5分钟。
4. 将10 µL上清液转移至试剂盒的加样孔中。
5. 将试剂盒放入仪器的电离室中，并安装用于样本电离的不锈钢针状探头（图2）。
6. 牢固关闭电离室盖，以自动激活安全装置。
7. 点击开始图标启动机载计算机，开始电离。
8. 测量完成后，按照1.10步骤所述丢弃样本试剂盒和探针。
9. 按以下说明分析获得的EIC图谱集（图3）。
   1. 在数据浏览器中打开lcd文件。
   2. 点击单个峰以显示TIC和EIC图谱。
   3. 使用平均谱图图标选择生成质谱的时间范围窗口。
   4. 点击显示器上的导出选项卡，导出包含相应峰的m/z值和离子强度的生成文件。
      注意：该方法同样适用于唾液、尿液及其他体液样本。

3. 活体生物体内原位PESI-MS分析的准备工作

注意：本节介绍了一种在活体小鼠模型中监测5-氟-2'-脱氧尿苷（5-FdU）代谢谱的应用。整个操作过程需保持无菌条件。

1. 将100 µL的100 mM 5-FdU溶液注入2月龄小鼠（体重约20 g）的尾静脉。
   注意：对小鼠的性别、年龄或品系无特殊要求。尽管本实验方案在我们开展实验时已获批准⁵，但该实验的可行性取决于实验所在国家的伦理限制。
2. 根据已批准的动物护理方案对小鼠进行麻醉。通过夹捏尾巴无反应来评估麻醉深度。
   注意：若伦理委员会不允许使用戊巴比妥钠，可采用其他替代方法，例如盐酸氯胺酮。
3. 使用电动剃刀剃除腹部毛发，并在眼睛上涂抹兽用眼膏。
4. 将麻醉后的小鼠仰卧固定于塑料板上，用医用胶带固定四肢。用70%酒精棉球对术区进行三次擦拭消毒。
5. 使用剪刀切开腹腔。首先在横膈膜稍上方处横向切开皮肤约10 mm，再横向切开腹壁肌肉和腹膜约7 mm，并用不锈钢丝撑开切口以暴露肝脏表面。
   注意：无需灌注肝脏表面。
6. 将探针针尖接触肝脏表面。调整针尖插入深度至约0.5 mm，以优化离子化效率，同时观察总离子流（TIC）和质谱图。在控制面板屏幕上设置高压为2.3 kV，频率为3 Hz。
7. 将动物从塑料板上移下。
8. 使用外科肠线缝合伤口，并将小鼠放回笼中。在小鼠恢复意识并能维持胸卧位之前不得无人看管。在小鼠完全恢复前不得将其与其他动物合笼。
9. 按照1.11.1至1.11.4步骤进行EIC中离子强度的时间进程分析及EIC成像操作。

结果

如图3所示，PESI-MS技术获得的数据为质谱图，其m/z范围在本系统中为10至1,200。尽管可检测至m/z 2,000的分子，但使用该技术在m/z 1,200以上的质量范围内获得的峰极少。因此，我们分析了m/z 10至1,200范围内的峰。在m/z 800和900附近存在明显的峰群；前者代表细胞膜组分，如磷脂酰胆碱（PC）类物质，后者代表三酰基甘油（TAG）。图4展示了来自正常人肾组织和肾细胞癌（RCC）的质谱图。这些质谱图是通过方案1中所述的直接组织方法获得的。由于透明细胞型RCC在细胞质中积累TAG，因此在m/z 900附近的谱峰非常显著。图4中的结果是采用图1中针对固体样品介绍的提取方法获得的。

讨论

尽管PESI是质谱分析中电喷雾电离（ESI）的一种衍生技术⁴，但它在实时代谢组学监测以及无需进行任何复杂或耗时前处理的生化反应分析方面具有显著优势^5,14,15,17。PESI是一种简便且即时的质谱技术，可直接应用于生物体的完整状态分析。由于无需复杂的样品前处理流程，因此更有可能全面评估整个样本的分子组成，避免了传统ESI中因使用大量有机溶剂进行多步前处理而导致的样本损失。因此，在所有条件得到适当控制的前提下，PESI能够从样本中获取更为丰富的信息。

在进行PESI-MS分析时，我们首先需要提及一些为获得良好结果所需的技术要点。PESI中最关键的因素是在分析过程中维持稳定的离子化效率。为实现这一点，建议在分析过程中通过参考计算机显示器上的总离子流（TIC），逐步调整并优化针尖与样品...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
5-氟-2'-脱氧尿苷 (5-FdU)	Sigma-Aldrich	F8791-25MG	25mg
一次性双刃活检打孔器（Trepan）	kai Europa GmbH	BP-30F	孔径 3mm
乙醇	nacalai tesque	14710-25	特级纯试剂
LabSolutions	Shimadzu		版本 5.96，数据分析软件
微量研磨杵	United Scientific Supplies	S13091
微量离心管	Treff	982855	0.5 mL 透明管
PESI-MS（探针电喷雾电离质谱）	Shimadzu	DPiMS-2020	配备PESI的质谱仪
PPGT溶液	Shimadzu	ND	连接至DPiMS-2020