方法文章

使用解吸电喷雾电离质谱成像技术可视化中药空间代谢组中鉴定的代谢物

DOI：

10.3791/64912

⸱

2022年12月16日

 ,  ,  ,  ,  , 
1Innovative Institute of Chinese Medicine and Pharmacy, Chengdu University of Traditional Chinese Medicine, 2Tianfu Chinese Medicine Innovation Harbour, Chengdu University of Traditional Chinese Medicine, 3School of Medical Technology, Chengdu University of Traditional Chinese Medicine, 4China Resources Sanjiu (Ya’an) Pharmaceutical Co., Ltd.

本文内容

摘要

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本研究介绍了一系列从植物中制备解吸电喷雾电离质谱成像（DESI-MSI）样品的方法，并详细描述了解吸电喷雾电离装置的组装与安装、质谱成像数据采集及数据处理的流程。该方案可应用于多种条件下获取植物中的空间代谢组信息。

摘要

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中药的药用价值主要源于其产生的次生代谢产物。这些代谢产物分布的可视化已成为植物科学中的一个重要课题。质谱成像技术能够通过分析组织切片，获取大量数据并提供这些代谢物的空间分布信息。得益于高通量和高准确性的优势，解吸电喷雾电离质谱成像技术（DESI-MSI）常被应用于生物研究及中药研究中。然而，目前该研究中所采用的操作流程较为复杂，且成本较高。本研究优化了组织切片制备和DESI成像流程，建立了一种更具成本效益的方法，用于鉴定植物组织中代谢物的分布并对其化合物进行分类，尤其聚焦于中药的研究。本研究将推动DESI技术在代谢物分析中的应用，并促进中药/民族药相关研究技术的标准化。

引言

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代谢物分布的可视化已成为植物科学中的一个重要课题，尤其是在中药研究领域，因为它揭示了植物体内特定代谢物的形成过程。针对传统中药（TCM），该技术可提供有关活性成分的信息，并指导药用植物部位在药物应用中的使用。通常，代谢物的可视化是通过 原位 杂交、荧光显微镜或免疫组织化学，然而这些实验所检测到的化合物数量提供的化学信息有限。结合组织染色，质谱成像（MSI）可通过在微米级别上扫描和分析组织切片，提供大量数据并揭示化合物的空间分布信息1质谱成像技术利用分析物对样品表面进行解吸和电离，随后对产生的气相离子进行质谱分析，并应用成像软件整合信息，绘制记录特定离子丰度的二维图像。该技术可通过检测药物及其诱导代谢物在靶组织和器官中的特征性分布，同时鉴定外源性和内源性分子。2,3,4,5.

近几十年来，已开发出多种成像质谱（MS）技术，其中最突出的包括基于解吸电喷雾电离的质谱成像（DESI-MSI）、基质辅助激光解吸/电离（MALDI）以及二次离子质谱（SIMS）6。由于DESI-MSI可在常压下操作、通量高且准确性更高，常被用于生物研究7。MALDI已被用于鉴定转甲状腺素蛋白片段，作为庆大霉素潜在的肾毒性生物标志物，并用于分析在小鼠脑中给予1-甲基-4-苯基-1,2,3,6-四氢吡啶后神经毒性代谢物1-甲基-4-苯基吡啶inium的分布情况8,9。MALDI和DESI已被用于确定给药兔肾脏中药物诱导形成的类晶体结构的化学成分；这些结构主要由药物去甲基化和/或氧化形成的代谢物组成10。此外，质谱成像还被应用于定位药物毒性在靶器官中的代谢物分布。然而，植物组织中的细胞与动物不同，具有多样性，需要特殊的切片程序。

在植物中，通过使用基质辅助激光解吸电离成像技术（MALDI成像），目前已分析了小麦（Triticum aestivum）茎、大豆（Glycine max）、水稻（Oryza sativa）种子、拟南芥（Arabidopsis thaliana）花和根以及大麦（Hordeum vulgare）种子中不同化合物的分布11,12,13,14,15,16,17,18。最近的研究报道，解吸电喷雾电离质谱成像技术（DESI-MSI）正逐渐应用于天然药物及天然产物的代谢物分析，尤其是在银杏（Ginkgo biloba）、附子和青蒿（Artemisia annua L.）等中药中的应用19,20,21。在这些研究中，植物材料样品的制备方案各不相同，部分方法需要更为复杂的设备，例如冷冻切片机。DESI-MSI对被测样品表面的平整度有严格要求。在分析动物器官或组织时，样品通常通过冷冻切片制备22。然而，冷冻切片过程较为复杂且成本较高，而常用的包埋剂最佳切割温度（OCT）在成像时会产生较强的信号干扰。此外，中药材的药用部位各不相同；例如，丹参（Salvia miltiorrhiza）的根在中国被称为 丹参，具有药用价值，而紫苏（Perilla frutescens）则以叶片入药23,24。因此，有必要改进样品制备流程，以促进DESI技术在中药代谢物分析中的应用。

作为一种多年生草本植物和常用的中药， 丹参（S. miltiorrhiza） 最早记载于最古老的药物学专著《神农本草经》（中文名：Shennong Bencao Jing）。在本研究中，我们优化了切片和DESI成像流程，开发出一种更具成本效益的方法，用于鉴定组织中化合物的分布并对其进行分类 丹参（Salvia miltiorrhiza）该方法还可克服干燥组织在氮气吹扫下通常易碎裂的缺点，并推动中医药的发展。本研究将促进中医药/民族医药相关科研技术的标准化。

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方案

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1. 样品制备

  1. 从一株两年生的 Salvia miltiorrhiza 植物中采集清洗干净的根和叶 （图1A），然后手动切成横截面厚度约为3-5 mm的切片。接着，使用双面胶带将样品粘附到载玻片上（图1B）。
    注意：确保双面胶带的尺寸大于样品。若组织已干燥，切片前需将其浸泡于水或4%多聚甲醛中过夜。
  2. 将另一张载玻片覆盖在样品上方，用封口膜将两张载玻片像三明治一样包裹起来（图1C）。将此三明治结构样品在-80 °C下冷冻至少4 h，然后在以下设定条件下进行2 h的真空干燥（图1D）：冷阱温度为-75至-82 °C，真空计压力为2.5至3.7 Pa。
    注意：包裹封口膜时应确保两张载玻片相互平行，以保持样品表面完整。若植物组织含水量较高，可将真空干燥时间延长至3 h，但不得超过5 h，否则组织易发生断裂。
  3. 将三明治结构样品储存于-80 °C直至分析。在干燥器中将样品恢复至室温，以避免样品表面产生冷凝水。随后进行基质涂布。

2. 解吸电喷雾电离（DESI）装置的安装

  1. 在ESI模式下进行仪器的检测器设置和质量校准；使用水-乙腈（1:1 v/v）溶液中的亮氨酸脑啡肽（Leucine Enkephalin, LE）进行检测器设置，并用水-异丙醇（1:1 v/v）溶液中的甲酸钠（sodium formate, NaFA）进行质量校准。
  2. 取下ESI离子源，将DESI装置安装到质谱仪上。将N2气源连接至DESI装置，并将气体压力调节至约0.5 MPa（图2A）。更换离子源时无需对仪器放空。
  3. 用5 mL注射器吸取含亮氨酸脑啡肽和甲酸的水-甲醇（1:9 v/v）溶液，并将该注射器连接至高性能注射泵，以提供样品中化学物质电离所需的溶剂（图2B）。
  4. 将供溶毛细管连接至注射器和DESI喷雾器（图2C）。供溶毛细管为标准规格，内径75 µm，外径375 µm；其管径较细，易被杂质堵塞，因此在扫描过程中所用溶剂应为质谱级，并在使用前过滤，以降低堵塞风险。
  5. 启动注射泵，设定流速为2 µL/min，以获得稳定流动和连续喷雾的溶剂（图2B）。先关闭N2气体阀门，约15秒后再打开；此时会有少量溶剂被吹出至样品台，若溶剂流动稳定，即可观察到喷雾现象。
  6. 调整喷雾器的位置，包括喷雾角度、XYZ轴位置、探出长度和高度（图2D）。使用红色和黑色标记作为参考，优化质谱信号，使在灵敏度模式下的信号强度达到1 × 105以上（图2E）。
    1. 喷雾器的探出长度是影响信号强度的最关键因素；可通过5 mm扳手更换N2气体保护套来调节探出长度。喷雾方向会影响质谱成像质量；旋转喷雾器直至喷雾呈直线。一旦将探出长度调节至最佳信号强度位置，在更换离子源时应尽量避免再次调整。
  7. 完成上述所有步骤后，系统即可用于实验，且通常在初始设置完成后可保持稳定运行超过>3周。

3. DESI-MS 成像采集

  1. 进行 DESI-MSI 时，无需对样品进行预处理。对于已进行预处理的样品，应尽可能减少预处理步骤。例如，某些样品必须使用封片介质制备，此时应尽可能去除载玻片上的过量介质。
  2. 拍摄载玻片上样品的图像（图 3A）。切勿触碰样品表面，以避免引入任何杂质。
  3. 将载玻片放置在 DESI 电离源平台的板位上。该平台有两个板位，A 和 B；务必记住正确的板位。使用标准载玻片（75 mm × 25 mm）或整片载玻片，否则载玻片无法正确安装且不能稳定固定。整片载玻片（120 mm × 80 mm）最多可容纳四张标准载玻片，因此可提供更大的实验面积。
  4. 打开高分辨率质谱成像处理软件，在“采集”选项卡中设置新板位，并选择正确的板位（A 或 B）及板类型。在图像选择页面，选择载玻片的四个角，软件将自动调整图像至正确方向（图 3A）。
  5. 设置质谱参数；常用的实验模式为 DESI-MS 模式，该模式下仅检测母离子。仪器在单次实验中只能使用一种极性，因此需选择正离子或负离子模式。为获得微量化学物质的更多信息，可启用高灵敏度模式（图 3B）。
  6. 在“模式”选项卡中绘制矩形以定义扫描区域，并设置像素尺寸。通常情况下，在 DESI-MS 模式下，应保持像素的 X 和 Y 尺寸相等。扫描速率不应超过像素尺寸的 5 倍（图 3C）。
  7. 保存项目，并导出用于质谱采集软件的工作表文件。
  8. 打开质谱采集软件，导入工作表文件，并将其另存为新的样品列表。点击 开始运行 以启动 MSI 扫描。通过导入多个工作表文件，可将多个图像添加至实验队列中。

4. DESI-MSI 数据处理与可视化

  1. 将样品的数据文件载入质谱成像处理软件，并设置DESI成像处理的参数（图3D）。由于使用了亮氨酸脑啡肽（Leucine Enkephalin）作为内标锁定质量，而锁定质量是识别实验极性的唯一依据，因此设定正确的锁定质量至关重要。设定如下数值：正离子模式为556.2772；负离子模式为554.2620。
  2. 可建立目标化学物质列表，此时处理结果将聚焦于该目标列表中的化合物。加载处理后的数据文件以可视化样品的DESI图像。点击"归一化"按钮，通过总离子色谱图（TIC）对数据进行归一化处理，以获得特定化合物相对于参考值的相对强度，从而实现不同样品之间的比较（图3E）。
  3. 在样品图像上绘制感兴趣区域（ROI），并在图像上复制多个副本；ROI可在不同图像间创建。选择所有ROI，并导出多变量分析（MVA），以从所有ROI中提取质谱信息用于多变量分析（图3F）。

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结果

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该方案可用于鉴定和分析植物样品中化合物的分布情况。在特定 m/z 的质谱成像图中，每个像素的颜色代表该 m/z 的相对强度，因此可反映代谢物离子在整个样品中的天然分布及其丰度。采集位置处化学物质的丰度越高，颜色越明亮。图中的色阶条（图 4A-D）显示了颜色的梯度变化。在此，我们选择了两种在丹参（S. miltiorrhiza）药用中具有重要价值的化合物。如 图 4A-D 所示，目标化合物丹参酮 IIA（m/z: 333.0893, M+H）和迷迭香酸（m/z: 705.1848, 2M+H-O）在根部不同区域的分布清晰可见。同时，在叶片中检测到了化合物丹参醇 A（m/z: 297.1127, M+H；m/z: 335.0686, M+K），如 图 4E-H

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讨论

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质谱技术的出现近年来为天然产物在分子水平上的研究开辟了新的视野24该质谱仪具有高灵敏度和高通量的特点，能够对天然产物中的代谢物进行靶向和非靶向分析，即使其浓度极低也能实现25因此，质谱技术目前被广泛应用于中药化学领域。对中药化学成分进行定性与定量研究，可提供药物及其相关化合物的成分信息，不仅为药理学研究提供适宜的参考，也为建立中药质量标准体系提供依据。26此外，在天然产物中，代谢特征通常与形态学和组织学特征相关27；因此，开展此项研究具有重要价值 原位 分析植物对各种生物和非生物胁迫条件的响应机制28然而，传统质谱分析所用的样品是来自某种天然产物或其特定部位的提取物溶液，因此质谱无法获得样品中代谢物在空间或时间上的分布信息。质谱成像技术（MSI）是一项大约二十年前发展起来的较新技术，能够从天然产物样品中获取代谢物，对分子信息进行定性和定量分析，并记录其时空分布信息。随后，在成图工具的...

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披露

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作者无任何利益冲突需要披露。

致谢

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

本工作得到四川省自然科学基金（编号：2022NSFSC0171）和成都中医药大学杏林人才计划（编号：030058042）的支持。

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
2-丙醇FisherCAS:67-63-0HPLC 纯度
乙腈Sigma-aldrichNumber-75-05-8LC-MS 纯度
粘附性显微镜载玻片Citotest scientific80312-3161显微镜玻璃载玻片 可粘附 样品 
风冷式干式真空泵EYELAFDU-2110在 -80°C 下运行的空气-真空设备
甲酸ACSF1089 | 64-18-6LC-MS 纯度
LE（亮氨酸脑啡肽）Waters186006013-1LC-MS 纯度
甲醇Sigma-aldrichNumber-67-56-1LC-MS 纯度
Parafilm Bemis Companysc-200288实验室封口膜
多聚甲醛Sigma-aldrichV900894试剂级
配备 DESI 源的 Q-Tof 质谱仪WatersSynapt XS

参考文献

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