采用解吸电喷雾电离质谱法对生物组织成像
2013年7月12日
解吸电喷雾电离质谱法（DESI-MS）是一种常温电离方法，可用于对包括生物组织在内的样品进行成像，且样品前处理步骤极少。通过在电离探针下方逐点扫描样品，这种基于喷雾的技术能够提供足够的空间分辨率，以分辨组织切片中感兴趣的分子特征。
以下实验的总体目标是利用常压质谱技术对生物组织中化学物质的空间分布进行成像。该目标通过使用解吸电喷雾电离（DESI）的气动辅助喷雾来解吸并电离组织中的分子而实现。第二步，以受控方式将DESI离子源在样品区域上进行扫描。
接下来，将质谱信息与样品台的空间运动相关联，以绘制离子强度随X和Y位置变化的分布图，最终生成化学图像。结果表明，根据选定脂质离子的质谱成像，包裹的脑组织中灰质与白质之间的脂质分布存在明显差异。
尽管该方法可提供生物组织中化学物质分布的信息，也可用于多种其他体系，包括薄层色谱板、矿物表面反应和海洋藻类。在开始此操作之前，使用含1%乙酸的ACEDONITE试液将组织固定在显微镜玻片上，并开启注射泵，流速设为每分钟五微升。
当溶剂开始从 DESI 源尖端滴出时，打开氮气雾化气体，压力设为 160 PS.I，然后开启连接至离子源的高压电源，施加 3,600 伏电压以实现离子的最佳传输。调节载物台高度，使质谱接口毛细管悬于样品表面上方。毛细管与样品表面的距离应小于 1 毫米，并保持约 15 度的采集角度。
将载玻片安装到移动载物台上后，使探针尖端位于样品表面上方3毫米处，距质谱毛细管入口5毫米，探针与样品表面成55度角。接下来，沿X方向调整DESI探针与质谱毛细管入口的位置，使其精确对齐。使用额外的组织切片。
将电离源针尖与毛细管入口之间的Y方向间距设置为约4毫米，针尖与样品表面之间的Z方向间距设置为约1.5毫米。随后，调节内层毛细管从电离源外层毛细管伸出的距离，以获得最高的灵敏度和最小的撞击斑点尺寸。可通过显微镜载玻片上环境光的反光来更清晰地观察撞击斑点，从而在电离过程中优化灵敏度。
使用绳式加热器或加热块将传输毛细管加热至100摄氏度。根据解吸电喷雾电离（DESI）撞击羽流尺寸和最佳灵敏度，通过LabVIEW VI控制软件设置所需的成像条件。采用每秒160微米的载物台扫描速度，并将各行之间的间距设为200微米。
在LabVIEW VI中设置图像采集期间要记录的位置文件和时间文件的目录路径及文件名。在准备进行质谱数据采集时，软件会自动计算成像所需的总时间，请将总时间（以分钟为单位）输入质谱仪，然后再开始数据采集。接下来，将喷雾撞击点定位在待成像区域的左上角。
同时开始质谱数据采集和载物台移动。数据采集完成后，将质谱仪恢复至待机模式，关闭DESI源的高压，通过质谱中心的数据管理器关闭氮气和注射泵。将采集的数据转换为TED数据，然后以CDF格式导出。
最后，将原始的CDF质谱数据以及位置和时间的两个文本文件上传至Omnis SPECT网站，或使用bio map来可视化Firefly中处理的数据。此处显示的是从未处理的大鼠脑切片在正离子模式下获得的代表性质谱图。在正离子模式下，质谱图主要由磷脂酰胆碱峰主导，这是由于其较高的铁含量和电离效率，而这归因于磷脂酰胆碱分子中带正电荷的季铵盐基团。
此外，组织切片的总离子图像显示在整个脑切片中均有丰富的信号。示例脂质的空间分布展示了不同磷脂酰胆碱分子在脑灰质与白质之间相对丰度的差异。例如，质荷比为 798.5364 的磷脂酰胆碱钾加合物（34:1）在小脑皮层或灰质中信号强度更高。
相比之下，钾离子化的磷脂酰胆碱 36:1（masto 电荷比为 8/26 = 0.5558）在小脑脚或白质区域显示出增强的信号强度。对这两种离子获得的复合图像突显了脂质在组织切片中分布的差异。进行此类实验时，必须仔细优化 DSI 源的样品台和进样口几何结构。
这些变量对于成功的dsi成像至关重要。
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概述
本研究利用解吸电喷雾电离质谱法（DESI-MS）对生物组织中化学物质的空间分布进行成像。通过采用基于喷雾的技术，该方法可在几乎无需样品前处理的条件下实现成像，并提供足够的空间分辨率，以分辨组织切片内的分子特征。
关键研究组成部分
科学领域
- 质谱分析
- 生物成像
- 组织分析
背景
- 解吸电喷雾电离质谱（DESI-MS）是一种常温电离技术。
- 该方法可在无需复杂样品前处理的情况下对生物组织进行分析。
- 该技术能够区分不同的分子分布特征。
- 在研究复杂组织结构方面具有显著优势。
研究目的
- 对生物组织中化学物质的空间分布进行成像分析。
- 分析脑组织中脂质的分布情况。
- 基于质谱数据生成化学图像。
使用的方法
- 气动辅助喷雾用于解吸和电离。
- 将解吸电喷雾电离（DESI）离子源在样品区域进行扫描。
- 将质谱信息与空间运动相关联。
- 绘制离子强度随X和Y位置变化的图像。
主要结果
- 在灰质和白质中观察到脂质分布的差异。
- 质谱成像揭示了特定的脂质离子分布模式。
- 该技术成功生成了组织的详细化学图像。
- 研究结果有助于理解组织的组成与结构。
结论
- 解吸电喷雾电离质谱（DESI-MS）适用于生物组织成像。
- 该方法可揭示脑组织中脂质的分布特征。
- 它可成为组织分析后续研究中的有力工具。
常见问题
行业重要性概述
解吸电喷雾电离质谱成像技术（DESI-MSI）能够在常温常压条件下实现对生物组织的非靶向、高特异性分子成像，无需复杂的样品前处理。该技术通过提供空间分辨的化学信息，有助于靶点验证和基于组织的生物标志物探索，从而支持早期发现与机制性风险评估。将DESI-MSI整合到发现研究流程中，可提高预测的可信度，并为风险调整后的研发组合决策提供依据。
生物制药研发中的战略应用
早期发现与靶点验证
- 通过空间映射分子种类，阐明组织特异性的生物化学通路。
- 通过揭示关键生物分子的分布模式，支持功能靶点的验证。
- 通过直接可视化分子异质性，促进作用机制的风险评估。
- 提供基于组织定位的高含量数据，用于靶点的优先排序。
筛选与检测方法开发
- 提供定量、空间分辨的输出结果，用于检测方法的标准化和可重复性。
- 制备经过验证的组织切片，用于后续筛选和化合物评价。
- 可在多种组织类型和实验条件下重复使用该平台。
- 支持对化合物对组织化学影响的稳健比较。
转化与临床前研究
- 将分子影像结果与疾病相关的组织模型对齐，实现转化研究的连续性。
- 通过识别空间生物标志物，支持临床前验证。
- 通过将发现结果与组织水平效应关联，支持基于风险评估的推进决策。
- 提供机制性见解，指导临床前模型的选择。
流程与工作流整合
DESI-MSI 适用于从早期发现到临床前研究的连续过程，将分子发现与组织水平的验证相结合，支持先导化合物的识别决策。
- 发现生物学：通过空间分辨的分子数据促进假设验证和通路绘制。
- 筛选：为检测开发和化合物筛选提供可重复、定量的成像结果。
- 分析：生成高维数据集，用于组织区域和分子种类的统计学比较。
- 转化研究：将分子发现与疾病相关的组织结构及生物标志物定位相联系。
- 企业级复用：提供可扩展、可重复使用的成像平台，适用于多种组织类型和研究问题。
运营与企业影响
- 科学价值：提高基于组织研究的预测可信度，并减少机制上的模糊性。
- 操作价值：通过无需样本制备、在常温下即可成像的技术以及标准化操作流程，简化工作流程。
- 战略价值：在药物发现早期提供可靠的组织水平数据，从而优化“推进/终止”决策并提高资本配置效率。
- 项目组合影响：能够根据经过验证的靶点在组织中的相关性，进行风险调整后的优先排序和推进。
实施注意事项
- 需要具备质谱成像和空间数据分析的专业知识。
- 要求精确控制解吸电喷雾电离（DESI）源的几何结构和样品台的对准。
- 需要配备兼容的仪器和软件以进行数据采集和可视化。
- 在不同组织类型和实验设置之间进行标准化对于可重复性至关重要。
- 源参数的优化对于图像保真度和灵敏度至关重要。
