空间代谢组发展

代谢组学的研究目标是尽可能对生物系统中所有代谢物进行定性和定量的分析，是研究代谢物谱、代谢表型、代谢变化、代谢途径和发现生物标志物强大的分析工具。色谱-质谱联用技术整合了色谱的高效分离能力和质谱的强大分析功能，具有灵敏度高、选择性好、动态范围宽、信息丰富等优点，已成为代谢组学研究最常用的分析技术，能够在单次分析中获得数千种代谢物的信息，在血液、尿样和细胞等生物样品的代谢组学分析中占据重要地位。

然而，对于结构复杂和异质性高的生物组织或器官中的代谢物分析，色谱质谱联用分析方法具有局限性，原因是其分析过程中所需的组织匀浆、代谢物提取、纯化和富集等前处理过程丢失了代谢物在组织中的空间分布信息。

 

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。

图 1 | 小鼠肾脏标志性代谢物空间成像图

 

质谱成像的离子化的方式主要有基质辅助激光解吸电离（Matrix-assisted Laser Desorption Ionization Mass Spectrometry, MALDI）质谱和解吸电喷雾离子化（Desorption Electrospray Ionization, DESI）质谱。

 

MALDI-MSI 分析中非常关键的一点是需要添加基质来吸收激光能量，实现被测物的离子化，但基质的添加容易带来被测物空间位移、低分子量代谢物受干扰和重复性差等问题，主要对脂质类化合物具有较好的分析效果，空间分辨率最高可以达到数个微米。

 

DESI-MSI 作为新型敞开式质谱成像技术，其突出的优势是在大气压条件且敞开式环境下，不需要进行复杂的样品前处理和基质辅助，可更真实反映样品表面分子分布特征，DESI-MSI 空间分辨率在数十微米，可以实现组织微区的分辨。

 

经过十年的努力，自主研发 AFADESI（Air Flow Assisted Desorption Electrospray Ionization，AFADESI，简称为AFAI）-MSI 质谱成像技术，开发了图形化交互界面的数据处理软件，实现了独特的生物组织空间代谢组学分析。AFAI-MSI 是一种高灵敏、高覆盖、宽动态范围、强特异性的组织中代谢物成像分析技术，灵敏度可达到 pg 级、代谢物含量动态范围跨越 3 个数量级，实现了组织微区的精确表征和质量数相近代谢物的准确识别。该技术解决了生物组织中低含量代谢物难检测、覆盖种类少和成像质量差等技术难题，可实现生物组织中 70~1000Da 分子量的代谢物成像分析，包括胆碱类、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、胆酸类和脂质类等，并精确表征与识别功能代谢物在组织亚区域的分布特征。

 

空间代谢组学可应用在多个研究领域进行应用，能够解决具有空间分布差异或者结构差异相关的生物学问题。如在医学领域对疾病分子机制、生殖发育、肿瘤代谢与肿瘤免疫、肿瘤分子病理诊断、生物标志物筛选、药物药理和毒理等进行研究，在农林牧渔领域对发育学、胁迫分子机制、基因调控机制、植物药用成分定位等进行研究。

经过十年的技术沉淀，我们在脑、肾、肝、脾等多种组织以及不同类型的肿瘤组织，甚至到整体小鼠/大鼠的空间代谢成像上，积累了较为丰富的经验。AFAI-MSI技术也已在 Advanced Science、PNAS、Theranostics、AC等杂志发表文章 10 余篇。我们衷心地希望 AFAI-MSI 空间代谢组技术能够帮助到更多的科研同仁，为你们的科研工作带来便利，提供高价值的实验数据，实现以生物科技，成就他人，造福大众的使命。

—— 中国医学科学院北京协和医学院药物研究所

贺玖明 研究员