Spatially resolved metabolomics to discover tumor-associated metabolic alterations

PNAS (IF9.58)

2019-1

中国医学科学院药物所 再帕尔·阿不力孜

前言

质谱成像技术(mass spectrometry imaging, MSI)是借助于质谱的方法，通过分析生物分子的标准分子量成像的方法。原理如下:首先以适当的方式获取和制备待测样本，质谱仪利用激光或高能离子束等扫描样本，使其表面的分子离子化，再经质量分析器获得样本表面各离子的质荷比和离子强度，在质谱数据中搜寻对应的质谱峰(定性表面分子)，结合离子信号强度和其在样本表面的位置(定量及定位)，绘制出对应分子在样本表面的二维分布图;继而对样本连续切片的二维分布图进行进一步数据处理,获得待测物在样本中的三维空间分布。

关键词:冰冻切片 连续切片 高能离子束扫描 质谱峰 二维分布图

代谢组学大家应该熟悉了，空间代谢组学如上文介绍，就是代谢组学+质谱成像，将组学信息扩展到了二维乃至三维的水平，极大拓展了对组学样品信息的认知。比如，以往的代谢组学寻找差异成分，需要依靠峰面积比ratio值。如果ratio值差异不大，则很难找到生物标志物。而空间代谢组学，可以在空间图像上直观地找出差异成分。如下图:

正文

由于DESI等离子化技术需要被测样品与采样锥孔之间非常近，才能保证足够高的灵敏度，而对于较大的组织样品，无法将样本放进离子化探针所在位置，难以将离子有效传输到质谱分析器进行高灵敏分析。鉴于此，药物所“天然药物活性物质与功能国家重点实验室”再帕尔·阿不力孜教授课题组主导研发了，新型敞开式空气动力辅助离子化(Airflow-assisted desorption electrospray ionization，AFADESI)及其质谱成像技术(AFADESI-MSI)技术，借助0.5米或更长的传输管，实现了远距离离子传输，放置样品的空间非常充裕，且可轻松调整位置，并将该技术用于整体大鼠体内药物成像分析和肿瘤生物标志物的原位筛查及免标记分子病理诊断的研究。

本文是再帕尔教授近期发表在PNAS的文章，通过将AFADESI-MSI技术与传统免疫组织化学技术(Immunohistochemistry，IHC)进行结合，对256个患有食管鳞状细胞癌(esophageal squamous cell carcinoma，ESCC)的病人的样品进行组织空间特异性的代谢组学分析，实现了对肿瘤相关的代谢物和代谢酶进行高通量分析。技术路线如下:

说明:首先利用AFADESI-MSI技术获取不同组织(根据细胞类型和组成分为:癌症组织、上皮组织和肌肉组织)空间特定区域的代谢物轮廓，再结合PLS-DA模型获得ESCC和正常组织间的差异代谢物，随后通过代谢通路分析选出可能与ESCC相关的酶;最后通过IHC技术用癌旁组织对与ESCC相关的酶进样验证。

结果如下图:(通过该技术，能明显发现甘油磷脂、葡萄糖酸、嘧啶、组氨酸、脂肪酸、精胺和脯氨酸在癌症组织和正常组织中表达量的差异)

进一步通过代谢通路分析，筛选出关键酶，并通过IHC验证。

建模后，研究者又通过36例样品验证，模型准确率达94.4%。