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神经性炎症体系中N-糖分子的多模态成像分析
背景介绍
神经性炎症是神经系统潜在的病理状态，科学家们开展了大量的研究工作以加深对它理解。在神经性炎症的研究中，糖基化这一蛋白分子修饰通路常常被人们所忽视。N-糖基化在中枢神经系统的正常运行中起着非常关键的作用，尤其是与一些先天性的糖相关疾病，如癫痫、智力障碍等有密切的关系。N-糖基化的改变会影响糖蛋白的功能，最终会导致细胞的机能失调。因此，神经性炎症的体系中N-糖分子的充分表征，对神经系统相关疾病的研究及后续治疗有着重要的指导意义。
爱尔兰国立大学的Abhay Pandit研究组于2022年发表了题为《Complete spatial characterization of N-glycosylation upon striatal neuroinflammation in the rodent brain》的科研论文，构建了带有神经性炎症的鼠脑模型，综合运用了包括MALDI质谱成像、正电子发射断层扫描（PET imaging）、免疫组化分析（IHC）等多种成像技术，对其中的多种N-糖分子实现了多模态、全方位的空间表征。
图1. 实验设计及每部分的实验流程。
图1a展示了本文整体的实验流程。实验动物造模的方式是向大鼠鼠脑的左半球引入脂多糖（LPS，lipopolysaccharide），经过七天之后，鼠脑的左半球产生神经性炎症，而其右半球仍然处于正常状态。在造模完成后，首先对大鼠活体进行正电子发射断层扫描，所获得的影像由经验丰富的病理医师协助诊断，确认造模成功。之后宰杀大鼠，获取鼠脑的冠状切片若干。其中一部分切片用于神经性炎症蛋白标志物的分析，采用的方法为免疫组化分析（IHC）和实时荧光定量分析PCR（Real-time quantitative PCR）。另一部分切片用于N-糖分子的空间轮廓分析。图1b的右半部分是采用布鲁克timsTOF fleX质谱仪对鼠脑的冠状切片进行MALDI成像数据采集。图1b的左半部分是将鼠脑患有神经性炎症的部分和健康部分依次切割下来，分别经过蛋白浓缩、烷基化、糖苷酶酶切、N-糖分级馏分收集、N-糖的2-AB标记，最终依次获得两部分的N-糖相对含量信息。随后，将图1b中的两部分信息加以对照、整合。
图2. 大鼠鼠脑的病理学检验结果。
图2a展示的是正电子发射断层扫描结果，可以清晰地观察到神经性炎症的标志物——易位蛋白（translocator protein）的空间表达情况，它在鼠脑左半边呈现了明显的高表达。图2d为斯皮尔曼相关性分析结果，展示了活体PET BPnd数据与解剖后实时荧光定量PCR数据的相关性结果。图2e、2f、2g为Iba1、GFAP和Vim三种蛋白的免疫组化评估结果；神经性炎症区域与健康区域相比，无论是组织学形态还是特征蛋白的表达都呈现出显著的差异。
图3. N-糖的MALDI质谱成像热图。
从图3中MALDI成像热图中可以观察到鼠脑组织里一些重要的N-糖分子，按照它们分子结构的不同，可以划分成四种类型：齐聚甘露糖（oligomannose）、二等分结构（bisected structures）、α-半乳糖（α-galactose）以及半乳糖（galactose）。将神经性炎症区域与健康区域作对比，四种N-糖分子在左、右两个区域呈现出差异性的空间分布特征。
布鲁克的timsTOF fleX质谱仪同时具备MALDI成像功能和LC-MS/MS组学分析功能，可以在同一台仪器上实现空间组学工作流程中的两大核心步骤。这篇工作采用了timsTOF fleX质谱仪优异的MALDI成像功能，将高分辨的质谱成像数据与活体正电子发射断层扫描数据、免疫组化实验数据相结合，并加以综合分析，首次实现了对患有神经性炎症的鼠脑中N-糖分子空间分布变化的完整描述。作为脑神经科学领域的研究工作，本文开创性地使用了多模态成像分析策略，这种新颖的研究模式对于神经性炎症的调控方式的研究、乃至未来对神经退行性疾病的研究都具有重要的借鉴意义。