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一文读懂空间代谢组学：DESI-IMS与MALDI-IMS的区别？

鹿明生物

2021.5.14

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鹿明

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前言

如今LC-MS代表了靶向和非靶向代谢组学方法的基础，该方法可检测和阐明天然产物研究存在的低丰度代谢物。但是，MS没有提供有关生物样品中代谢物的时空分布信息。IMS（imaging mass spectrometry，成像质谱）通过将定性和定量分子信息与时空信息相结合，对传统的代谢组学和化学分析进行了补充，能够将特定分子映射到原始样品的2D或3D坐标上。IMS类型的“空间代谢组学”作为基因组学，转录组学和经典代谢组学研究的一种强大而互补的方法出现。

图 | 针对解吸附电喷雾电离-成像质谱（DESI-IMS）综述文章

DESI-IMS原理

综述总结了当前先进的IMS方法，重点是解吸电喷雾电离DESI-IMS。DESI-IMS利用电喷雾电离的原始原理，在环境条件下，将溶剂滴光栅化并直接在样品表面上解吸，可以进行快速且破坏性小的化学筛选，并能够以µm尺度的分辨率准确观察组织中的分子, 并且数据集可以提供每个检测到的分析物的图片。DESI-IMS分析不需要复杂的样品制备。由于其简便的工作流程和多功能性，DESI-IMS已成功应用于许多不同的研究领域，例如临床分析，癌症研究，环境科学，微生物学，化学生态学和药物发现。

在DESI中，高速电离的溶剂液滴直接从样品表面解吸感兴趣的分析物，在样品表面将化合物溶解在薄膜中。为了实现化学解吸，在高压下通过发射器毛细管对溶剂进行电喷雾，产生带电的“主要”液滴，将其雾化，然后导向样品。通过这种方式，位于样品表面的代谢物被解吸成气态的“次级”液滴，从而将分子离子输送到MS入口，在此处测量m/z值（图1）。根据目标代谢物的极性，可以使用来自DESI来源的不同喷雾溶剂进行成像。对于极性和非极性化合物的分析，通常使用标准溶剂（例如MeOH或ACN），通常添加2％至5％的H2O，但根据具体需要和应用，使用不同类型的溶剂组成。

图1 | DESI-IMS在大生物中的应用

MALDI-IMS原理

相比之下，典型的MALDI-IMS（基质辅助激光解吸电离质谱成像技术）实验中，样品被吸光基质涂覆或共结晶，并被来自UV或IR激光的脉冲照射。基质吸收辐射，将能量转移到样品中并帮助电离。MALDI有几个瓶颈，包括低质量范围（<300 m / z）的高化学噪声，这些化学噪声源于基质成分，可能抑制关键的小分子离子，并且要求将样品安装在导电表面上。激光解吸/电离过程还会在MALDI-IMS过程中破坏样品。由于MALDI-IMS是在真空下进行的，因此通常必须在分析之前将样品冷冻干燥，从而使这些技术与活组织不兼容。同时运用MALDI所检测的代谢物类型为：蛋白、多肽和脂质。DESI与MALDI的不同之处在于，DESI被认为是一种最小破坏性的电离方法。DESI-IMS分析所需的相对有限的样品前处理与活组织的最小破坏性采样相结合，使DESI-IMS能够填补其他IMS方法无法接近的领域。这些特性使DESI-IMS成为有效的研究工具。

DESI-IMS在大生物中的应用

有研究报道了针对冷冻切片法在全身斑马鱼（Danio rerio）上使用了DESI-IMS。这项研究的目的是探究斑马鱼在暴露于不同浓度的液体后，运用DESI-IMS定位斑马鱼组织中等毒性离子液体AMMOENG的积累。研究证明：离子液体在洗涤剂和软化剂中被大量发现，并且有潜在的毒性。特别是发现AMMOENG对雷氏梭状芽孢杆菌具有很高的毒性（即，比15种常见离子液体中的13种更具毒性）。DESI-IMS在雷氏梭菌上的实验揭示了该毒素在鱼的呼吸和神经系统中的积累，表明它可能是一种神经毒素。因此，DESI-IMS对大生物的分析为其他研究领域开辟了新途径，例如生态毒理学中，用于有毒化合物的生物监测。

DESI-IMS在医学和临床研究中的应用

DESI-IMS的主要应用领域是医学研究，它用快速、准确的可视化方式运用在生物组织中的生物标志物发现。特别是，已证明DESI-IMS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。通过优化的空气动力辅助解吸电喷雾质谱成像（AFADESI-MSI）技术（是基于DESI-IMS技术上的一个升级，能解决DESI-IMS鉴定出的代谢物少的瓶颈），可绘制生物样本中超过1000+种代谢物的空间分布图谱，将功能代谢物的时空变化与组织结构和生物功能联系起来，有助于分子组织学和分子病理学研究。在医学和临床研究中，AFADESI-IMS被广泛的应用在疾病分子机制、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。

DESI-IMS已被用于医学研究，2017年至少有五篇出版物报道了该数据，自2007年以来已有14篇以上的出版物进行了报道。下面描述了一些示例，以说明DESI-IMS在医学研究方面的应用。

本篇为中国医学科学院药物研究所再帕尔·阿不力孜教授、贺玖明研究员课题组在Advanced Science发表的题为“A Sensitive and Wide Coverage Ambient Mass Spectrometry Imaging Method for Functional Metabolites Based Molecular Histology”的研究论文，本课题组对自主研发的气流辅助解吸电喷雾电离质谱成像（AFADESI-MSI）DESI-MSI的升级技术进行了优化，通过非靶向分析，在大鼠脑、肾脏和人食道癌组织中观察到数千种代谢物，为分子组织学研究提供了有力的分析工具。研究通过优化后的AFADESI-MSI检测到了1500多种代谢物，包括胆碱，多胺，氨基酸，肉碱，核苷，有机酸，碳水化合物，脂质和其他小分子代谢物。同时本课题组通过AFADESI-MSI分析食管癌组织的冷冻切片，结果表明精胺和亚精胺在癌组织中被上调，对应肿瘤强大的增殖能力。谷氨酰胺作为癌细胞中主要的三羧酸（TCA）循环碳源也显示出在肿瘤组织中的大量消耗。该方法具有覆盖范围广，灵敏度高，动态范围宽和特异性强等优点，在空间代谢组学研究和分子组织学分析中显示出广阔的应用前景。

结论和未来展望

IMS技术已经在生命科学的多个领域开辟了新途径，包括医学，微生物学和天然产物化学。通过提供有关分子关键且时间相关的空间信息，IMS超越了所有现有的分子分析方法（即基因组学，转录组学和代谢组学）。考虑到IMS的日益普及，可以预见的是，IMS技术将迅速改进以向前发展，并在生命和医学科学以及潜在的工业中找到更多的应用。具体地说，IMS技术将使代谢组学研究发生范式转变，并彻底改变我们询问生物系统的方式，并为药物发现和医学提供新的方法。随着未来的发展，IMS可以改变我们研究自然过程的能力，例如，更好地了解宿主-微生物和微生物-微生物的相互作用，天然产物的生物合成，化学生态学，毒力因子和疾病状态。

看完文章是不是对于AFADESI-MSI、DESI-MSI、MALDI-MSI的区别还不是非常明晰？来看看这张图表吧~