MALDI成像质谱(MALDI IMS):质谱和形态空间分辨率的结合

基质辅助激光解吸/电离成像质谱(MALDI IMS)是一种兼具质谱灵敏度和空间分布信息的强大分析技术。¹自几十年前成立以来，²它在生物科学方面取得了巨大的技术飞跃和发现。^3.MALDI质谱的光栅工作原理是将基质应用于样品，这有助于用激光激发样品分子的电离。电离分子的混合物被输送到质谱仪中，在那里它们的质量被测量和记录。

在MALDI IMS的应用中，样本可以是组织样本，例如，矩阵可以被机器人喷洒在组织上，或者单个矩阵点可以在二维(2D)网格中沉积在组织表面。²激光束的光栅在组织标本上执行，采样多个点或像素，并呈现离子轮廓的二维形态图像，即，所有可检测的离子在一个矩阵点，横跨组织标本。²“组织样本的生物分析对推进研究很重要，但对我们来说，显然不是所有的生物过程都发生在同一地点和时间。时空方面缺失了，我们想要捕捉到这一点。我们突然想到，质谱仪激光可以被修改为在组织样本上的光栅，”理查德·卡普里奥利教授回忆道，他是斯坦福大学生物化学系摩尔教授，范德比尔特大学质谱研究中心主任，也是那份开创性报告的作者。“在这个过程中有很多步骤，因为仪器的设计不是为了这样做，但经过我们的修改和改进，一种有效的分子显微镜出现了。”

MALDI IMS与传统的组织分析方法相比有几个优点。它是无目标的，因此不需要先天的蛋白质分析物的选择，例如，通过免疫组织化学(IHC)对特定蛋白质进行抗体检测。此外，它是完全多路的，因为它检测来自组织样本的所有离子，与IHC相比，后者受限于可以同时使用的荧光团颜色和抗体组合的数量，或可以连续比较某些蛋白质的连续组织切片。MALDI IMS是一个原位由于它执行分子分析，它提供了关于基因组/表观基因组变化的累积效应的信息，这在异质生物系统的疾病病理学中具有重要的后果。最后，MALDI激光通常不会烧蚀所有组织，标本可以重新检查。⁴

MALDI IMS:示例应用程序

MALDI IMS的应用数量也在不断涌现。肿瘤组织病理分析在列表中排名靠前，^{3 - 5}对于这两种诊断，即，区分肿瘤组织与正常健康组织，以及预后应用，即。，从患者身上识别出对治疗或预后有反应的肿瘤组织。该列表还包括神经蛋白质组学和神经退行性疾病，⁶以及组织组成，如组蛋白修饰⁷和磷脂⁸分布，除了分析信号通路。⁹MALDI IMS还可以通过研究药物在组织分布和代谢分解方面的命运，促进药物的药代动力学和开发。¹⁰MALDI IMS还在植物生物学方面取得了进展¹¹环境毒理学，¹²评估污染物的风险和不利影响及其可能的作用机制。近年来，低分子量代谢物的图像分析已被报道。^13、14

最近一项令人兴奋的MALDI IMS应用发现了肿瘤的生物标志物铜绿假单胞菌感染原位老鼠烧伤的伤口。¹⁵蒙大拿州立大学化学与生物化学系的Brian Bothner教授解释说:“我们假设细菌与皮肤细胞有不同的化学‘特征’，所以MALDI IMS是测试我们想法的合理方法。”“能够检测伤口中细菌的存在、位置和类型具有重要的临床应用价值。”这种方法如果广泛应用，可以将时间缩短到几天MALDI-TOF用于微生物鉴定目前，这需要一个漫长的培养步骤。相比之下，“成像方法(MALDI IMS)是直接在组织活检上进行的，分析在几分钟内完成，”Bothner教授解释道。

MALDI IMS:方法和模式

在制备MALDI IMS样品时，需要考虑几个因素，包括切片厚度、组织清洗、基质选择和应用，这些因素通常会为每次新实验进行经验优化。¹“在我们的实验室里开始实验并收集数据是相当简单的，”博特纳教授谈到这项技术时说。“最具技术性的方面是将基质应用到样品上，最终成功地使用了用于绘画的标准喷枪。许多矩阵产品现在已经上市，许多MALDI-TOF仪器现在已经集成了成像软件，可以随时使用。”

MALDI IMS检测的分析物范围很广，包括蛋白质(包括翻译后修饰、裂解或降解的蛋白质)，以及多肽、脂类和磷脂，以及小分子，如代谢物和药物。^3、4MALDI IMS在标本类型上是灵活的，可以从组织切片到较小动物的整个器官或生物体切片，再到组织微阵列。^3、10新鲜冷冻、福尔马林固定和石蜡包埋(FFPE)均可作为标本。^3.它也可以重建串行部分来渲染3D图像。⁶实验的要求决定了所需的分辨率。高分辨率需要矩阵升华，这在灵敏度上妥协，需要更长的收集时间，并导致大数据集。¹

在诊断和预后方面的应用，^3.识别蛋白质是没有必要的。相反，多元分析可应用于实验(如.，肿瘤)与对照(如(健康)组织来提取它们的定性质谱特征。^１，３然后，可以建立预测模型，以区分肿瘤与健康组织，诊断癌症或基于独特的质量离子生物标志物预测患者预后。Caprioli教授解释说:“检测到的蛋白质不一定与疾病有关。”“它们只需要对这种疾病具有特异性和独特性，就可以确定一种‘疾病状态’。”蛋白质鉴定也是可能的，但具有挑战性，并包括比较MALDI对组织匀浆或原位，切片，胰蛋白酶消化;¹然而，新的微萃取方法也在开发中。¹⁶如果注意以下几点，数据的量化也是可以实现的，^1、4、10收集到的数据可以用光谱格式和彩色编码的图像表示。¹

MALDI IMS:在地平线上从工作台到床边

MALDI-TOF用于微生物鉴定已经完成了从研究到临床应用的过渡，MALDI IMS如何?“这项技术得到了很好的验证，”卡普里奥利教授谈到他赋予生命的技术时说。“还有几个问题需要解决，比如让病理学家和医疗专业人员参与进来，但这项技术将显著改善患者的医疗保健。”最终，除了量化之外，转化到临床还需要自动化协议和高通量能力。Caprioli教授补充说:“标准化和认证协议正在进行中，必须采用谨慎的方法来最大限度地减少变异，并提供高质量的结果来帮助诊断。”Bothner教授还预见了潜在的临床应用，“这项技术可以直接放在诊所里，这样医生就可以确定组织中微生物感染的程度，甚至有希望确定细菌的类型。”

参考文献

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