化学快照与质量规范成像和分子地图
质谱(MS)一直是不可或缺的组件在一个化学家的工具包为识别和量化分子在一个样本。但使用质量规范作为成像技术只能在过去二十年变得流行起来。
第一次使用质谱成像(MSI,也称为成像质谱或分子成像)在1990年代,当范德比尔特大学的Richard Caprioli博士应用Matrix-Assisted激光解吸电离(MALDI) /可视化多肽和蛋白质在大鼠组织切片。1
的能力在组织生产多色化学生物分子分布地图没有抗体,该技术迅速引起了制药和临床研究人员的注意。今天,MSI已经确立了自己作为一个强大的分析方法在生物制药和医疗领域,执行就像“高通量的免疫组织化学”,使重要的生物标志物的发现和人类疾病的机制。
为什么选择MSI ?
Christoph Borchers教授,生物化学和微生物学称,维多利亚大学,不列颠哥伦比亚,加拿大,MALDI-MSI组织成像技术的选择,因为multiplexity和特异性高。他解释说,这种方法可以提供绝对特异性从而减少假阳性,在两个方面:
1)分子< 1000 Da,分子量(MW)和元素成分可以准确地确定。
2)分子的结构信息可以从串联获得质量规范,提供高分辨率数据的特定片段的分子。
“如果与使用高分辨率质谱仪,为成千上万的分子可以同时成像,特别是小分子脂质和代谢产物,“Borchers说。
北美的对面,公共卫生研究所(PHRI)新泽西医学院的,罗格斯大学,新泽西州,美国,布兰登·普利多忙完之前去欧洲旅行。在分析成像中心质量spectrometrist PHRI,普利多经常用MSI的现场药物和代谢物分析分布在生物组织。
刚刚发表了一篇评论2,普利多告诉我们,MSI有很大优势经典成像技术,如放射自显影法,因为它不依赖修改药品/生物分子的放射性标签。这种能力直接可视化药物分布在组织空间细节,再免费标签,使得这项技术特别适合药物开发的早期阶段。
“我们也可以想象实际分子MSI,而不是跟踪放射性标签。我们可以解决父母药物的代谢产物,这是一个关键因素在医学研究,”普利多说。
例如,几个基本药物用于治疗肺结核(如吡嗪酰胺)是高活性化合物,或不活跃的形式的一种需要的药物代谢执行其预定的功能。为研究这些药物的效果,重要的是要确定活动形式的药物(代谢物)是细菌集群隐藏在偏远地区,像坏死病灶血液供应较差。
MSI在疾病研究
到目前为止,MSI的大多数应用程序已经在该地区的癌症诊断,特别是对原位检测和可视化与癌症相关的代谢生物标记。在一项研究中,会阴部的癌症,MALDI-MSI被用来检查三个不同的会阴部的组织类型。
画面显示差异表达蛋白的细胞角蛋白5 (CK5)在整个组织。3另一项研究利用MALDI-MSI直接人工培养的乳腺癌细胞系和地图分析脂质积累的生物标记物有可能在浸润性乳腺癌中发挥作用。4
图1所示。MALDI-MS成像之间的差异表达蛋白质癌和非地区的人类前列腺癌组织标本。(图片来源于:Borchers等。2016年,J质量范围)。
根据Borchers,一个最重要的突破使MALDI-MSI被Caprioli和他的同事们发现“有分子肿瘤边缘的变化,可以观察到MALDI-MSI,即使组织似乎组织学检查正常。”
Caprioli集团在2010年报告说,这些变化在组织利润常常未被发现的传统诊断方法,但MALDI-MS暴露的特异性和敏感性。Caprioli的作品与肾癌活检显示MALDI-MSI如何检测肿瘤微环境的变化。这对癌症手术具有重大意义。5事实上,琼脂集团在哈佛现在使用MALDI-MS确定肿瘤的边界。6
在新泽西州,PHRI普利多花费了自己大量的时间从事结核病(TB)的研究。他一直使用MALDI-MSI监测结核病药物分布和疾病进展的标志和/或治疗反应。他的团队最近开发出一种MALDI-MSI同时可视化方法和制定药物代谢物和细菌脂质生物标志物在肺结核病变。7
“用这种方法不仅表明,药物达到其预期的目标,但也发挥其预期效果(或不受欢迎的影响在毒理学研究中),”普利多解释道。“我们MALDI-MSI方法允许我们看到药物,与特定的细菌的目标人群。现在我们看看应用这种方法来评估药物活动和其他药物引起的分枝杆菌代谢反应。”
挑战、进步和未来
MSI的最具挑战性的方面之一,在普利多看来,样品制备。他的团队开始他们MALDI-MSI实验通过选择防紫外线的正确组合矩阵和溶剂系统。“药物和矩阵应该溶于溶剂使用量和矩阵应用程序应该足够湿从细胞中提取药物,但并不是很湿,它可能诱发移位和空间完整性的损失。”
另一个重大挑战在于定量药物分布。异构引起的离子抑制脂质和盐,不同药物提取细胞/组织类型之间的效率,和困难建筑绝对量化的标准曲线,它很难获得高质量的数据。
”对于我们的MSI的研究,我们正常检测到药物信号对标签的标准药物,我们组织表面喷涂,”普利多说。“这可以弥补修复离子抑制,和我们可以半定量分布图像,组织区域与高浓度的药物可以明显区别于低浓度区域。”
摘要回顾他去年合著,Borchers讨论最近的进步发生在MALDI-MSI通过使用新的矩阵。8“传统矩阵通常存在的问题检测low-MW肽时,“Borchers解释道。“你看高背景信号的低质量范围和电离效率也很低在负离子模式下。但在过去的几年中,我们已经看到许多的发展高电离效率谱矩阵,矩阵沉积过程和原位样例的治疗,以及改进的仪器女士。”
尽管大多数研究使用一道MSI,只提供相对浓度的不同区域组织,有针对性的MSI提供更多的敏感性和绝对定量的能力。Borcher的评论文章提供了见解的方法来提高目标MSI的敏感性,如对组织化学衍生化。这些策略加上标签内部标准使研究人员能够确定每µm这些分子的实际浓度2每单元和/或实际的数字拷贝,可临床诊断的重要措施。
总之,Borchers和普利多都相信MALDI-MSI的空间分辨能力将继续改善与进步在激光光学和相应的增加质谱仪的灵敏度。同时,他们认为3 d MSI的出现药物在组织成像需要复杂的软件和计算工具,可以处理和处理大型数据集。
“个性化医疗的增长潜力,我期望MSI成为不可或缺的一部分multiomics方法在药物发现和开发中,对药物定位和生物标志物发现疾病的发病机理和治疗反应,”普利多补充道。
引用:
1 Caprioli, r . m .;农民,t . b .;吉尔,j .生物样品的分子成像:本地化使用MALDI-TOF肽和蛋白质的女士。 肛交。化学 。 1997年 69 (23),4751 - 4760。
2普利多,b;Lenaerts, a;Dartois, V。,Imaging and spatially resolved quantification of drug distribution in tissues by mass spectrometry.咕咕叫。当今。化学。医学杂志。2018年,44岁,93 - 100。
3张,c;Arentz g;Winderbaum, l . et al .谱质谱影像显示CK5水平下降会阴部的鳞状细胞癌相比前体病变分化外阴上皮内瘤变。Int。j .摩尔。科学。2016年,17。
4王,美国;陈,x;烹调的菜肴,h . et al . Matrix-assisted激光解吸/电离质谱法成像的细胞培养lipidomic分析潜在的脂质标记在人类乳腺癌的入侵。快速Commun。Spectr质量。2016年30:533 - 542。
5奥本海默,s . r .;Mi, d;桑德斯,m . e .;Caprioli, r . M。,Molecular Analysis of Tumor Margins by MALDI Mass Spectrometry in Renal Carcinoma.j .蛋白质组Res。2010年9 (5),2182 - 2190。
6Calligaris d;d·r·费尔德曼;诺顿,et al .谱质谱为近实时成像分析垂体腺瘤肿瘤描述。《美国国家科学院刊,2015年112 (32),9978 - 9983。
7布兰科,l;Lenaerts, a;Dartois诉;普利多,B。,Visualization of Mycobacterial Biomarkers and Tuberculosis Drugs in Infected Tissue by MALDI-MS Imaging.肛交。化学。2018年90 (10)6275 - 6282。
8贝克,t . c;汉族,j .;Borchers, c . H。,Recent advancements in matrix-assisted laser desorption/ionization mass spectrometry imaging.咕咕叫。当今。Biotechnol。2017年,43岁,62 - 69。
