MALDI MSI在脂質組學研究中的應用

李石磊，張陽陽，關 明，楊 慧，魏妍波，趙鎮文*

(1．中國科學院化學研究所 活體分析實驗室，北京質譜中心，北京 100190;2．中國科學院大學，北京 100049)

MALDI MSI在脂質組學研究中的應用

李石磊1,2，張陽陽1，關 明1,2，楊 慧1,2，魏妍波1，趙鎮文1,2*

(1．中國科學院化學研究所 活體分析實驗室，北京質譜中心，北京 100190;2．中國科學院大學，北京 100049)

脂質組學概念自2003年被提出以來，其已成為研究生物體、組織或細胞中脂質的結構、功能及代謝途徑的一門學科。脂質的種類眾多，同時結構非常復雜，脂質的分析充滿了困難和挑戰?；|輔助激光解吸電離質譜成像(MALDI MSI)分析技術不僅可以進行物質鑒定，而且可對被分析物進行空間分布成像，近年來，該技術廣泛地應用于脂質組學的研究。該文介紹了MALDI MSI在脂質組學研究中的樣品處理、基質噴涂及應用方面的研究進展，并就目前存在的問題及解決方案進行了探討，以期擴展MALDI MSI的應用范圍。

基質輔助激光解吸電離質譜成像；脂質組學；樣品制備；基質；標志物;綜述

脂質是組織結構的重要組成成分。按照目前的推測，哺乳動物體內大約存在10 000～100 000種脂質分子。按照脂質的結構特點，脂質分子大體分為8大類：①脂肪酸類(Fatty acids)；②甘油酯類(Glycerolipids)；③甘油磷脂類(Glycerophospholipids)；④鞘脂類(Sphingolipids)；⑤固醇脂類(Sterol lipids)；⑥孕烯醇酮脂類(Prenol lipids)；⑦糖脂類(Saccharolipids)；⑧多聚乙烯類(Polyketides)。脂質結構和種類的多樣性賦予其重要的生物學意義。研究表明，脂質參與了包括能量轉換、物質運輸、信息識別與傳遞、細胞發育和分化、細胞凋亡等在內的多種重要生命活動[1-5]，還與某些疾病的發生發展密切相關，如腫瘤、動脈硬化癥、糖尿病、肥胖癥、阿爾茨海默病等[6-7]。因此，定性定量分析脂質以及研究其代謝極為重要。然而，脂質分子種類繁多，結構復雜，分析困難，是長期阻礙脂質研究發展的絆腳石?；|輔助激光解吸電離質譜成像(Matrix-assisted laser desorption ionization mass spectrometry imaging，MALDI MSI)分析技術憑借其高靈敏度以及可直接對生物樣品中脂質檢測的特性，成為最具潛力的脂質分析手段。

使用MALDI MSI進行生物樣品脂質成像分析時，通過采集同一個組織不同區域的質譜圖，然后進行疊加，可以獲得脂質在樣品切片的分布情況。MALDI MSI分析脂質有以下特點：①質譜圖信號豐富。這是因為脂質種類繁多，細胞膜內外的磷脂、鞘脂和膽固醇含量豐富。②大部分脂質信號集中在600～1 000 Da，這主要由脂質的分子量決定。③正離子信號中PC類占很大比例。這是由于PC含量極高(細胞膜主成分)，并且，PC結構中含有季銨基團(永久正電性)，在正離子模式下檢測靈敏度高。

迄今為止，科學家已經對包含大鼠鼠腦[8-12]、大鼠肝臟[8,13-14]、牛晶狀體[15-16]、小鼠子宮[17]以及幼鼠[18]在內的多種組織進行了脂質成像的研究。眾多基質如2,5-二羥基苯乙酮(2,5-Dihydroxyacetophenone,DHA)[19-22]、9-氨基吖啶(9-Aminoacridine,9-AA)[13]、1,5-萘乙二胺(1,5-Diaminonapthalene,DAN)[9]、2,5-二羥基苯甲酸(2,5-Dihydroxybenzoic acid,DHB)[23]、2-巰基苯并噻唑(2-Mercaptobenzothiazole,2-MBT)[14]、蒽三酚(Dithranol,DT)[15]和槲皮素(Quercetin)[24]等均被成功用于脂質的檢測成像。現階段MALDI MSI脂質質譜成像主要包含3個發展方向：其一是利用不同的方法(開發新的基質或對切片進行前處理優化)獲得更豐富的質譜信號，如采用有機揮發溶劑[25-26]或醋酸鈉溶液[27]沖洗切片除鹽，或使用酶溶液處理切片，以消除PC在正離子模式下對其他信號的抑制作用[28]。其二是通過更換基質溶劑條件、優化基質噴涂條件或改進儀器功能以求獲得更小的基質結晶和更高的分辨率。如采用空氣噴槍噴涂DT基質獲得微小結晶，并在10 μm分辨率下進行脂質成像[22]。其三是結合組織成像的優勢，進行疾病標志物篩查、藥物分布等方面的研究[29]。

本綜述旨在介紹MALDI MSI在脂質組學研究中的樣品處理、基質噴涂及應用方面的研究進展，并就目前存在的問題及解決方案進行探討，以期擴展MALDI MSI在脂質組學研究中的應用。

1 MALDI MSI在脂質組學研究中的樣品制備

典型的MALDI MSI流程如圖1所示，其中，樣品的制備是MALDI MSI分析中十分關鍵的步驟，直接關系到成像的質量和所檢測物質的種類及數量。樣品制備包括組織的獲得、儲存、切片制備、預處理、基質噴涂等。對組織切片進行預處理，如利用不同的溶劑對組織切片進行洗劑，或者利用酶解的手段將干擾物除去，或者通過對低含量的脂質分子的衍生化以達到增強檢測信號強度的目的，可以實現特異性檢測某類脂質。另外，基質的噴涂是MALDI MSI分析的關鍵，包括基質和噴涂方式的選擇兩方面，直接關系到成像質量的好壞和所檢測物質的種類及數量。

圖1 MALDI MSI分析流程圖Fig.1 The work flow diagram of the MALDI MSI analysis

1.1 洗 滌

由于組織切片中存在大量內源性堿金屬離子(Na+，K+)，因此在進行MALDI MSI分析過程中會出現[M+Na]+或[M+K]+加合離子，這會導致所檢測到脂質的相對豐度與實際分布相比發生偏差。Wang等[27]分別嘗試使用70%乙醇、水或150 mmol/L乙酸銨溶液對組織切片表面進行洗滌，結果顯示，150 mmol/L乙酸銨溶液的處理不僅不會造成脂質的丟失，而且使得PC和SM信號增強；本課題組Zhang等[30]研究發現，使用乙醇洗滌鼠腦組織，然后利用3-氨基喹啉(3-AQ)作為基質能夠大大增強負離子模式下MALDI MS對于神經節苷脂(Gangliosides)類物質的檢測;Angel等[31]發現，使用pH 6.4的甲酸銨溶液或者pH 6.7的乙酸銨溶液對組織切片進行洗滌能夠大大提高負離子模式下對于甘油磷脂類、硫苷脂類和神經節苷脂類物質檢測的靈敏度，相較于未洗滌處理的組織切片，信號提高程度能夠達到5倍，而且不影響MALDI MSI的成像分辨率。

1.2 酶 解

對8類脂質分子的結構分析可知，甘油磷脂類(Glycerophospholipids)分子，尤其是其中的PC類物質，由于本身極性較大,容易帶正電荷，且在組織中的含量較高，導致在正離子檢測模式下，甘油磷脂類物質會對其他脂質分子產生強烈的離子抑制效應，使得對其他類脂質的檢測成為難題。為解決這一問題，Vens-Cappell等[32]使用磷脂水解酶PLC(Phospholipase-C)，特異性地水解PC分子的極性端基，將PC分子轉化成為中性的DAG(Diacylglycerol，甘油二酯)分子。利用這種預處理方式，Vens-Cappell等將鼠腦和腎組織表面的PC分子水解，檢測到鞘糖脂類(Glycosphingolipids)脂質分子，相較未處理前，信號強度提高了10倍。 Amoscato等[28]研究發現，對于鼠腦組織，首先通過EDCI(1-Ethyl-3-[3-(dimethylamino)propyl]-carbodiimide hydrochloride)的化學處理，然后進行PLC酶的水解處理，能夠大大增強在負離子模式下MALDI MS對于心磷脂類(Cardiolipins，CLs )物質的檢測靈敏度，實現對于鼠腦部位CLs的MALDI MSI成像分析。

1.3 衍生化

在MALDI MSI分析過程中，保持被分析物的位置不變十分重要，另外不引入新的雜質也是十分必要的。然而，由于化學反應條件復雜，所以通過化學衍生的手段提高MALDI MSI分析的靈敏度時很難避免上述兩個問題。對大部分分子結構復雜的脂質分子進行原位衍生更是一件十分具有挑戰的課題。FA(Fatty acid，脂肪酸)是脂質中分子結構最為簡單的一類物質，由于分子結構中含有1個羧基，所以只能在負離子模式下進行直接檢測，然而由于其離子化效率低、在組織中的含量少、分子量小(200～400)易被基質自身的信號干擾，因此用MALDI對FA類物質進行檢測時困難重重。2016年，Wu等[33]利用電噴霧在組織表面噴涂衍生化試劑2-Picolylamine的方法實現了在鼠腦組織表面的原位FA衍生化，結果顯示，通過該衍生化處理，在正離子模式下可以在鼠腦組織表面檢測到6個FA成像信號，成像結果表明被分析物未發生明顯位移。

2 MALDI MSI在脂質組學研究中的基質使用

基質的使用是MALDI分子離子化的基礎，所以基質的使用非常重要，也是易受人為操作影響的步驟。基質的使用主要包括兩個方面：基質的選擇和基質的噴涂方式。

2.1 基質的選擇

有機小分子基質，如DHB，CHCA，9-AA，MBT，3-AQ等，是進行脂質分析中使用最多的一類基質，DHB在正負離子模式下皆可使用，CHCA和MBT主要用于正離子模式檢測，9-AA和3-AQ主要用于負離子模式檢測。通常的選擇策略是：正離子模式選擇酸性基質，負離子模式選擇中性或堿性基質。然而，隨著MALDI技術的不斷發展、脂質研究的不斷深入，常見的有機小分子基質無法完全滿足研究的需要，新型的有機小分子基質、離子液體基質以及無機納米材料基質等不斷填補著傳統基質的不足。

2.1.1 有機小分子基質 有機小分子基質是最早使用的MALDI基質，對MALDI技術的發展起到了極大的推進作用。近年來，隨著研究的深入，傳統有機小分子基質已不能滿足要求，如在低m/z區域(<500 Da)出現的大量基質信號影響到小分子物質的檢測，對于中性的脂質如甘油三脂(TAG)、甘油二酯(DAG)、膽固醇酯(CE)等的離子化效率較低，在磷脂(PLs)類物質分子產生強烈離子抑制情況下無法進行有效的檢測[34]。另外，有機小分子基質在使用過程中由于存在重結晶的過程，基質結晶的大小和均勻度很難控制，而且易導致“甜點”出現。由于MALDI離子化的機理尚不完全清晰，絕大部分有機小分子基質都是偶然或是基于經驗嘗試中得到的，因此開發該類基質具有挑戰性。Wang等[35]研究發現，羥基黃酮類化合物可以作為基質進行MALDI MSI分析，在正離子模式下，該類物質對于磷脂類分子具有很好的解析能力，其中1個化合物槲皮素可從鼠腦組織切片中解析到212種脂質，顯著優于常用的有機小分子基質DHB，CHCA和MBT等，并且該類物質還具有易于形成均勻結晶薄層、真空條件下穩定、自身信號低、用量少等優點；Nie課題組[36-38]近年來在研究中發現，萘的衍生物二氨基萘及其鹽酸鹽和N-(1-萘基)乙二胺及其鹽酸鹽或硝酸鹽作為基質在負離子模式下對小分子化合物具有很好的解析能力。

2.1.2 離子液體基質 因為具有低蒸汽壓和對被分析物高的溶解度，離子液體被廣泛應用于許多分析技術(如氣相色譜)。低蒸汽壓可保證離子液體在高真空條件下不易揮發，溶液狀態使得離子液體對于被分析物具有良好的溶解能力，Armstrong等[39]首次嘗試利用離子液體作為基質進行MALDI MS分析，結果顯示使用離子液體作為基質可以得到均勻的樣品溶液，有效避免了“甜點”的出現，而且有些離子液體的解析能力優于固體基質。此后,Lemaire等[40]制備了離子液體CHCA/aniline作為基質，實驗結果表明使用該基質后，MALDI MS具有檢測靈敏度更高，共結晶更加均勻，正負離子模式均可使用，以及易得到二級質譜信號等優點。 Chan等[41]利用CHCA與1-Methylimidazole制備得到離子液體lmCHCA，然后使用lmCHCA作為基質對鼠腦組織進行MALDI MSI分析，發現該離子液體基質對于鼠腦組織中的神經節苷脂類物質具有較強的解析能力，而且避免了唾液酸端基斷裂。Meriaux等[42]利用有機堿分別與2,5-DHB和2,6-DHAP(2,6-Dihydroxyacetophenone matrix)反應制備了多種離子液體，結果表明，以形成的離子液體作為基質對于磷脂類化合物的解析靈敏度并未下降，而且能夠克服2,5-DHB作為基質容易產生不均勻基質結晶和2,6-DHAP在真空條件下易揮發的不足，體現出離子液體基質的優勢。但是大部分離子液體基質對于脂質的解析能力并無明顯提升，而且存在保存時間短、影響成像分辨率等不足。因此，該類基質只能作為有機小分子基質的補充，還亟待改進和提高。

2.1.3 無機納米材料基質 無機納米材料基質是近年來發展較快的一類基質。相較于傳統的有機小分子基質，該類物質作為基質在MALDI MS中背景信號低，具有較強的耐鹽性，對于提高小分子區域(<500 Da)物質的檢測效果明顯。Hayasaka等[43]利用平均粒徑為(3.84±0.45) nm的AgNPs(銀納米顆粒)在負離子模式下從鼠肝組織中檢測到DHB不能檢測的6種FA，棕櫚酸的檢出限甚至達到50 pmol，并完成了這幾種FA在老鼠視網膜組織中的MALDI MSI分析;Jackson等[44]研究發現，使用粒徑為6 nm的AgNPs作為基質，在負離子模式下對甘油磷脂類分子具有較強的解析能力，在正離子模式下對于甘油酯類化合物TAG具有較強的檢測能力；Goto-Inoue等[45]研究發現(4.3±0.7) nm粒徑的AuNPs(金納米顆粒)作為基質在負離子模式下對于糖鞘脂類化合物(GM3,GM2,GM1,GD1,GD3)具有極強的解析能力，檢測靈敏度比DHB基質大約高20倍；Dufresne等[46]利用AuNPs作為基質，正離子檢測模式下成功檢出鼠肝組織中的25種TAG，該信號強度大約是DHB的30倍，檢出的TAG種類幾乎是DHB的4倍，另外，對于DAG和CE等中性脂質也具有良好的解析效果；TiO2NPs(二氧化鈦納米顆粒)由于具有對紫外光強吸收的特點,Shrivas等[47]嘗試以其作為基質，結果顯示，正離子模式下，TiO2NPs對于低分子區域(<500 Da)的物質具有非常強的解析能力。另外，Chen等[48]研究發現碳納米管作為基質在負離子檢測模式下對于小分子物質FA、氨基酸、多肽等具有很強的解析能力，對于硬脂酸的最低檢出限能夠達到0.2 fmol。雖然無機納米材料基質表現出優于傳統有機小分子基質的諸多特性，但無機納米材料的性質與其制備方法、尺寸等密切相關，因此在使用該類材料作為基質時必須考慮重復性的問題。

2.2 基質的噴涂方式

目前，常用的基質噴涂方式按機理的不同主要有3大類：①噴槍法；②升華法；③自動噴霧法。其中噴槍法是操作最為簡單、效率最高的基質噴涂方式，但是受人為操作因素影響較大，重復性差；升華法可以制備均勻的基質結晶薄層，但要求基質在真空條件下具有一定的揮發性；自動噴霧法是目前應用最為廣泛，發展最為活躍的一種基質噴涂方式，相較于前兩種方式，該方法具有基質結晶較為均勻、自動化程度高、適應性強等優點，幾乎所有的基質都可以使用該種方法并可獲得比較理想的噴涂效果，也是商業化的基質噴涂裝置常用的噴涂方式。 Gemperline等[49]的研究表明，在MALDI MSI分析中，自動噴霧法制備樣品的成像分辨率和重現性均優于噴槍法，升華法是其中成像分辨率最高和重現性最好的基質噴涂方法，但檢測到脂質的種類最少；Guo等[50]的研究表明，利用高壓電噴霧的方法進行NEDC(N-(1-萘基)乙二胺鹽酸鹽)噴涂能夠顯著增強在負離子模式下對小分子代謝物質(如脂肪酸、核苷類物質等)的檢測靈敏度。

3 MALDI MSI在脂質組學研究中的應用

相較于LC-MS方法，MALDI MSI無需對樣品進行萃取、純化、分離等復雜的前處理，并且保留了脂質的原位信息，這些特點使得MALDI MSI分析方法在生物標志物的識別、代謝機理的研究、犯罪科學及食品科學等領域均有著廣泛的應用。

3.1 腫瘤標志物的識別

脂質尤其是其中的磷脂類物質是細胞膜的主要構成成分，在細胞中發揮了重要和多樣性的功能，包括化學能量的儲存、細胞膜和細胞器、細胞的信號傳導、組織中細胞與細胞之間的相互作用等。這些細胞過程與細胞的生長、凋亡、癌變、轉移等變化有著密切的聯系。因此，一些種類的脂質在腫瘤組織中的含量會發生變化，且MALDI MSI分析技術非常適用于研究這種脂質的空間位置變化。Jones等[51]利用MALDI FTICR-MS對腎細胞癌及其正常組織進行綜合脂質分析，發現m/z672的PC(26∶0) 和m/z718的PC(30∶3) 在腎細胞癌組織中的表達有明顯升高，m/z723的PC(30∶2) 在腎細胞癌組織中的表達較正常組織低；Ishikawa等[52]研究發現：相較于正常組織，在甲狀腺癌組織中有3種磷脂的含量明顯升高，分別是m/z798的PC(16∶0/18∶1) +K+，m/z796的PC(16∶0/18∶2) +K+和m/z741的SM(d18∶0/16∶1) +K+，這3種脂質分子可以作為甲狀腺癌早期診斷的生物標志物;Uehara等[53]使用MALDI-TOF-MSI對人的胃癌組織和癌旁粘膜組織進行綜合脂質成像分析，結果顯示：m/z798的PC(16∶0/18∶1) +K+和m/z496的LPC(16∶0)+H+在胃癌組織中的表達分別高于和低于癌旁粘膜組織，分析表明LPCAT1(溶血卵磷脂?；D移酶1)在胃癌組織中的表達高于癌旁粘膜組織，并且與腫瘤的分化呈現正相關，與腫瘤浸潤程度和淋巴結轉移等呈現負相關；Morita等[54]利用MALDI MSI技術對肝癌組織的研究結果表明：相較于癌旁組織，腫瘤區域中sn-2位置被棕櫚酸或油酸取代的PC含量有明顯升高，正相反，sn-1位置被棕櫚酸取代的LPC含量有明顯降低。

Morita等的進一步研究表明，肝癌組織中某些種類PC或LPC含量的改變是由于LPCAT1(溶血卵磷脂?；D移酶1)表達的異常升高所致，LPCAT1作為一種促進LPC轉化為PC的酶會特異性地識別sn-1位置被棕櫚酸取代的LPC，并使其轉化為sn-2位置被棕櫚酸或油酸取代的PC，因此出現了肝腫瘤組織中特定種類PC含量升高、LPC含量降低的現象。Jiang課題組[55]通過比較擴散性強的乳腺癌細胞系及擴散性弱的乳腺癌細胞系中的脂質信息發現，前者有31種脂質的表達上調，8種脂質的表達下降，這些脂質分子或許可以作為乳腺癌疾病診斷的新的生物標志物。

3.2 指紋成像

由于其獨特性，指紋一直是身份鑒定的重要依據，是刑偵鑒定中的關鍵證據。然而，對于指紋的檢測長期依賴于信號增強的方法，主要通過物理或化學試劑與其中的某些成分結合或反應，僅獲取了指紋的物理特征，而可能忽略了其他信息，比如嫌疑人在作案之前是否接觸過毒品、嫌疑人的性別、年齡、身體健康狀況等。質譜成像技術為解析這些信息提供了可能。指紋中主要包含內源性和外源性的物質，內源性的物質主要包括金屬離子、脂質、氨基酸、蛋白質和維他命等；外源性的物質主要是一些物質的沾染(如藥物、化妝品、食物等)。這些物質均可作為質譜分析的對象。2009年，Wolstenholme等[56]首次使用MALDI MSI技術對指紋中的內源性物質進行了成像分析，結果顯示：利用CHCA作為基質在正離子模式下共檢測到包括13-Aminotridecanoic acid、油酸、硬脂酸、十九烷酸、DAG、脫水膽固醇和Dimethyldioactadecylammonium在內的7種脂質，利用這些脂質信號可對指紋的特征進行清晰的成像，另外，將指紋表面的基質洗滌后，還可以用常規的刑偵學方法對指紋進行鑒定和掃描；2011年，Ferguson等[57]通過改進基質噴涂方法，既實現了對指紋信號的增強又可以進行指紋的質譜成像分析，該文章稱之為“干-濕”法：首先將CHCA基質粉末撒到指紋表面，然后將多余的粉末吹掉后進行溶劑的噴涂，干燥后對指紋表面的CHCA基質分別進行紫外和熒光成像分析，最后通過質譜成像分析以獲取指紋中的分子信息；另外，在犯罪現場經常會出現交叉指紋，使用常規的染色方法很難獲取精細的重疊區域指紋圖譜，影響比對的成功率，由于不同的嫌疑人指紋中內、外源性物質的含量和種類差別較大，而Bradshaw等[58]利用MALDI MSI技術很好的解決了這一問題。

3.3 單細胞脂質分析

分子生物學、腫瘤醫學、藥學等的快速發展對分析技術提出了更高的要求，單細胞成像分析是目前面臨的挑戰之一。近年來，隨著MALDI MS技術的不斷創新和發展，MALDIMS成像的分辨率可以達到10 μm以內。Zavalin等[59]通過改造MALDIMS離子源由反射結構變為透射結構實現了1 μm以內的成像分辨率，對HEK-293和RKO細胞成功進行了MALDI MSI分析，m/z782的成像圖與光學圖像完全一致；Schober等[60]對HeLa細胞進行了7 μm分辨率下的MALDI MSI成像分析，成像結果與光學圖像一致，而且對于磷脂分子和小分子物質具有較高的檢測靈敏度。

3.4 臨床應用

微生物疾病引起的死亡是人類死亡的主要原因，因此，病原菌的早發現對于感染的預防、控制和治療十分重要，也是精準醫學的迫切需求。相較于傳統的細菌鑒定手段，如表型特征觀察、16S核糖體RNA測序和實時熒光PCR檢測等，MALDI MS檢測手段具有準確度高、方便、快捷等優點，適合于臨床應用。近年來，MALDI MS技術在該領域發展迅猛，目前Bruker MicroflexBiotyper和bioMérieux VITEK MS兩種基于蛋白質組學的MALDI-TOF MS檢測方法獲得了FDA的批準，在臨床中獲得了廣泛應用。然而，該技術仍有一些不足，如對于十分相似細菌的鑒定仍然存在困難。脂質組學的發展或許會為解決這一問題提供可能。Cox等[61]的研究表明，使用CeO2催化的MALDI-TOF MS脂肪酸分析方法，以脂肪酸作為指紋信號，可獲得100%準確度的種類鑒定，98%準確度的株系鑒定，準確度明顯高于以上兩種商業化分析方法。

隨著研究的不斷深入，MALDI MSI技術在臨床應用中也取得了重要進展。傳統的MALDI MSI分析流程中，樣本的制備通常采用冰凍切片的形式，然而，福爾馬林固定-石蠟包埋(Formalin-fixed paraffin-embedded，FFPE)人體組織切片樣品是臨床組織學檢查最常用的保存形式。近年來，Walch課題組[62-63]發展了基于FFPE人體組織切片的MALDI MSI分析方法，該分析方法為MALDI MSI技術的臨床應用提供了可能。該課題組對350位腫瘤患者的組織樣本進行分析，發現該方法不僅能夠區分正常組織與腫瘤組織，而且能夠區分來自于相同組織的不同種類腫瘤，另外還發現與腫瘤病人存活率相關的生物標志物。由于臨床上對于組織分布的特異性要求較高，這就要求在進行MALDI MSI過程中需要更高的成像分辨率，再加之，對于質量分辨率的要求也越來越高，導致在進行MALDI MSI分析過程中會生成龐大的數據和消耗過多的采集時間，這些問題都會給臨床應用帶來挑戰。 Heijs等[64]開發了組織學引導的高分辨MALDI MSI分析新方法，該方法首先利用軟件將組織學染色的樣本圖片進行區域標記，然后對于標記區域進行高分辨MALDI MSI分析。與傳統的MALDI MSI分析流程相比較，該方法能夠大大縮短成像的時間和數據采集量，提高了分析效率。另外，Carter等[65]開發了對于肺活檢組織樣本的MALDI MSI分析新方法，該方法不僅能夠保存呼吸道系統的生理狀態，而且樣本制備過程不會影響到其他的臨床檢測手段。

4 問題及展望

經過近20年的發展，MALDI MSI技術在脂質組學研究中獲得了廣泛的應用，極大地推動了脂質組學的發展。然而，該技術目前仍然處于快速發展階段，MALDI MSI分析存在離子抑制效應、靈敏度偏低、樣品分析的過程冗長、基質信號干擾、分辨率偏低、難以準確定量、數據生物學意義解析困難等一系列問題，這些問題亟需進一步研究。

采用有機揮發溶劑[25-26]或醋酸鈉溶液[27]沖洗切片除鹽，或使用酶溶液處理切片，可以消除部分高豐度脂質對其他低豐度脂質的信號抑制作用[28]。新基質(如槲皮素、二氨基萘等)的應用，可以極大提高特定脂質檢測的靈敏度。儀器性能，如激光性能的改進及提高、質譜儀器檢測速率的提高，對于樣品分析過程的縮短提供了可行性。無機納米材料基質的應用，對于解決傳統有機小分子基質在m/z500以下區域的干擾提供了方案。新的基質噴涂方法，使得更小的、更均一的基質結晶成為可能，從而極大地提高了MALDI MSI成像的空間分辨率、重現性及定量能力。現在，許多大學和國家科研機構紛紛成立脂質組學研究中心，如美國NIH資助的LIPIDMAPS、歐盟資助的LipidomicNet,包括早期的ELIfe(The European Lipidomics Initiative)(http://www.lipidomics.net)以及日本政府資助的Lipid Bank(http://www.lipidbank.jp)，華盛頓大學醫學院的ORY研究小組和堪薩斯州立大學成立的脂質組學研究中心以及格拉茨大學、奧地利科學院及格拉茨技術大學等研究機構共同成立的格拉茨脂質組學研究中心(Lipidomics Research Center Graz，LRCGraz)，新加坡國立大學也成立了以Wenk教授為首的Lipidprofile課題組。這些脂質數據庫等的建設，將推動脂質功能的研究及其生物學意義的研究?？傊?，隨著新型基質的不斷開發、新的樣品制備方法的涌現、儀器性能的不斷改進和提高、生物信息學等技術的發展，MALDI MSI技術必將為脂質組學的發展注入新的動力。

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Application of MALDI MSI in Lipidomics Research

LI Shi-lei1,2,ZHANG Yang-yang1,GUAN Ming1,2,YANG Hui1,2,WEI Yan-bo1,ZHAO Zhen-wen1,2*

(1.Beijing Mass Spectrum Center,Key Laboratory of Analytical Chemistry for Living Biosystems,Institute of Chemistry Chinese Academy of Sciences,Beijing 100190,China;2.University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China)

Lipidomics,firstly proposed in 2003,is an emerging field,where the structures,functions and dynamic changes of lipids in cells,tissues or body fluids are investigated.Studies have showed that the disturbance of lipid metabolism is closely related to some diseases,such as cancer,atherosclerosis,diabetes,obesity and Alzheimer disease.Therefore, the comprehensive analysis of lipid becomes significant.However,due to the diversity and complexity of lipids,lipids analysis is still full of challenges.Recently,Matrix-assisted laser desorption and ionization mass spectrometry imaging(MALDI MSI) has been developed quickly in lipidomics research.Compared with traditional LC-MS,MALDI MSI provides spatially resolved ion intensity maps corresponding to the mass-to-charge ratio of intact molecular species at specific locations in a prepared tissue sample,which is very useful in biomarker identification analysis,drug distribution analysis,etc.MALDI MSI is a relatively new technique,it still has many aspects needing further improved,such as small molecules detection,neutral lipids detection,ion suppression elimination,detection sensitivity improvement,etc.In MALDI MSI analysis,sample preparation,new matrix development and application research are the three hotspots.This review aims to introduce the research progress of MALDI MSI in sample processing,matrix coating and its application.The existing problems and possible solutions are discussed,in order to extend the application of MALDI MSI.

matrix-assisted laser desorption/ionization mass spectrum imaging(MALDI MSI);lipidomics;sample preparation;matrix;marker;review

2016-09-21；

2016-10-07

國家自然科學基金(21575146，21321003，21405160)

10.3969/j.issn.1004-4957.2017.02.003

O657.63；O623.732

A

1004-4957(2017)02-0170-08

*通訊作者：趙鎮文，博士，研究員，研究方向：脂質組學研究，Tel：010-62561239，E-mail：zhenwenzhao@iccas.ac.cn