簡(jiǎn)介
最早的質(zhì)譜成像技術(shù)是基質(zhì)輔助激光解吸電離(MALDI,matrix assisted laser desorption ionization)質(zhì)譜分子成像技術(shù),由范德堡大學(xué)(VanderbiltUniversity)的Richard Caprioli等在1997年提出,他們通過(guò)將MALDI質(zhì)譜離子掃描技術(shù)與專(zhuān)業(yè)圖像處理軟件結(jié)合,直接分析生物組織切片,產(chǎn)生任意指定質(zhì)荷比(m/z)化合物的二維離子密度圖,對(duì)組織中化合物的組成、相對(duì)豐度及分布情況進(jìn)行高通量、全面、快速的分析,可通過(guò)所獲得的潛在的生物標(biāo)志物的空間分布以及目標(biāo)組織中候選藥物的分布信息,來(lái)進(jìn)行生物標(biāo)志物的發(fā)現(xiàn)和化合物的監(jiān)控。1
MSI技術(shù)的原理MSI技術(shù)的工作原理:首先以適當(dāng)?shù)姆绞将@取和制備待測(cè)樣本,質(zhì)譜儀按照預(yù)先設(shè)定的采集程序,利用激光或高能離子束等掃描樣本,使其表面的分子或離子解吸離子化,再經(jīng)質(zhì)量分析器獲得樣本表面各像素點(diǎn)離子的質(zhì)荷比和離子強(qiáng)度,借助質(zhì)譜成像軟件在各像素點(diǎn)的質(zhì)譜數(shù)據(jù)中搜尋任意指定質(zhì)荷比離子的質(zhì)譜峰,結(jié)合其對(duì)應(yīng)離子的信號(hào)強(qiáng)度和其在樣本表面的位置,繪制出對(duì)應(yīng)分子或離子在樣本表面的二維分布圖;繼而采用上述軟件對(duì)樣本連續(xù)切片的二維分布圖進(jìn)行進(jìn)一步數(shù)據(jù)處理,獲得待測(cè)物在樣本中的三維空間分布。2
MSI研樣本獲取與制備樣本制備過(guò)程是影響質(zhì)譜成像結(jié)果真實(shí)性和準(zhǔn)確性的關(guān)鍵環(huán)節(jié),其處理方法和技術(shù)與待測(cè)物自身的性質(zhì)、所處的樣本類(lèi)型和狀態(tài)密切相關(guān)。通常,MSI技術(shù)用于藥學(xué)研究多以動(dòng)物、組織、細(xì)胞和固體制劑作為分析對(duì)象。
樣本的收集與固定恰當(dāng)而迅速的樣本收集與固定是維持樣本中分子或離子的真實(shí)空間分布和豐度的保證。一般常用頸椎脫臼、斷頭、麻醉放血、吸入CO2等方法處死動(dòng)物以獲得整體樣本,應(yīng)注意不同處死方法對(duì)特定器官中待測(cè)物可能產(chǎn)生的影響。器官等組織樣本可由活體組織檢查或動(dòng)物解剖獲得。細(xì)胞樣本可以從培養(yǎng)基中分離。
為避免待測(cè)物的移位和降解,樣本一經(jīng)收集應(yīng)迅速固定。器官等組織樣本和整體動(dòng)物樣本最常用的固定方法是快速冷凍。組織樣本通常冷凍于液氮或干冰預(yù)冷的異戊烷中;整體動(dòng)物樣本則多置于干冰,正己烷浴中。經(jīng)過(guò)快速冷凍的樣本,在 -70℃以下儲(chǔ)存時(shí)間1年內(nèi)可以保持相對(duì)穩(wěn)定,獲得的MSI結(jié)果可靠。采用福爾馬林固定石蠟包埋保存活檢樣本時(shí),可通過(guò)對(duì)樣本表面噴涂反應(yīng)性基質(zhì)或進(jìn)行原位酶解來(lái)消除福爾馬林引起的蛋白質(zhì)共價(jià)交聯(lián)??焖倏煽氐臒崽幚矶嘤糜诜乐故覝叵旅敢蚧钚曰謴?fù)而降解待測(cè)物,但因熱處理可能細(xì)微地改變樣本的形態(tài)結(jié)構(gòu),因此只適用于腦、腎、移植瘤等細(xì)胞排列緊密的組織。采用冷凍固定法可以很好地維持細(xì)胞的形態(tài)和細(xì)胞內(nèi)可擴(kuò)散離子的空間分布。為固定細(xì)胞,需先采用維持細(xì)胞滲透壓和酸堿平衡的甲酸銨溶液洗去細(xì)胞表面的鹽類(lèi),然后快速冷凍并進(jìn)一步冷凍干燥,以除去甲酸銨和水。當(dāng)使用化學(xué)固定法(如戊二醛作為固定劑)時(shí),應(yīng)注意其可能引起蛋白質(zhì)共價(jià)交聯(lián),從而使膜蛋白喪失維持細(xì)胞內(nèi)外離子濃度梯度的功能,不利于可擴(kuò)散離子的分布研究。
樣本表面的制備組織、整體動(dòng)物和固體制劑通常需要制成切片。切片前應(yīng)根據(jù)樣本性質(zhì)選擇是否需要包埋來(lái)維持樣本在切片過(guò)程中的完整性。對(duì)于眼組織等脆弱的組織、整體動(dòng)物等較大的樣本以及不易完整切片的固體制劑常需要作包埋處理:組織樣本可用純水或明膠包埋;整體動(dòng)物樣本和固體制劑可用羧甲基纖維素包埋。切片通常采用冰凍切片機(jī),溫度控制在-16℃~-26 ℃;一般組織密度越大,切片溫度越高。切片的厚薄也很重要:切片過(guò)薄,容易在轉(zhuǎn)移過(guò)程中撕裂;切片過(guò)厚,則不利于清洗除去一些對(duì)離子信號(hào)有干擾的物質(zhì)且導(dǎo)電性差。
樣本轉(zhuǎn)移至質(zhì)譜靶主要通過(guò)融裱法和膠帶法,分別是在室溫下直接將冷凍組織切片粘到靶上,或用導(dǎo)電雙面膠將樣本固定在質(zhì)譜靶上。固體制劑切片和整體動(dòng)物切片通常使用膠帶法轉(zhuǎn)移。樣本轉(zhuǎn)移至質(zhì)譜靶后,需立即對(duì)載有樣本的質(zhì)譜靶進(jìn)行干燥處理以保持樣本穩(wěn)定。常用的干燥方法有冷凍干燥、真空干燥、溶劑脫水干燥和氮?dú)獯蹈伞?/p>
樣本表面的處理干燥后的樣本一般可直接進(jìn)行質(zhì)譜分析,復(fù)雜樣本中特定待測(cè)物的檢測(cè)常需采用溶劑清洗、表面酶解和化學(xué)衍生化等對(duì)分析表面進(jìn)行適當(dāng)處理。
研究表明,用適當(dāng)溶劑清洗載有樣本的質(zhì)譜靶,既能起到脫水固定作用,還能顯著改善質(zhì)譜測(cè)定結(jié)果。如蛋白組學(xué)分析時(shí),常用70%~100%乙醇洗去抑制蛋白質(zhì)離子化的小分子和脂質(zhì),以增強(qiáng)多肽、蛋白質(zhì)的檢測(cè)靈敏度;而分析小分子時(shí),則應(yīng)盡量避免有機(jī)溶劑清洗,除非已明確待測(cè)物在所用溶劑不溶或幾乎不溶。分析脂質(zhì)和小分子藥物時(shí),使用特定pH的緩沖液清洗組織切片,可以除去內(nèi)源性鹽類(lèi)等抑制離子化的物質(zhì),以提高檢測(cè)信號(hào)強(qiáng)度。甲酸銨溶液可用于細(xì)胞表面鹽類(lèi)的清洗,既維持細(xì)胞滲透壓和酸堿平衡,又不影響細(xì)胞形態(tài)。
由于MSI常用的離子化方式對(duì)多肽的檢測(cè)靈敏度顯著高于對(duì)完整蛋白質(zhì)的檢測(cè)靈敏度,故蛋白質(zhì)原位分析時(shí),有采用胰蛋白酶先對(duì)樣本表面的蛋白質(zhì)進(jìn)行原位酶解,產(chǎn)生相對(duì)分子質(zhì)量范圍在400~3500的多肽后再檢測(cè)的報(bào)道。但因酶解過(guò)程中,待測(cè)物可能發(fā)生移位,內(nèi)源性酶活性也可能恢復(fù),因此原位酶解方式主要用于內(nèi)源性蛋白質(zhì)的鑒定,而非定量分布研究。
對(duì)于難電離的物質(zhì)或者存在內(nèi)源性背景干擾,在樣品表面進(jìn)行化學(xué)衍生化將有利于待測(cè)物的MSl分析。2
質(zhì)譜成像分類(lèi)這種方法可用于小分子代謝物,藥物化合物,脂質(zhì)和蛋白,而且質(zhì)譜成像能相對(duì)快速的利用許多分子通道,完全無(wú)需特殊抗體。下面列出五種先進(jìn)的質(zhì)譜成像方法。
MALDI質(zhì)譜分子成像技術(shù)MALDI 質(zhì)譜分子成像是在專(zhuān)門(mén)的質(zhì)譜成像軟件控制下,使用一臺(tái)通過(guò)測(cè)定質(zhì)荷比來(lái)分析生物分子的標(biāo)準(zhǔn)分子量的質(zhì)譜儀來(lái)完成的。被用來(lái)研究的組織首先經(jīng)過(guò)冰凍切片來(lái)獲得極薄的組織片,接著用基質(zhì)封閉組織切片并將切片置入質(zhì)譜儀的靶上。通過(guò)計(jì)算機(jī)屏幕觀察樣品,利用MALDI 系統(tǒng)的質(zhì)譜成像軟件,選擇擬成像部分,首先定義圖像的尺寸,根據(jù)尺寸大小將圖像均分為若干點(diǎn)組成的二維點(diǎn)陣,來(lái)確定激光點(diǎn)轟擊的間距。激光束通過(guò)這個(gè)光柵圖案照射到靶盤(pán)上的組織切片,軟件控制開(kāi)始采集質(zhì)譜數(shù)據(jù),在質(zhì)譜儀中,激光束對(duì)組織切片進(jìn)行連續(xù)的掃描,組織樣品在激光束的激發(fā)下釋放出的分子被質(zhì)譜儀所鑒定從而獲得樣品上每個(gè)點(diǎn)的質(zhì)荷比(m/ z)信息,然后將各個(gè)點(diǎn)的分子量信息轉(zhuǎn)化為照片上的像素點(diǎn)。在每個(gè)點(diǎn)上,所有質(zhì)譜數(shù)據(jù)經(jīng)平均化處理獲得一幅代表該區(qū)域內(nèi)化合物分布情況的完整質(zhì)譜圖。儀器逐步采集組織切片的質(zhì)譜數(shù)據(jù),最后得到具有空間信息的整套組織切片的質(zhì)譜數(shù)據(jù)。這樣就可以完成對(duì)組織樣品的“分子成像”。設(shè)定m/ z 的范圍,即可確定該組織區(qū)域所含生物分子的種類(lèi),并選定峰高或者峰面積來(lái)代表生物分子的相對(duì)豐度。圖像中的彩色斑點(diǎn)代表化合物的定位,每個(gè)斑點(diǎn)顏色的深淺與激光在每一個(gè)點(diǎn)或像素上檢測(cè)到的信號(hào)大小相關(guān)。
電噴霧電離技術(shù)一般質(zhì)譜成像方法由于體積龐大,重量重,需要冗長(zhǎng)的樣品準(zhǔn)備階段,因此并不適用于即時(shí)成像(bedside applications),比如說(shuō)要幫助外科醫(yī)生進(jìn)行實(shí)時(shí)的腫瘤邊界成像監(jiān)控,那么就要尋找新的方法了。
一種稱(chēng)為電噴霧電離技術(shù)(desorption electrospray ionization,DESI)的MS成像技術(shù)解決了這個(gè)問(wèn)題。DESI技術(shù)于2004年首次提出,由于這一方法具有樣品無(wú)需前處理就可以在常壓條件下,從各種載物表面直接分析固相或凝固相樣品等優(yōu)勢(shì)而得到了迅速的發(fā)展。
這種方法的原理是帶電液滴蒸發(fā),液滴變小,液滴表面相斥的靜電荷密度增大。當(dāng)液滴蒸發(fā)到某一程度,液滴表面的庫(kù)侖斥力使液滴爆炸。產(chǎn)生的小帶電液滴繼續(xù)此過(guò)程。隨著液滴的水分子逐漸蒸發(fā),就可獲得自由徘徊的質(zhì)子化和去質(zhì)子化的蛋白分子DESI與另外一種離子源:SIMS(二次離子質(zhì)譜)有些相似,只是前者能在大氣壓下游離化,發(fā)明這項(xiàng)技術(shù)的普渡大學(xué)Cooks博士認(rèn)為DESI方法其實(shí)就是一種抽取方法,即利用快速帶電可溶微粒(比如水或者乙腈acetonitrile)進(jìn)行離子化,然后沖擊樣品,獲得分析物的方法。
APIR MALDI/LAESI技術(shù)了解細(xì)胞的內(nèi)部成分是理解健康細(xì)胞不同于病變細(xì)胞的關(guān)鍵。但是直到目前為止,唯一的方法是觀察單個(gè)細(xì)胞的內(nèi)部,然后將其從動(dòng)物或植物中移除,或者改變細(xì)胞的生存環(huán)境。但是這么做的話,會(huì)使細(xì)胞發(fā)生變化??茖W(xué)家還不是很清楚一個(gè)細(xì)胞在病變時(shí)與健康細(xì)胞的差別,或者當(dāng)它們從一個(gè)環(huán)境移到另一個(gè)環(huán)境中產(chǎn)生的變化。
來(lái)自華盛頓大學(xué)Akos Vertes教授希望能從另外一個(gè)方面來(lái)進(jìn)行活細(xì)胞分析,在他的一項(xiàng)關(guān)于活葉樣品中初級(jí)和次級(jí)代謝產(chǎn)物分布的研究中,研究人員發(fā)現(xiàn)葉片中積累基質(zhì)很厚,常導(dǎo)致光譜末端低分子量部分模糊,而且基質(zhì)輔助激光解析電離(MALDI)質(zhì)譜分析需要在真空中進(jìn)行,但活體樣本在真空中無(wú)法存活。
實(shí)際上,MALDI質(zhì)譜分析的原理是將分析物分散在基質(zhì)分子中并形成晶體,當(dāng)用激光照射晶體時(shí),由于基質(zhì)分子經(jīng)輻射所吸收的能量,導(dǎo)致能量蓄積并迅速產(chǎn)熱,從而使基質(zhì)晶體升華,致使基質(zhì)和分析物膨脹并進(jìn)入氣相。而生物樣品也可以直接吸收能量的,比如2.94mm波長(zhǎng)的光能激活水中氫氧鍵。因此Vertes等人想到復(fù)合兩種技術(shù)來(lái)解決這一問(wèn)題。首先他們利用大氣壓紅外線(an atmospheric pressure infrared,APIR)MALDI激光直接激活組織中的水分,使樣品氣化,就像是組織表面發(fā)生了細(xì)胞大小的核爆炸,從而獲得了離子化微粒,進(jìn)入質(zhì)譜中進(jìn)行分析。但是并不是所有的氣化微粒都帶電,大部分其實(shí)是不帶電的,會(huì)被APIR MALDI遺漏。
為了捕捉這些中性粒子,Vertes等人采用了第二種方法:LAESI (laser ablation electrospray ionization,激光燒蝕電噴霧電離),這種方法能捕捉大量帶電微滴的微粒,然后重新電離化。通過(guò)對(duì)整個(gè)樣品進(jìn)行處理,復(fù)合這兩種方法,就能覆蓋更多的分子,分析質(zhì)量更高。
與一般質(zhì)譜成像過(guò)程不同,Verte的方法還在成像中增加了高度,從而實(shí)現(xiàn)了3D代謝物成像。這項(xiàng)技術(shù)的分辨率是直徑10mm,高度30mm,這與生物天然的立體像素相吻合,這樣科學(xué)家們就可以獲得天然構(gòu)像。
3D成像——二次離子質(zhì)譜技術(shù)質(zhì)譜成像技術(shù)能將基質(zhì)輔助激光解吸電離質(zhì)譜的離子掃描與圖像重建技術(shù)結(jié)合,直接分析生物組織切片,產(chǎn)生任意質(zhì)荷比(m/z)化合物的二維或三維分布圖。其中三維成像圖是由獲得的質(zhì)譜數(shù)據(jù),通過(guò)質(zhì)譜數(shù)據(jù)分析處理軟件自動(dòng)標(biāo)峰,并生成該切片的全部峰值列表文件,然后成像軟件讀取峰值列表文件,給出每個(gè)質(zhì)荷比在全部質(zhì)譜圖中的命中次數(shù),再根據(jù)峰值列表文件對(duì)應(yīng)的點(diǎn)陣坐標(biāo)繪出該峰的分布圖。
但是一般的質(zhì)譜成像技術(shù)不能對(duì)一些攜帶大分子碎片的化學(xué)成分進(jìn)行成像,來(lái)自賓夕法尼亞州州立大學(xué)的Nicholas Winograd教授改進(jìn)了一種稱(chēng)為二次離子質(zhì)譜(SIMS,secondary ion mass spectrometry)的方法,可以對(duì)樣品進(jìn)行完整掃描,三維成像。
這種技術(shù)具有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn):速度快(-10,000 spectra per second),亞細(xì)胞構(gòu)造分辨率(-100 nm),以及不需要基質(zhì)。但是另外一方面,不同于MALDI方法,SIMS方面不是一種“軟”技術(shù),這種方法只能對(duì)小分子成像,因此常常需要進(jìn)行粉碎。
Winograd教授改進(jìn)了這一方法,他利用了一種新型SIMS光束(carbon-60 磁性球),這種新光束比傳統(tǒng)的SIMS光束對(duì)物體的化學(xué)損傷更小。C60同時(shí)撞擊樣品表面,類(lèi)似于“一陣爆炸”,這樣重復(fù)的轟擊使得研究人員能深入樣品,進(jìn)行三維分子成像,Winograd教授稱(chēng)這個(gè)過(guò)程是“分子深度成像”(molecular depth profiling)。
C60的能量與其它的離子束相當(dāng),卻不到達(dá)樣品表面以下,這樣樣品可以連續(xù)地被逐層剝離,研究人員就可以得到縱面圖形,最終獲得三維的分子影像。Winograd教授等人用含有肽的糖溶液將硅的薄片包裹起來(lái)并進(jìn)行SIMS實(shí)驗(yàn),隨著薄膜逐漸被C60剝蝕,可以獲得糖和肽的穩(wěn)態(tài)信號(hào)。最終,薄膜完全剝離后就可以獲得硅的信號(hào)。如果用其它的射線或原子離子代替C60 ,粒子束會(huì)快速穿過(guò)肽膜而無(wú)法提供有關(guān)生物分子的信息。因此這種方法具有良好的空間分辨率,能夠獲得巨噬細(xì)胞和星型細(xì)胞的細(xì)胞特征和分析物的分布情況。
這里還要說(shuō)到一點(diǎn),SIMS和上一技術(shù)(APIR MALDI/LAESI技術(shù))都可以對(duì)三維成像,但兩者也有差別,SIMS方法中,采用高能離子轟擊樣品,逐出分析物離子(二級(jí)離子),離子再進(jìn)入質(zhì)量分析器。MALDI方法則用激光輻射樣品使之離子化,另外SIMS探針可以探測(cè)到100nm的深度,能提供納米級(jí)的分辨率,而MALDI可以探測(cè)更深,但空間分辨率較低。
納米結(jié)構(gòu)啟動(dòng)質(zhì)譜技術(shù)質(zhì)譜在檢測(cè)生物分子方面有很大潛力,但現(xiàn)有方法仍存在一些缺陷,靈敏度不夠高和需要基質(zhì)分子促使分析對(duì)象發(fā)生離子化就是其中之二。比如說(shuō),需要溶解或者固定在基質(zhì)上的方法檢測(cè)代謝物,較易錯(cuò)判,因?yàn)檫@些代謝物與那些基質(zhì)常常看上去都一樣。另外基于固定物基質(zhì)的系統(tǒng)也不允許研究人員精確的判斷出樣品中某一分子到底來(lái)自于哪兒。來(lái)自斯克利普斯研究院的Gary Siuzdak博士發(fā)明了一種稱(chēng)為納米結(jié)構(gòu)啟動(dòng)質(zhì)譜(nanostructure-initiator mass spectrometry,NIMS)的新技術(shù),這種技術(shù)能以極高的靈敏度分析非常小的區(qū)域,從而允許對(duì)肽陣列、血液、尿和單個(gè)細(xì)胞進(jìn)行分析,而且還能用于組織成像。
NIMS利用了一種特制的表面,這種多孔硅表面上聚集了一種含氟聚合物,這些分子在受到激光或離子束照射時(shí)會(huì)猛烈爆發(fā),這種爆發(fā)釋放出離子化的分析物分子,它們被吸收到表面上,使其能夠被檢測(cè)到。這種方法利用激光或離子束來(lái)從納米尺度的小囊中氣化材料,從而克服了一般質(zhì)譜方法缺少所需的靈敏度和需要基質(zhì)分子促使分析對(duì)象發(fā)生離子化的缺陷。
通過(guò)這種方法可以分析很多類(lèi)型的小分子,比如脂質(zhì),糖類(lèi),以及類(lèi)固醇,雖然每一種分析材料需要的含氟聚合物有少許差別,但是這是一種一步法的方法,比MALDI簡(jiǎn)單多了——后者需要固定組織,并添加基質(zhì)。
由于含氟聚合物不能很好的離子化,因此會(huì)發(fā)生輕微的光譜干擾,而且由于離子化過(guò)程是“軟性”的——就像MALDI,所以NIMS產(chǎn)生的生物分子是整塊離子化,而不是片段離子化。不過(guò)這種技術(shù)對(duì)于完整蛋白的檢測(cè)靈敏度沒(méi)有MALDI高。3
質(zhì)譜成像技術(shù)在實(shí)體腫瘤研究中的應(yīng)用腦腫瘤:2001年Stoeckli 等首次證實(shí)質(zhì)譜成像技術(shù)在腫瘤研究中的巨大潛能,該文論述了如何應(yīng)用質(zhì)譜成像技術(shù)揭示膠質(zhì)母細(xì)胞瘤組織切片的化學(xué)空間結(jié)構(gòu)。該研究結(jié)果顯示,蛋白胸腺素β4常出現(xiàn)在腫瘤團(tuán)塊增殖最活躍的部分,而蛋白S100A4則出現(xiàn)在腫瘤團(tuán)塊的中心。 隨后質(zhì)譜成像技術(shù)被證實(shí)可直接進(jìn)行組織分析定位神經(jīng)膠質(zhì)瘤,并進(jìn)行神經(jīng)膠質(zhì)瘤的惡性程度分級(jí)。
肺癌:Groseclose 等應(yīng)用質(zhì)譜成像技術(shù)對(duì)包含 112 例針吸活檢標(biāo)本的小型肺癌組織芯片進(jìn)行了研究。 首先,由一位病理學(xué)家在光鏡下對(duì)該組織芯片的HE染色切片進(jìn)行分析劃分每一例活檢標(biāo)本的癌區(qū)、癌旁區(qū)和正常組織區(qū)。 隨后,來(lái)自相同活檢標(biāo)本的未經(jīng)病理標(biāo)注組織芯片與病理標(biāo)注組織芯片的HE染色切片進(jìn)行匹配比對(duì),劃定未經(jīng)病理標(biāo)注組織芯片的癌區(qū)、非癌區(qū)范圍,最后用未經(jīng)標(biāo)注的組織芯片進(jìn)行組織溶解質(zhì)譜成像。進(jìn)行質(zhì)譜成像的組織芯片上,一部分針吸活檢組織作為訓(xùn)練組,并用病理學(xué)家的診斷對(duì)訓(xùn)練組針吸活檢組織的質(zhì)譜信號(hào)進(jìn)行標(biāo)注,建立分類(lèi)模型。 這個(gè)包含73個(gè)胰蛋白酶肽峰的基于支持矢量機(jī)的分類(lèi)模型對(duì)腺癌的識(shí)別準(zhǔn)確率為97.9%,對(duì)鱗癌的識(shí)別準(zhǔn)確率為98.6%。
乳腺癌:雌激素受體、孕激素受體和人類(lèi)表皮生長(zhǎng)因子受體2狀態(tài)與乳腺癌的診斷及治療密切相關(guān)。近年來(lái),有研究表明,對(duì)上述3種蛋白mRNA的多重檢測(cè)能大幅提升乳腺癌的診斷水平,并指導(dǎo)乳腺癌的個(gè)體化治療。4