MALDI MSI在脂质组学研究中的应用

李石磊，张阳阳，关 明，杨 慧，魏妍波，赵镇文*

(1．中国科学院化学研究所 活体分析实验室，北京质谱中心，北京 100190;2．中国科学院大学，北京 100049)

MALDI MSI在脂质组学研究中的应用

李石磊1,2，张阳阳1，关 明1,2，杨 慧1,2，魏妍波1，赵镇文1,2*

(1．中国科学院化学研究所 活体分析实验室，北京质谱中心，北京 100190;2．中国科学院大学，北京 100049)

脂质组学概念自2003年被提出以来，其已成为研究生物体、组织或细胞中脂质的结构、功能及代谢途径的一门学科。脂质的种类众多，同时结构非常复杂，脂质的分析充满了困难和挑战。基质辅助激光解吸电离质谱成像(MALDI MSI)分析技术不仅可以进行物质鉴定，而且可对被分析物进行空间分布成像，近年来，该技术广泛地应用于脂质组学的研究。该文介绍了MALDI MSI在脂质组学研究中的样品处理、基质喷涂及应用方面的研究进展，并就目前存在的问题及解决方案进行了探讨，以期扩展MALDI MSI的应用范围。

基质辅助激光解吸电离质谱成像；脂质组学；样品制备；基质；标志物;综述

脂质是组织结构的重要组成成分。按照目前的推测，哺乳动物体内大约存在10 000～100 000种脂质分子。按照脂质的结构特点，脂质分子大体分为8大类：①脂肪酸类(Fatty acids)；②甘油酯类(Glycerolipids)；③甘油磷脂类(Glycerophospholipids)；④鞘脂类(Sphingolipids)；⑤固醇脂类(Sterol lipids)；⑥孕烯醇酮脂类(Prenol lipids)；⑦糖脂类(Saccharolipids)；⑧多聚乙烯类(Polyketides)。脂质结构和种类的多样性赋予其重要的生物学意义。研究表明，脂质参与了包括能量转换、物质运输、信息识别与传递、细胞发育和分化、细胞凋亡等在内的多种重要生命活动[1-5]，还与某些疾病的发生发展密切相关，如肿瘤、动脉硬化症、糖尿病、肥胖症、阿尔茨海默病等[6-7]。因此，定性定量分析脂质以及研究其代谢极为重要。然而，脂质分子种类繁多，结构复杂，分析困难，是长期阻碍脂质研究发展的绊脚石。基质辅助激光解吸电离质谱成像(Matrix-assisted laser desorption ionization mass spectrometry imaging，MALDI MSI)分析技术凭借其高灵敏度以及可直接对生物样品中脂质检测的特性，成为最具潜力的脂质分析手段。

使用MALDI MSI进行生物样品脂质成像分析时，通过采集同一个组织不同区域的质谱图，然后进行叠加，可以获得脂质在样品切片的分布情况。MALDI MSI分析脂质有以下特点：①质谱图信号丰富。这是因为脂质种类繁多，细胞膜内外的磷脂、鞘脂和胆固醇含量丰富。②大部分脂质信号集中在600～1 000 Da，这主要由脂质的分子量决定。③正离子信号中PC类占很大比例。这是由于PC含量极高(细胞膜主成分)，并且，PC结构中含有季铵基团(永久正电性)，在正离子模式下检测灵敏度高。

迄今为止，科学家已经对包含大鼠鼠脑[8-12]、大鼠肝脏[8,13-14]、牛晶状体[15-16]、小鼠子宫[17]以及幼鼠[18]在内的多种组织进行了脂质成像的研究。众多基质如2,5-二羟基苯乙酮(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]、2,5-二羟基苯甲酸(2,5-Dihydroxybenzoic acid,DHB)[23]、2-巯基苯并噻唑(2-Mercaptobenzothiazole,2-MBT)[14]、蒽三酚(Dithranol,DT)[15]和槲皮素(Quercetin)[24]等均被成功用于脂质的检测成像。现阶段MALDI MSI脂质质谱成像主要包含3个发展方向：其一是利用不同的方法(开发新的基质或对切片进行前处理优化)获得更丰富的质谱信号，如采用有机挥发溶剂[25-26]或醋酸钠溶液[27]冲洗切片除盐，或使用酶溶液处理切片，以消除PC在正离子模式下对其他信号的抑制作用[28]。其二是通过更换基质溶剂条件、优化基质喷涂条件或改进仪器功能以求获得更小的基质结晶和更高的分辨率。如采用空气喷枪喷涂DT基质获得微小结晶，并在10 μm分辨率下进行脂质成像[22]。其三是结合组织成像的优势，进行疾病标志物筛查、药物分布等方面的研究[29]。

本综述旨在介绍MALDI MSI在脂质组学研究中的样品处理、基质喷涂及应用方面的研究进展，并就目前存在的问题及解决方案进行探讨，以期扩展MALDI MSI在脂质组学研究中的应用。

1 MALDI MSI在脂质组学研究中的样品制备

典型的MALDI MSI流程如图1所示，其中，样品的制备是MALDI MSI分析中十分关键的步骤，直接关系到成像的质量和所检测物质的种类及数量。样品制备包括组织的获得、储存、切片制备、预处理、基质喷涂等。对组织切片进行预处理，如利用不同的溶剂对组织切片进行洗剂，或者利用酶解的手段将干扰物除去，或者通过对低含量的脂质分子的衍生化以达到增强检测信号强度的目的，可以实现特异性检测某类脂质。另外，基质的喷涂是MALDI MSI分析的关键，包括基质和喷涂方式的选择两方面，直接关系到成像质量的好坏和所检测物质的种类及数量。

图1 MALDI MSI分析流程图Fig.1 The work flow diagram of the MALDI MSI analysis

1.1 洗 涤

由于组织切片中存在大量内源性碱金属离子(Na+，K+)，因此在进行MALDI MSI分析过程中会出现[M+Na]+或[M+K]+加合离子，这会导致所检测到脂质的相对丰度与实际分布相比发生偏差。Wang等[27]分别尝试使用70%乙醇、水或150 mmol/L乙酸铵溶液对组织切片表面进行洗涤，结果显示，150 mmol/L乙酸铵溶液的处理不仅不会造成脂质的丢失，而且使得PC和SM信号增强；本课题组Zhang等[30]研究发现，使用乙醇洗涤鼠脑组织，然后利用3-氨基喹啉(3-AQ)作为基质能够大大增强负离子模式下MALDI MS对于神经节苷脂(Gangliosides)类物质的检测;Angel等[31]发现，使用pH 6.4的甲酸铵溶液或者pH 6.7的乙酸铵溶液对组织切片进行洗涤能够大大提高负离子模式下对于甘油磷脂类、硫苷脂类和神经节苷脂类物质检测的灵敏度，相较于未洗涤处理的组织切片，信号提高程度能够达到5倍，而且不影响MALDI MSI的成像分辨率。

1.2 酶 解

对8类脂质分子的结构分析可知，甘油磷脂类(Glycerophospholipids)分子，尤其是其中的PC类物质，由于本身极性较大,容易带正电荷，且在组织中的含量较高，导致在正离子检测模式下，甘油磷脂类物质会对其他脂质分子产生强烈的离子抑制效应，使得对其他类脂质的检测成为难题。为解决这一问题，Vens-Cappell等[32]使用磷脂水解酶PLC(Phospholipase-C)，特异性地水解PC分子的极性端基，将PC分子转化成为中性的DAG(Diacylglycerol，甘油二酯)分子。利用这种预处理方式，Vens-Cappell等将鼠脑和肾组织表面的PC分子水解，检测到鞘糖脂类(Glycosphingolipids)脂质分子，相较未处理前，信号强度提高了10倍。 Amoscato等[28]研究发现，对于鼠脑组织，首先通过EDCI(1-Ethyl-3-[3-(dimethylamino)propyl]-carbodiimide hydrochloride)的化学处理，然后进行PLC酶的水解处理，能够大大增强在负离子模式下MALDI MS对于心磷脂类(Cardiolipins，CLs )物质的检测灵敏度，实现对于鼠脑部位CLs的MALDI MSI成像分析。

1.3 衍生化

在MALDI MSI分析过程中，保持被分析物的位置不变十分重要，另外不引入新的杂质也是十分必要的。然而，由于化学反应条件复杂，所以通过化学衍生的手段提高MALDI MSI分析的灵敏度时很难避免上述两个问题。对大部分分子结构复杂的脂质分子进行原位衍生更是一件十分具有挑战的课题。FA(Fatty acid，脂肪酸)是脂质中分子结构最为简单的一类物质，由于分子结构中含有1个羧基，所以只能在负离子模式下进行直接检测，然而由于其离子化效率低、在组织中的含量少、分子量小(200～400)易被基质自身的信号干扰，因此用MALDI对FA类物质进行检测时困难重重。2016年，Wu等[33]利用电喷雾在组织表面喷涂衍生化试剂2-Picolylamine的方法实现了在鼠脑组织表面的原位FA衍生化，结果显示，通过该衍生化处理，在正离子模式下可以在鼠脑组织表面检测到6个FA成像信号，成像结果表明被分析物未发生明显位移。

2 MALDI MSI在脂质组学研究中的基质使用

基质的使用是MALDI分子离子化的基础，所以基质的使用非常重要，也是易受人为操作影响的步骤。基质的使用主要包括两个方面：基质的选择和基质的喷涂方式。

2.1 基质的选择

有机小分子基质，如DHB，CHCA，9-AA，MBT，3-AQ等，是进行脂质分析中使用最多的一类基质，DHB在正负离子模式下皆可使用，CHCA和MBT主要用于正离子模式检测，9-AA和3-AQ主要用于负离子模式检测。通常的选择策略是：正离子模式选择酸性基质，负离子模式选择中性或碱性基质。然而，随着MALDI技术的不断发展、脂质研究的不断深入，常见的有机小分子基质无法完全满足研究的需要，新型的有机小分子基质、离子液体基质以及无机纳米材料基质等不断填补着传统基质的不足。

2.1.1 有机小分子基质 有机小分子基质是最早使用的MALDI基质，对MALDI技术的发展起到了极大的推进作用。近年来，随着研究的深入，传统有机小分子基质已不能满足要求，如在低m/z区域(<500 Da)出现的大量基质信号影响到小分子物质的检测，对于中性的脂质如甘油三脂(TAG)、甘油二酯(DAG)、胆固醇酯(CE)等的离子化效率较低，在磷脂(PLs)类物质分子产生强烈离子抑制情况下无法进行有效的检测[34]。另外，有机小分子基质在使用过程中由于存在重结晶的过程，基质结晶的大小和均匀度很难控制，而且易导致“甜点”出现。由于MALDI离子化的机理尚不完全清晰，绝大部分有机小分子基质都是偶然或是基于经验尝试中得到的，因此开发该类基质具有挑战性。Wang等[35]研究发现，羟基黄酮类化合物可以作为基质进行MALDI MSI分析，在正离子模式下，该类物质对于磷脂类分子具有很好的解析能力，其中1个化合物槲皮素可从鼠脑组织切片中解析到212种脂质，显著优于常用的有机小分子基质DHB，CHCA和MBT等，并且该类物质还具有易于形成均匀结晶薄层、真空条件下稳定、自身信号低、用量少等优点；Nie课题组[36-38]近年来在研究中发现，萘的衍生物二氨基萘及其盐酸盐和N-(1-萘基)乙二胺及其盐酸盐或硝酸盐作为基质在负离子模式下对小分子化合物具有很好的解析能力。

2.1.2 离子液体基质 因为具有低蒸汽压和对被分析物高的溶解度，离子液体被广泛应用于许多分析技术(如气相色谱)。低蒸汽压可保证离子液体在高真空条件下不易挥发，溶液状态使得离子液体对于被分析物具有良好的溶解能力，Armstrong等[39]首次尝试利用离子液体作为基质进行MALDI MS分析，结果显示使用离子液体作为基质可以得到均匀的样品溶液，有效避免了“甜点”的出现，而且有些离子液体的解析能力优于固体基质。此后,Lemaire等[40]制备了离子液体CHCA/aniline作为基质，实验结果表明使用该基质后，MALDI MS具有检测灵敏度更高，共结晶更加均匀，正负离子模式均可使用，以及易得到二级质谱信号等优点。 Chan等[41]利用CHCA与1-Methylimidazole制备得到离子液体lmCHCA，然后使用lmCHCA作为基质对鼠脑组织进行MALDI MSI分析，发现该离子液体基质对于鼠脑组织中的神经节苷脂类物质具有较强的解析能力，而且避免了唾液酸端基断裂。Meriaux等[42]利用有机碱分别与2,5-DHB和2,6-DHAP(2,6-Dihydroxyacetophenone matrix)反应制备了多种离子液体，结果表明，以形成的离子液体作为基质对于磷脂类化合物的解析灵敏度并未下降，而且能够克服2,5-DHB作为基质容易产生不均匀基质结晶和2,6-DHAP在真空条件下易挥发的不足，体现出离子液体基质的优势。但是大部分离子液体基质对于脂质的解析能力并无明显提升，而且存在保存时间短、影响成像分辨率等不足。因此，该类基质只能作为有机小分子基质的补充，还亟待改进和提高。

2.1.3 无机纳米材料基质 无机纳米材料基质是近年来发展较快的一类基质。相较于传统的有机小分子基质，该类物质作为基质在MALDI MS中背景信号低，具有较强的耐盐性，对于提高小分子区域(<500 Da)物质的检测效果明显。Hayasaka等[43]利用平均粒径为(3.84±0.45) nm的AgNPs(银纳米颗粒)在负离子模式下从鼠肝组织中检测到DHB不能检测的6种FA，棕榈酸的检出限甚至达到50 pmol，并完成了这几种FA在老鼠视网膜组织中的MALDI MSI分析;Jackson等[44]研究发现，使用粒径为6 nm的AgNPs作为基质，在负离子模式下对甘油磷脂类分子具有较强的解析能力，在正离子模式下对于甘油酯类化合物TAG具有较强的检测能力；Goto-Inoue等[45]研究发现(4.3±0.7) nm粒径的AuNPs(金纳米颗粒)作为基质在负离子模式下对于糖鞘脂类化合物(GM3,GM2,GM1,GD1,GD3)具有极强的解析能力，检测灵敏度比DHB基质大约高20倍；Dufresne等[46]利用AuNPs作为基质，正离子检测模式下成功检出鼠肝组织中的25种TAG，该信号强度大约是DHB的30倍，检出的TAG种类几乎是DHB的4倍，另外，对于DAG和CE等中性脂质也具有良好的解析效果；TiO2NPs(二氧化钛纳米颗粒)由于具有对紫外光强吸收的特点,Shrivas等[47]尝试以其作为基质，结果显示，正离子模式下，TiO2NPs对于低分子区域(<500 Da)的物质具有非常强的解析能力。另外，Chen等[48]研究发现碳纳米管作为基质在负离子检测模式下对于小分子物质FA、氨基酸、多肽等具有很强的解析能力，对于硬脂酸的最低检出限能够达到0.2 fmol。虽然无机纳米材料基质表现出优于传统有机小分子基质的诸多特性，但无机纳米材料的性质与其制备方法、尺寸等密切相关，因此在使用该类材料作为基质时必须考虑重复性的问题。

2.2 基质的喷涂方式

目前，常用的基质喷涂方式按机理的不同主要有3大类：①喷枪法；②升华法；③自动喷雾法。其中喷枪法是操作最为简单、效率最高的基质喷涂方式，但是受人为操作因素影响较大，重复性差；升华法可以制备均匀的基质结晶薄层，但要求基质在真空条件下具有一定的挥发性；自动喷雾法是目前应用最为广泛，发展最为活跃的一种基质喷涂方式，相较于前两种方式，该方法具有基质结晶较为均匀、自动化程度高、适应性强等优点，几乎所有的基质都可以使用该种方法并可获得比较理想的喷涂效果，也是商业化的基质喷涂装置常用的喷涂方式。 Gemperline等[49]的研究表明，在MALDI MSI分析中，自动喷雾法制备样品的成像分辨率和重现性均优于喷枪法，升华法是其中成像分辨率最高和重现性最好的基质喷涂方法，但检测到脂质的种类最少；Guo等[50]的研究表明，利用高压电喷雾的方法进行NEDC(N-(1-萘基)乙二胺盐酸盐)喷涂能够显著增强在负离子模式下对小分子代谢物质(如脂肪酸、核苷类物质等)的检测灵敏度。

3 MALDI MSI在脂质组学研究中的应用

相较于LC-MS方法，MALDI MSI无需对样品进行萃取、纯化、分离等复杂的前处理，并且保留了脂质的原位信息，这些特点使得MALDI MSI分析方法在生物标志物的识别、代谢机理的研究、犯罪科学及食品科学等领域均有着广泛的应用。

3.1 肿瘤标志物的识别

脂质尤其是其中的磷脂类物质是细胞膜的主要构成成分，在细胞中发挥了重要和多样性的功能，包括化学能量的储存、细胞膜和细胞器、细胞的信号传导、组织中细胞与细胞之间的相互作用等。这些细胞过程与细胞的生长、凋亡、癌变、转移等变化有着密切的联系。因此，一些种类的脂质在肿瘤组织中的含量会发生变化，且MALDI MSI分析技术非常适用于研究这种脂质的空间位置变化。Jones等[51]利用MALDI FTICR-MS对肾细胞癌及其正常组织进行综合脂质分析，发现m/z672的PC(26∶0) 和m/z718的PC(30∶3) 在肾细胞癌组织中的表达有明显升高，m/z723的PC(30∶2) 在肾细胞癌组织中的表达较正常组织低；Ishikawa等[52]研究发现：相较于正常组织，在甲状腺癌组织中有3种磷脂的含量明显升高，分别是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+，这3种脂质分子可以作为甲状腺癌早期诊断的生物标志物;Uehara等[53]使用MALDI-TOF-MSI对人的胃癌组织和癌旁粘膜组织进行综合脂质成像分析，结果显示：m/z798的PC(16∶0/18∶1) +K+和m/z496的LPC(16∶0)+H+在胃癌组织中的表达分别高于和低于癌旁粘膜组织，分析表明LPCAT1(溶血卵磷脂酰基转移酶1)在胃癌组织中的表达高于癌旁粘膜组织，并且与肿瘤的分化呈现正相关，与肿瘤浸润程度和淋巴结转移等呈现负相关；Morita等[54]利用MALDI MSI技术对肝癌组织的研究结果表明：相较于癌旁组织，肿瘤区域中sn-2位置被棕榈酸或油酸取代的PC含量有明显升高，正相反，sn-1位置被棕榈酸取代的LPC含量有明显降低。

Morita等的进一步研究表明，肝癌组织中某些种类PC或LPC含量的改变是由于LPCAT1(溶血卵磷脂酰基转移酶1)表达的异常升高所致，LPCAT1作为一种促进LPC转化为PC的酶会特异性地识别sn-1位置被棕榈酸取代的LPC，并使其转化为sn-2位置被棕榈酸或油酸取代的PC，因此出现了肝肿瘤组织中特定种类PC含量升高、LPC含量降低的现象。Jiang课题组[55]通过比较扩散性强的乳腺癌细胞系及扩散性弱的乳腺癌细胞系中的脂质信息发现，前者有31种脂质的表达上调，8种脂质的表达下降，这些脂质分子或许可以作为乳腺癌疾病诊断的新的生物标志物。

3.2 指纹成像

由于其独特性，指纹一直是身份鉴定的重要依据，是刑侦鉴定中的关键证据。然而，对于指纹的检测长期依赖于信号增强的方法，主要通过物理或化学试剂与其中的某些成分结合或反应，仅获取了指纹的物理特征，而可能忽略了其他信息，比如嫌疑人在作案之前是否接触过毒品、嫌疑人的性别、年龄、身体健康状况等。质谱成像技术为解析这些信息提供了可能。指纹中主要包含内源性和外源性的物质，内源性的物质主要包括金属离子、脂质、氨基酸、蛋白质和维他命等；外源性的物质主要是一些物质的沾染(如药物、化妆品、食物等)。这些物质均可作为质谱分析的对象。2009年，Wolstenholme等[56]首次使用MALDI MSI技术对指纹中的内源性物质进行了成像分析，结果显示：利用CHCA作为基质在正离子模式下共检测到包括13-Aminotridecanoic acid、油酸、硬脂酸、十九烷酸、DAG、脱水胆固醇和Dimethyldioactadecylammonium在内的7种脂质，利用这些脂质信号可对指纹的特征进行清晰的成像，另外，将指纹表面的基质洗涤后，还可以用常规的刑侦学方法对指纹进行鉴定和扫描；2011年，Ferguson等[57]通过改进基质喷涂方法，既实现了对指纹信号的增强又可以进行指纹的质谱成像分析，该文章称之为“干-湿”法：首先将CHCA基质粉末撒到指纹表面，然后将多余的粉末吹掉后进行溶剂的喷涂，干燥后对指纹表面的CHCA基质分别进行紫外和荧光成像分析，最后通过质谱成像分析以获取指纹中的分子信息；另外，在犯罪现场经常会出现交叉指纹，使用常规的染色方法很难获取精细的重叠区域指纹图谱，影响比对的成功率，由于不同的嫌疑人指纹中内、外源性物质的含量和种类差别较大，而Bradshaw等[58]利用MALDI MSI技术很好的解决了这一问题。

3.3 单细胞脂质分析

分子生物学、肿瘤医学、药学等的快速发展对分析技术提出了更高的要求，单细胞成像分析是目前面临的挑战之一。近年来，随着MALDI MS技术的不断创新和发展，MALDIMS成像的分辨率可以达到10 μm以内。Zavalin等[59]通过改造MALDIMS离子源由反射结构变为透射结构实现了1 μm以内的成像分辨率，对HEK-293和RKO细胞成功进行了MALDI MSI分析，m/z782的成像图与光学图像完全一致；Schober等[60]对HeLa细胞进行了7 μm分辨率下的MALDI MSI成像分析，成像结果与光学图像一致，而且对于磷脂分子和小分子物质具有较高的检测灵敏度。

3.4 临床应用

微生物疾病引起的死亡是人类死亡的主要原因，因此，病原菌的早发现对于感染的预防、控制和治疗十分重要，也是精准医学的迫切需求。相较于传统的细菌鉴定手段，如表型特征观察、16S核糖体RNA测序和实时荧光PCR检测等，MALDI MS检测手段具有准确度高、方便、快捷等优点，适合于临床应用。近年来，MALDI MS技术在该领域发展迅猛，目前Bruker MicroflexBiotyper和bioMérieux VITEK MS两种基于蛋白质组学的MALDI-TOF MS检测方法获得了FDA的批准，在临床中获得了广泛应用。然而，该技术仍有一些不足，如对于十分相似细菌的鉴定仍然存在困难。脂质组学的发展或许会为解决这一问题提供可能。Cox等[61]的研究表明，使用CeO2催化的MALDI-TOF MS脂肪酸分析方法，以脂肪酸作为指纹信号，可获得100%准确度的种类鉴定，98%准确度的株系鉴定，准确度明显高于以上两种商业化分析方法。

随着研究的不断深入，MALDI MSI技术在临床应用中也取得了重要进展。传统的MALDI MSI分析流程中，样本的制备通常采用冰冻切片的形式，然而，福尔马林固定-石蜡包埋(Formalin-fixed paraffin-embedded，FFPE)人体组织切片样品是临床组织学检查最常用的保存形式。近年来，Walch课题组[62-63]发展了基于FFPE人体组织切片的MALDI MSI分析方法，该分析方法为MALDI MSI技术的临床应用提供了可能。该课题组对350位肿瘤患者的组织样本进行分析，发现该方法不仅能够区分正常组织与肿瘤组织，而且能够区分来自于相同组织的不同种类肿瘤，另外还发现与肿瘤病人存活率相关的生物标志物。由于临床上对于组织分布的特异性要求较高，这就要求在进行MALDI MSI过程中需要更高的成像分辨率，再加之，对于质量分辨率的要求也越来越高，导致在进行MALDI MSI分析过程中会生成庞大的数据和消耗过多的采集时间，这些问题都会给临床应用带来挑战。 Heijs等[64]开发了组织学引导的高分辨MALDI MSI分析新方法，该方法首先利用软件将组织学染色的样本图片进行区域标记，然后对于标记区域进行高分辨MALDI MSI分析。与传统的MALDI MSI分析流程相比较，该方法能够大大缩短成像的时间和数据采集量，提高了分析效率。另外，Carter等[65]开发了对于肺活检组织样本的MALDI MSI分析新方法，该方法不仅能够保存呼吸道系统的生理状态，而且样本制备过程不会影响到其他的临床检测手段。

4 问题及展望

经过近20年的发展，MALDI MSI技术在脂质组学研究中获得了广泛的应用，极大地推动了脂质组学的发展。然而，该技术目前仍然处于快速发展阶段，MALDI MSI分析存在离子抑制效应、灵敏度偏低、样品分析的过程冗长、基质信号干扰、分辨率偏低、难以准确定量、数据生物学意义解析困难等一系列问题，这些问题亟需进一步研究。

采用有机挥发溶剂[25-26]或醋酸钠溶液[27]冲洗切片除盐，或使用酶溶液处理切片，可以消除部分高丰度脂质对其他低丰度脂质的信号抑制作用[28]。新基质(如槲皮素、二氨基萘等)的应用，可以极大提高特定脂质检测的灵敏度。仪器性能，如激光性能的改进及提高、质谱仪器检测速率的提高，对于样品分析过程的缩短提供了可行性。无机纳米材料基质的应用，对于解决传统有机小分子基质在m/z500以下区域的干扰提供了方案。新的基质喷涂方法，使得更小的、更均一的基质结晶成为可能，从而极大地提高了MALDI MSI成像的空间分辨率、重现性及定量能力。现在，许多大学和国家科研机构纷纷成立脂质组学研究中心，如美国NIH资助的LIPIDMAPS、欧盟资助的LipidomicNet,包括早期的ELIfe(The European Lipidomics Initiative)(http://www.lipidomics.net)以及日本政府资助的Lipid Bank(http://www.lipidbank.jp)，华盛顿大学医学院的ORY研究小组和堪萨斯州立大学成立的脂质组学研究中心以及格拉茨大学、奥地利科学院及格拉茨技术大学等研究机构共同成立的格拉茨脂质组学研究中心(Lipidomics Research Center Graz，LRCGraz)，新加坡国立大学也成立了以Wenk教授为首的Lipidprofile课题组。这些脂质数据库等的建设，将推动脂质功能的研究及其生物学意义的研究。总之，随着新型基质的不断开发、新的样品制备方法的涌现、仪器性能的不断改进和提高、生物信息学等技术的发展，MALDI MSI技术必将为脂质组学的发展注入新的动力。

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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

国家自然科学基金(21575146，21321003，21405160)

10.3969/j.issn.1004-4957.2017.02.003

O657.63；O623.732

A

1004-4957(2017)02-0170-08

*通讯作者：赵镇文，博士，研究员，研究方向：脂质组学研究，Tel：010-62561239，E-mail：zhenwenzhao@iccas.ac.cn