近日，中央民族大学生命与环境科学学院（质谱成像与代谢组学国家民委重点实验室）王晓东教授团队与中国中医科学院西苑医院李琦主任医师团队合作在基质辅助激光解析电离质谱成像 （matrix-assisted laser desorption/ionization mass spectrometry imaging，maldi-msi）内源性代谢物检测与成像表征新型基质研究领域取得了又一重要进展。研究发现利用2‑hydroxy-5-nitro-3-(trifluoromethyl)pyridine（ hntp）新基质结合maldi-msi新型分子成像技术，可成功增强对大鼠脑组织中低分子量化合物（＜500 da）与脂质分子的检测与成像表征，显著优于常规基质2,5-dihydroxybenzoic acid（dhb）和2-mercaptobenzothiazole（2-mbt）。该成果近期作为封面文章发表于高水平国际学术期刊analytical chemistry。
maldi-msi作为一种新颖的分子成像技术，基于免标记（无需特定试剂进行标记）、简单的样品前处理以及温和的软电离过程等优势被广泛应用于生命科学等领域。该技术之所以能够高效精准地对生物组织内源性代谢分子进行研究，主要归因于选择适宜的maldi基质。适宜的基质可以传递从激光中吸收的能量，促使待测分子自样本表面有效解吸，以提高maldi质谱用于检测和成像生物内源性代谢分子的效率。
代谢分子指机体在代谢过程中产生或消耗的物质，通常是分子量小于1500 da的一类小分子化合物。在生物体内，代谢分子类别多且复杂，众多代谢分子构成了机体复杂的代谢网络。这些不同化学性质的代谢分子（如氨基酸、核苷、脂质分子等）在机体内发挥重要的生物学功能，参与完成机体的新陈代谢、生长发育等重要生物学过程。然而，代谢物在机体内异常的表达通常会引起各种疾病（如癌症、糖尿病以及神经系统类疾病）的发生。因此，研究内源性代谢物在组织/器官中的空间分布对于探究疾病发病机制和确定诊断性生物标志物尤为关键。
目前，常规基质（如dhb、2-mbt等）在生物组织内源性代谢分子检测方面存在明显短板。例如，将常规基质应用于生物组织更容易受基质效应影响而难以兼容于检测不同化学性质的内源性代谢分子；而且基质相关离子信号（＜500 da）的大量存在极大地限制了maldi-msi技术用于挖掘更多内源性代谢分子空间分布的信息。因此，亟待一种兼容于检测多种类别的代谢分子且在低分子量区域受基质相关离子信号影响小的maldi基质。王晓东教授团队通过系统研究，发现有机杂环化合物hntp具有紫外吸收强、基质相关离子信号干扰少、离子化效率高、微米级结晶尺寸、均质的结晶涂层以及线性动态范围较宽等特点（图1）。与常规基质dhb和2-mbt相比，新基质hntp在低分子质量区域的基质相关离子信号干扰更少，对大鼠肝组织中代谢物的电离效率更高。该结果证明基于新基质hntp结合maldi-ms技术显著提高了对组织代谢物检测的灵敏度和覆盖度，有巨大潜力应用于生物内源性代谢分子的检测表征（图2）。
图1. (a) hntp, dhb, 2-mbt 三种基质的紫外-可见光吸收光谱 (溶液态和固态紫外) 及其摩尔消光系数和化学结构。(b) hntp, dhb, 2-mbt 三种基质的结晶形态。 (c) hntp 基质检测氨基酸线性范围。
图2. hntp、dhb和2-mbt三种基质在正离子模式下的基质相关离子信号（左）和大鼠肝组织平行切片代谢物的maldi-tof质谱图（右）。三角形表示相对应的基质相关离子信号。
研究团队进一步应用三种基质（hntp、dhb和2-mbt）结合maldi-msi技术对大鼠脑组织纵向切片中代表性内源性代谢物进行了原位检测与成像研究。实验结果表明新基质hntp对代表性代谢物（如氨基酸、寡肽、胆碱以及脂质分子）进行maldi-msi分析具有显著优势（图3）；而另外两种常规基质则仅能对部分代表性代谢物进行原位表征。新基质hntp的应用为更全面地揭示这些不同类别代谢分子的空间分布与其生物学功能之间的关系提供了新的选择。
图3. 大鼠脑组织代谢物maldi-msi表征。(a)正离子模式下应用hntp基质检测到大鼠脑组织切片代谢物的maldi-tof质谱图。(b) 应用三种基质（hntp, dhb和2-mbt）所检测到大鼠脑组织切片中选择代谢物离子的成像图。
综上所述，新型maldi基质hntp具有强紫外吸收、基质相关离子信号干扰少及对组织代谢物电离效率高等诸多优良特性。同时，新基质能够兼容于对生物样本（如大鼠肝、脑组织）中多种不同化学性质的内源性代谢分子的检测和成像研究。新基质hntp的应用进一步拓宽了maldi-msi技术在生命科学领域的应用范围，有望为同时检测和成像多种复杂代谢分子方面提供新的视野。
该项研究工作得到国家自然科学基金（31770384、21605164）、中央民族大学青年学术团队培养计划项目（10301-02200301），国家民委重点实验室建设项目（10301-02200303）等资助。学院2021级硕士生包志彬、于典、付金祥为该论文的共同第一作者，王晓东教授为该论文的共同通讯作者。
（供稿 王晓东 审校 张严 陈坦 王乔）
