質譜成像（Mass Spectrometry Imaging, MSI）作爲一種新型的分子影像技術，能夠直接從生物組織中獲得大量已知或未知的內源性代謝物和外源性藥物等分子的結構、含量和空間分佈信息。相對於其他成像方法（如熒光成像、放射性標記成像等），該技術無需化學或放射性標記、不需複雜樣品前處理，具有高特異性、高通量和空間信息保留的突出優勢。
質譜成像技術可以實現生物組織中上千代謝物的定性、定量和定位分析，結合生物信息學分析，發展爲空間代謝組學方法，可從生物組織原位發現差異代謝物，並識別其生物學功能。
· 空間代謝組學
鹿明空間代謝組是基於質譜成像技術發展而來的，免標記、無需基質、週期短。通過質譜成像技術對不同組織器官中的代謝物進行定性、定量、定位三個維度的分析，突破傳統代謝組研究損失空間信息的瓶頸。空間代謝組學作爲一種新型的分子影像技術，能夠直接從生物組織中獲得大量已知或未知的內源性代謝物和外源性藥物等分子的結構、含量和空間分佈信息。
圖1 | 不同質荷比大小的代謝物在大鼠腦中的空間成像
· 技術原理
鹿明空間代謝組在解吸電噴霧電離質譜成像（DESI-MSI）技術上進一步升級，形成了空氣動力輔助離子化解吸電噴霧電離質譜成像（AFAI-MSI）技術。利用空氣流與傳輸管對帶電液滴進行遠距離傳輸，傳輸管中的帶電液滴在高速氣流和電壓的作用下進一步脫溶劑、富集、離子化，繼而提高檢測靈敏度，同時擴展了待測樣品的空間和操作靈活性，不僅適用於單一組織樣本，也適合於大體積樣品的遠距離離子採集和成像分析。
圖2 | AFADESI-MSI空間代謝組技術原理圖
· 技術流程
1） 在電噴霧毛細管噴嘴上施加一定高電壓，噴霧溶劑從霧化器的內套管中流出，由外套管中噴出的高壓氮氣迅速將噴霧溶劑霧化形成帶電噴霧液滴；
2） 噴出的高速帶電液滴轟擊待測樣品表面，在溶劑萃取作用下樣品同時被解吸與電離；
3） 含有被測樣品的帶電液滴迅速發生去溶劑化作用，從質譜分析器的採集錐孔進入分析器並被檢測；
4）樣品固定在承載平臺，連續或脈衝移動承載平臺對樣品進行二維掃描；
5）同時質譜儀記錄質譜信號強度獲得樣品表面的分子及其含量；
6）這些信息通過質譜圖像分析軟件轉換後，即可獲得選擇離子或離子羣的二維空間強度分佈圖；
· 常見質譜成像技術區別
· 技術特點
| 高靈敏度：靈敏度可達pg級別
圖3 | 含量爲pg級的硫苷脂類代謝物在大鼠腦的成像圖[1]
| 寬動態範圍：數量級103
圖4 | 甘油磷脂酰膽鹼在大鼠腎組織不同區域呈3個數量級梯度差異[1]
| 高覆蓋度：涵蓋多種類型小分子代謝物
膽鹼類、多胺類、氨基酸類、肉鹼類、核苷類、核苷酸類、有機酸類、碳水化合物類、膽固醇類、膽酸類、脂質類等多種類代謝物[1]。
| 高特異性
• 高分辨分析器+強分辨力軟件
• 實現m/z 相近代謝物的準確識別
• Δm/z =0.001
圖5 | 大鼠腎臟中m/z相近代謝物的空間成像[1]
| 高異質性
• 實現組織結構和功能
• 代謝物的識別與特徵分佈
圖6 | 人食管癌組織中代謝物的高異質性空間分佈[1]
鹿明空間代謝組學技術優勢
| 項目經驗
小鼠/大鼠：腦、腎、心、肝、脾、脊髓、垂體、胰腺、皮膚、整隻小鼠/大鼠
腫瘤組織：食管癌、甲狀腺癌、肺癌、乳腺癌、胃癌、腦膠質瘤、鼻咽癌、皮膚癌、肝癌
植物組織：根、種子
| 硬件支持
• 服務行業第一臺自有AFAI-MSI，獲得多項發明專利
• Thermo QE 高分辨質譜
• 空間分辨率（100um*100um、20um*20um）+高質量分辨率：儀器持續升級
| 發明專利
3項授權發明專利、1項軟件著作權、申請發明專利10項；
CISILE 2019自主創新金獎，2019 CAIA特等獎；
部分授權專利
1. 敞開式噴霧場解吸離子化方法及離子化裝置，發明專利，授權號：ZL 2007 1 0303649.0
2. 質譜成像平臺裝置及其控制方法，發明專利，授權號 ：ZL 2012 1 0055424.9
3.一種離子源溫控加熱裝置，發明專利，授權號：ZL 2012 1 0348043.X
4. 一種用於生物組織質譜成像的離子傳輸裝置，實用新型專利，授權號 ：ZL 201520580709.3
| 數據庫支持
• 軟件支持
MassImager成像處理軟件
基於大數據與人工智能的質譜成像軟件
| 服務支持
• 學術支持：賀玖明教授，國內最早開發空間代謝組學方法的科學家之
• PNAS、Theranostics、Advanced Science、AC等雜誌發表文章10餘篇（見參考文獻）
· 技術流程
· 應用方向
| 醫學領域
• 疾病分子機制，如阿爾茨海默症、抑鬱、腦缺血、糖尿病、心血管疾病等；
• 生殖發育學，如胚胎、器官發育過程中代謝調控和代謝表型等；
• 腫瘤代謝與腫瘤免疫，如腫瘤代謝微環境與腫瘤免疫逃逸等；
• 腫瘤分子病理診斷、分子分期/分型、生物標誌物篩選等；
• 腫瘤耐藥與精準用藥研究等；
• 環境毒理學，如環境污染物的體內毒性效應和分子機制等；
• 新藥藥理和毒理，如藥物的空間分佈和體內效應和分子機制等；
| 農林牧漁領域
• 發育學，如種子、胚胎、器官發育過程中的空間代謝調控等；
• 分子機制，如鹽脅迫、病毒/真菌侵染、光合作用等機制研究；
• 基因調控機制，如轉基因、基因沉默、基因敲除後代謝物變化的機制研究，瞭解基因與代謝物之間的精確關係等；
•植物與環境互作研究，如昆蟲選擇性侵害植物部位、土壤與根部互作研究等；
• 植物藥用成分定位；
· 樣本準備指南
| 樣本類型
• 未經過福爾馬林浸泡、HE染色，熒光標記等處理的新鮮組織樣本；
• 小至直徑2mm*2mm，大至整隻大鼠、小鼠（15cm×10cm）。常規樣本大小爲1cm3左右；
| 送樣準備
1）實驗前準備
• 預冷生理鹽水
• 50mL離心管中
• 封口膜或保鮮膜、錫箔紙、乾冰、液氮、濾紙片、鑷子、記號筆等；
2）樣本處理流程
3）送樣流程
• 乾冰寄送時，將樣本盒埋沒於乾冰中，保證其上下都有乾冰覆蓋；
• 乾冰的量根據每天4公斤來計算，使用厚實（2cm以上厚度）的泡沫箱寄送。
4）送樣注意事項
•在允許的條件下，建議多準備一份樣品作爲備用；
• 樣本質量是影響實驗結果的最關鍵因素，因此在採集、製備、貯存、運輸過程中應儘可能地做到迅速，最大限度的縮短樣本從採集到實驗的時間。
· 樣本常見問題
| 空間代謝組一般建議多少生物學重複？
• 對於個體差異比較小的樣本類型生物學重複建議每組至少3重複；
• 對於羣居性較大型動物（牛、羊、豬等），建議5重複；
• 對於臨牀樣本，個體差異非常大，建議每組≥5重複；
| 組織需要灌流處理嗎？
建議不進行灌流，灌流液有可能帶走一些水溶性的代謝物，灌流力度不合適，也會造成組織結構的改變。但若不考慮水溶性代謝物或者想要排除血液中代謝物，那麼可以考慮灌流。
| 如何選擇合適的切面？
切面取決於客戶的研究目的，切片需要涵蓋研究關注的區域，特別是像腦組織等具有複雜結構的組織或有特殊要求的。建議客戶到公司共同完成切片的過程，提高切片的成功率，也減少中間溝通的時間成本；像腫瘤組織，最好能包含癌、癌旁和癌遠端組織，一般選擇最大截面進行切片。
研究案例分析
| 案例一：AFAI-MSI空間代謝組的高靈敏度和高覆蓋度
中文標題：一種高靈敏和高覆蓋度用於檢測基於分子組織學的功能代謝物的環境質譜成像方法
研究對象：大鼠腎臟組織、大鼠腦組織、人食管癌組織
技術平臺：AFAI-MSI
| 摘要
功能代謝物與組織結構和生物功能之間有着深刻的聯繫，通過空間代謝組學提供代謝物的原位信息，在分子水平上從本質上揭示組織中發生了什麼。然而，由於組織樣品的複雜性、異質性以及存在大量不同的代謝物，但對於那些低丰度的功能性代謝物進行空間定位仍然是一個挑戰。本研究，介紹了一種靈敏的氣流輔助解吸電噴霧電離質譜成像方法，用於獲得多種代謝物的空間成像。該技術具有覆蓋範圍廣、靈敏度高、動態範圍寬、分析過程快速、組織代謝物成像特異性高等特點。鑑定到1500多種代謝產物，包括膽鹼、多胺、氨基酸、肉鹼、核苷、核苷酸、氮鹼基、有機酸、碳水化合物、膽固醇硫酸鹽、膽酸、脂類等。該技術可以在非靶向分析中實現代謝物的空間可視化。代謝物的空間分佈與異種移植的大鼠腎、大鼠腦和人食管癌的組織學結構和生物功能具有良好的空間匹配性。這種方法能夠全面展示組織中的代謝物分佈，併爲組織學檢查中的結構和功能分子識別，甚至爲術中決策提供了一種有洞察力的方法。
| 結果展示
高靈敏度：含量爲pg級的硫苷脂類代謝物在大鼠腦的成像圖
寬動態範圍：動態範圍在103數量級的甜菜鹼及其同位素離子在大鼠腎臟的成像圖
高特異性：三種m/z非常相近的代謝物 (m/z 369.0229；m/z 369.0998；m/z 369.2297)在大鼠腎臟中具有特異性分佈
高異質性：大鼠腦中m/z 808.5143，m/z 369.5557的空間成像圖呈現組織結構分佈的互補
上海鹿明生物科技有限公司多年來，一直專注於生命科學和生命技術領域，是國內早期開展以蛋白組和代謝組爲基礎的多層組學整合實驗與分析的團隊。經過多年的發展沉澱，公司建立起了4D-DIA/LFQ/PRM、iTRAQ/TMT、DIA、PRM、修飾蛋白組等蛋白組學技術平臺和空間代謝組學、全譜代謝組等代謝組學平臺。
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