MALDI成像技术在跨学科中的应用:从代谢组学到杀虫剂

2019年5月07日 13:52:41 来源:
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  基质辅助激光解吸/电离(MALDI)成像质谱法能以直接、原位、无标记的方式测量组织中的蛋白质、多肽、脂质、小分子药物及其代谢物和其它化合物。应用范围覆盖基础生物学研究、环境和毒理学科学,以及专门的药物研发方法。在各种情况下,MALDI成像所产生的独特信息对理解包括人、动物和植物等各类生命体的各种重要因素,如分子和代谢机制,以及化合物或代谢物转运和定位,都能作出重要贡献。本文将用MALDI成像技术着重研究诸如十氯酮等杀虫剂如何长期影响人类健康,并在补救和环境政策的立法、政治和经济决策提供支持性证据。

  1. 介绍

  在过去十年中,对高灵敏度、超快速质谱技术的需求激增,推动了一系列的质谱仪的创新,并将其应用扩展到了更多的领域,包括药物研发、OMICS 研究、药物代谢和环境科学。现在,质谱仪在传统分析实验室之外很常见,不同的电离源——如直接基质辅助激光解吸/电离(MALDI)——的出现推动了蛋白质组学和质谱成像的诸多进展。

  MALDI成像——20世纪90年代末,Caprioliet 等[1] 首次强调这项技术,作为研究哺乳动物组织切片中生化过程的高灵敏度工具,对分子生物学领域,特别是在研究包括人类、动植物在内的生物系统中化合物和代谢物的转运和定位方面,做出了重大贡献。

  2. 集成生物学与化学

  MALDI成像能以直接、原位、无标记的方式测量组织中的蛋白质、多肽、脂质、小分子药物及其代谢物和其它化合物。Caprioliet等的早期实验展示了对大鼠胰腺和垂体区域的MALDI离子图像分析。一些多肽只在局部观察到。同时,作者还注意到,在大鼠垂体组织的一副质谱图上,观察到超过50个相互关联的离子,,他们均为某一个多肽的前体、亚型和代谢碎片。

  最近,Journal of Proteomics(《蛋白质组学杂志》)发表了一篇综述文章,介绍了MALDI成像在环境污染物毒理学评价中的潜力。作者的结论是,MALDI成像在研究释放到环境中的化学物质的分布和代谢,以及更好地阐明其作用机制方面具有巨大的潜力。

  根据应用需要,可以将一系列质谱仪集成到MALDI成像系统中。例如,MALDI-Time-of-Flight(TOF)系统可提供高通量(对分子量类似的分子的辨别能力较低),而磁共振质谱仪(MALDI-MRMS)则具有较高的测量精度和质量分辨能力。

  3. MALDI 成像在制药研发与癌症研究中的应用

  纵观21世纪初,MALDI 成像沿着两条平行的轨道发展:作为生物学家的一种研究工具,人们的兴趣持续增长;同时,有关它在药物研发(R&D)中应用的第一批材料面世。

  药物研发中进行安全和有效药物风险评估的传统方法,是基于测量动物模型和人类血浆中的原型药物。然而,人们已经认识到,大多数药物靶标并不在血浆中,而其在相关组织分布的测定既要包括原型药物,还应包括其代谢物,这将将使人们对药理学和毒理学有更多的了解。

  定量全身放射自显影(QWBA)和液相色谱联用质谱(LC-MS)是研究药物在体内分布的最佳实践方法,而他们现在明显将重点放在分析组织而不是血浆上,但仍未能提供完整的结果。这两种技术都存在挑战。QWBA是一种稳健的方法,所产生的数据被世界各地的监管机构所接受。但是,它需要使用放射性标记探针,并呈现出体内总放射性物质的总和,包括原型药物、代谢物、杂质和降解产物的各种组合。

  LC-MS分析的对象是组织匀浆提取物。这项技术不能提供任何空间信息,更重要的是,它可能会产生误导。例如,如果组织中的被分析物高度局部化,提取和均质过程将起到稀释作用,从而掩盖这种分布,并使浓度相对较低,有时甚至低于检测极限。

  在此背景下,MALDI成像为药物开发提供了潜在的优势。例如,MALDI成像能提供药物及其重要代谢产物在组织样本中定位的重要新信息。图2突出显示了